基于哈夫曼樹(shù)壓縮的加密技術(shù)

苑思明，鄭 晗，李俊杰（通訊作者）

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)理工學(xué)院 河北 滄州 061100）

1 引言

二十一世紀(jì)是信息技術(shù)的時(shí)代，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)已深入的各個(gè)領(lǐng)域，其安全問(wèn)題尤為突顯。網(wǎng)絡(luò)用戶來(lái)自社會(huì)各階層，網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)必須要有加密保護(hù)措施[1-2]，而計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)加密算法是核心、重中之重。

目前主流的數(shù)據(jù)加密技術(shù)有DES、RSA、AES和橢圓加密算法[3]等。當(dāng)用戶A向B發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，使用某種加密算法，將明文變?yōu)槊芪模l(fā)送到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)；用戶B接收到密文，使用對(duì)應(yīng)的解密算法解密，恢復(fù)明文原始內(nèi)容。在實(shí)際通信中，明文碼長(zhǎng)一般較長(zhǎng)，占用空間大，明文在網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程中易被截獲、篡改，且加密比較繁瑣，耗時(shí)較長(zhǎng)。故本文提出對(duì)基于哈夫曼壓縮的、MD5算法數(shù)據(jù)壓縮加密方法，即為傳送的數(shù)據(jù)構(gòu)建哈夫曼樹(shù)，根據(jù)哈夫曼樹(shù)對(duì)明文壓縮編碼，然后將得到的壓縮明文通過(guò)單向MD5哈希散列算法進(jìn)行加密。

2 哈夫曼編碼

哈夫曼編碼是基于哈夫曼二叉樹(shù)構(gòu)建的無(wú)重復(fù)前綴的、電文總長(zhǎng)最短的二進(jìn)制前綴碼數(shù)據(jù)。將報(bào)文中n種字符出現(xiàn)的次數(shù)作為二叉樹(shù)的葉子節(jié)點(diǎn)，即為wi，各自編碼長(zhǎng)度設(shè)為li，則計(jì)算報(bào)文中的n種字符總長(zhǎng)度WPL[4-6]，如公式（1-1）所示。

WPL值最小時(shí)，構(gòu)建的二叉樹(shù)即為哈夫曼樹(shù)。構(gòu)建好的哈夫曼樹(shù)，從根節(jié)點(diǎn)到每個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)都有一條路徑，此時(shí)用二進(jìn)制數(shù)字進(jìn)行編碼，即從根節(jié)點(diǎn)開(kāi)始，左子樹(shù)路徑都用“0”編碼，右子樹(shù)都用“1”來(lái)編碼，這樣每條路徑都有唯一的前綴編碼。

3 基于哈夫曼樹(shù)的壓縮加密技術(shù)

哈夫曼樹(shù)編碼能較好的實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)文件的壓縮，被廣泛的用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)加密過(guò)程中。

3.1 數(shù)據(jù)加密模型

一般的數(shù)據(jù)加密模型如圖1所示。用A向B發(fā)送明文數(shù)據(jù)D，經(jīng)過(guò)加密算法E加密后，得到密文Y[1]，加密過(guò)程如圖1所示。加密函數(shù)如公式（2-1）所示。

圖1 數(shù)據(jù)加密模型

2.2 MD5散列加密算法

（1）MD5算法簡(jiǎn)介

MD5的全稱(chēng)是Message-Digest Algorithm，即信息摘要算法，是最常見(jiàn)的單向散列（Hash）函數(shù)[7-9]，把明文的數(shù)組進(jìn)行加密后，輸出密文數(shù)組，而根據(jù)密文逆向推出多個(gè)明文，所以MD5加密算法具有不可逆性和碰撞性[10]。

（2）MD5算法的分析過(guò)程

MD5算法的分析過(guò)程如圖2所示。

圖2 MD5加密算法過(guò)程

用戶A向B發(fā)送的明文，先通過(guò)哈夫曼樹(shù)編碼的第一層壓縮后，然后再通過(guò)單向的MD5算法的加密后，得到密文，最后再加上密鑰，然后把結(jié)果送向用戶B。

3 MD5算法壓縮函數(shù)MD5c

用戶加密后的密文在通信介質(zhì)上傳輸時(shí)，非法人員通過(guò)某種技術(shù)手段截獲后，采用常用的窮舉暴力破解法，將明文通過(guò)MD5算法得到所有的密文數(shù)據(jù)庫(kù)，將截獲的密文與數(shù)據(jù)庫(kù)明文密文對(duì)應(yīng)列表查詢匹配，以獲取截獲的密文對(duì)應(yīng)的明文。

MD5算法因?yàn)槿菀妆黄平饨?jīng)常不被使用，可通過(guò)壓縮函數(shù)MD5c來(lái)對(duì)MD5算法進(jìn)行改進(jìn)。步驟如下。

Si和Yj是與步長(zhǎng)值相關(guān)的常數(shù)，Wi是擴(kuò)展的第i塊，其中（0=

Q-1…Q-4是通過(guò)鏈值確定的壓縮的MD5算法。因此：

鏈值的初步建立，在大端字節(jié)：

計(jì)算完64個(gè)步驟以后，MD5c的計(jì)算結(jié)果如下：

4 結(jié)語(yǔ)

在實(shí)際生活中，明文碼長(zhǎng)一般比較長(zhǎng)，在進(jìn)行加密時(shí)比較繁瑣，占用的空間也比較大，而且明文出現(xiàn)的過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)密文的攻擊者，編碼較長(zhǎng)的明文更容易被攻擊，因此本文通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行哈夫曼編碼能解決此問(wèn)題。而使用MD5散列算法，因?yàn)榧用芎徒饷芩惴ㄊ遣粚?duì)稱(chēng)的，通過(guò)改進(jìn)后，也對(duì)數(shù)據(jù)的加密提供了一定的保障。因此，基于哈夫曼樹(shù)的壓縮加密技術(shù)為計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)安全提供了一定的保障。

[1] 王曉東.計(jì)算機(jī)算法分析與設(shè)計(jì)[M].第4版.北京：電子工業(yè)出版社：2012：96-100.

[2] 謝希仁.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)[M].第6版.北京：電子工業(yè)出版社：2013.

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