網(wǎng)絡(luò)通信中主流加密算法比較研究

◆黃素萍 弋改珍 李延香

（咸陽(yáng)師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院 陜西 712000）

網(wǎng)絡(luò)通信中主流加密算法比較研究

◆黃素萍 弋改珍 李延香

（咸陽(yáng)師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院 陜西 712000）

本文首先介紹了當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)通信中主流加密算法的使用狀況和研究成果，基于每種算法的原理，實(shí)現(xiàn)由Java語(yǔ)言編寫(xiě)的算法程序；并分別從各算法速度、CPU占用率和內(nèi)存占用率三個(gè)方面對(duì)各算法的性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；最后通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，總結(jié)出每種算法的應(yīng)用特點(diǎn)，為具體應(yīng)用選擇加密算法提供了有力的依據(jù)。

加密算法；算法性能；網(wǎng)絡(luò)安全

0 引言

在互聯(lián)網(wǎng)廣泛應(yīng)用的今天，網(wǎng)絡(luò)通信中的安全保密問(wèn)題一直是大家最為關(guān)注的問(wèn)題之一。互聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)面向大眾的開(kāi)放環(huán)境，各種信息系統(tǒng)的建立和使用造成我們對(duì)計(jì)算機(jī)，尤其是對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)的依賴(lài)。由于數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都是具有一定價(jià)值的信息，在互聯(lián)網(wǎng)的各個(gè)結(jié)點(diǎn)上有懷惡意企圖的用戶(hù)隨時(shí)會(huì)發(fā)起對(duì)互聯(lián)網(wǎng)的攻擊，以達(dá)到竊取信息的目的。對(duì)這些信息的非法訪(fǎng)問(wèn)、竊取、篡改等行為必然導(dǎo)致計(jì)算機(jī)信息安全問(wèn)題的出現(xiàn)，因此網(wǎng)絡(luò)信息安全是大家最關(guān)注的問(wèn)題之一。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)信息安全，最有效的手段就是信息加密技術(shù)。為了解決這些問(wèn)題，數(shù)字簽名、身份驗(yàn)證、數(shù)據(jù)加密技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，尤其是數(shù)據(jù)加密技術(shù)給計(jì)算機(jī)信息安全帶來(lái)了生機(jī)。

基于網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題以及數(shù)據(jù)的重要性，多數(shù)用戶(hù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)需要選擇應(yīng)用一種或多種加密技術(shù)，為了保證安全而高效的加密數(shù)據(jù)通信，用戶(hù)在選擇時(shí)需要了解各種加密技術(shù)在不同應(yīng)用中的特點(diǎn)。所以，很有必要對(duì)當(dāng)前常用的加密技術(shù)的算法進(jìn)行較深入的實(shí)驗(yàn)和性能分析。

1 加密算法概述

到目前為止，實(shí)現(xiàn)加密的算法約有200多種[1]。加密算法按照雙方收發(fā)的密鑰是否相同分為兩大類(lèi)：一類(lèi)為對(duì)稱(chēng)加密算法（又稱(chēng)私鑰加密算法），即加密密鑰和解密密鑰是相同的。常用的對(duì)稱(chēng)加密算法有DES和AES；另外一類(lèi)是非對(duì)稱(chēng)加密算法（又稱(chēng)公鑰加密算法），即加密密鑰和解密密鑰互不相同，而且要從加密密鑰推導(dǎo)出解密密鑰幾乎是不可能的。影響力最大的非對(duì)稱(chēng)加密算法是RSA。

另外，還有一種用于特殊情景和范圍的加密算法——Hash算法。通信雙方通過(guò)hash算法將信息加密成固定長(zhǎng)度的一段字符編碼，但是卻不能從這段編碼中恢復(fù)出原來(lái)的信息。常見(jiàn)的Hash算法有MD5和SHA。

（1）DES算法

DES是對(duì)稱(chēng)密鑰分組密碼的一個(gè)典型代表，由IBM公司研制的[2]。它使用分組密碼體制。在加密時(shí)，將加密數(shù)據(jù)按64位進(jìn)行分組，使用64位的密鑰分別加密每一個(gè)分組，獲得一組64位密文數(shù)據(jù)，所有分組的密文連接起來(lái)，即為整個(gè)的密文。DES從公布起一直廣泛用于國(guó)際上計(jì)算機(jī)通信以及商用保密通信等安全領(lǐng)域。

（2）AES算法

AES加密算法即高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)，是一種對(duì)稱(chēng)加密算法。此算法是美國(guó)聯(lián)邦政府采用的一種區(qū)塊加密標(biāo)準(zhǔn)[2]。AES算法基于排列和置換運(yùn)算。它的密鑰長(zhǎng)度可以是128位、192位 或者256位，并且按128位分組，并且進(jìn)行分組迭代，在迭代加密的循環(huán)結(jié)構(gòu)中重復(fù)替換和置換輸入數(shù)據(jù)。AES加密算法在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及密鑰的長(zhǎng)度上都已達(dá)到保護(hù)機(jī)密信息的標(biāo)準(zhǔn)。

（3）RSA算法

RSA加密算法屬于公鑰加密算法體制。它是1977年美國(guó)麻省理工學(xué)院研究開(kāi)發(fā)。RSA算法原理是：將兩個(gè)大素?cái)?shù)相乘，但是想要對(duì)其乘積進(jìn)行因式分解卻很難辦到，因此可以將乘積公開(kāi)作為加密密鑰。目前它是公鑰加密算法中影響力最大的算法，它是ISO對(duì)外推薦的公鑰數(shù)據(jù)加密算法的標(biāo)準(zhǔn)[3]。

（4）MD5算法

MD5算法是一個(gè)安全的散列算法，它把加密信息計(jì)算成為固定長(zhǎng)度的字符編碼，但是它是單向的，不能由密文得到明文。要解密MD5只能用窮舉法[4]。

2 比較加密算法的性能

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

基于每種算法的原理，首先實(shí)現(xiàn)了由Java語(yǔ)言編寫(xiě)的RSA算法、DES算法、MD5算法、AES算法的程序，并對(duì)各算法在算法速度、CPU占用率、內(nèi)存占用率三方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。所有實(shí)驗(yàn)都是在Win7旗艦版系統(tǒng)環(huán)境下進(jìn)行。在測(cè)試算法速度時(shí)，通過(guò)反復(fù)多次算法程序運(yùn)行，記錄程序執(zhí)行時(shí)間的平均值來(lái)比較各算法的運(yùn)行速度。測(cè)試CPU占用率和內(nèi)存占用率用的是在多次運(yùn)行各算法程序時(shí)使用Windows系統(tǒng)性能監(jiān)視程序獲得占用情況的數(shù)據(jù)。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（1）在進(jìn)行算法速度實(shí)驗(yàn)中，讓各算法程序?qū)用?00字以?xún)?nèi)的西文字符串，100字以?xún)?nèi)的中文字符串和10字以?xún)?nèi)的短字符串，分別進(jìn)行50次的運(yùn)行，各算法程序的運(yùn)行平均時(shí)間分別如表1，表2和表3所示：

表1 算法加解密西文字符耗時(shí)表

表2 算法加解密中文字符耗時(shí)表

表3 算法加解密短字符耗時(shí)表

通過(guò)算法速度測(cè)試的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到，分別用四種算法對(duì)100字以?xún)?nèi)的西文字符串和中文字符串，以及10字以?xún)?nèi)的短字符串進(jìn)行加解密，各種算法的速度存在較大的差異，對(duì)于加密速度，MD5的速度最快，AES比DES稍快些，RSA的速度最慢；對(duì)于解密，MD5沒(méi)有固定的解密算法，AES比DES稍快，RSA的解密速度最慢。

（2）實(shí)驗(yàn)采用perfmon.exe工具測(cè)試各算法程序的CPU占用率。四種算法的CPU占用率如表4所示：

表4 算法運(yùn)行時(shí)CPU占用率表

通過(guò)算法CPU占用率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到，四種算法運(yùn)行時(shí)CPU占用率從高到底依次為RSA、DES、AES、MD5。

（3）實(shí)驗(yàn)采用perfmon.exe工具測(cè)試各算法程序的內(nèi)存占用率。依次運(yùn)行RSA、DES、MD5、AES，在perfmon.exe程序中的Privileged Time插件窗口中可得到圖1。圖中的4個(gè)小曲線(xiàn)分別是RSA、DES、MD5、AES算法運(yùn)行時(shí)的內(nèi)存占用量的動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)，圖中四種個(gè)算法運(yùn)行時(shí)內(nèi)存占用量差別較小，由曲線(xiàn)峰值由高到低依次為RSA、MD5、DES、AES。