實驗報告模板-信息安全綜合實驗.doc

信息安全綜合實驗實驗報告專業(yè): 信息安全 班 級: 信息安全2班 小組成員： 韓非寒（20102033） 指導(dǎo)教師：唐召東、趙春蕾 職 稱： 講 師 天津理工大學(xué)計算機與通信工程學(xué)院 2014年 5 月 天津設(shè)計日期 2014 年 5月11 日至 2014年5月25日小組成員在本次設(shè)計中承擔的任務(wù)成績 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日目錄前言2實驗一 網(wǎng)絡(luò)通信安全31.1 實驗概述31.2 實驗原理31.3 實驗結(jié)果以及分析161.4實驗小結(jié)20 前言為了提高學(xué)生的動手能力，培養(yǎng)同學(xué)們的學(xué)習(xí)興趣，同時對所學(xué)知識進行全面的復(fù)習(xí)，特在第7學(xué)期開設(shè)本課程。信息安全專業(yè)綜合實踐是信息安全專業(yè)的集中性實踐環(huán)節(jié)課程。本課程的任務(wù)是訓(xùn)練學(xué)生綜合利用所學(xué)理論知識和實踐技能解決實際問題，提高學(xué)生獨立鉆研及團隊合作能力，為適應(yīng)今后的工作打下扎實的基礎(chǔ)。通過該課程實踐，使學(xué)生能夠利用密碼學(xué)知識實現(xiàn)通信系統(tǒng)的機密性、完整性；能夠評估系統(tǒng)的安全性，能夠利用弱點攻破遠程系統(tǒng)，能夠有效地防御遠程攻擊；對Web服務(wù)、Email服務(wù)能夠熟練地管理和配置，增強系統(tǒng)的安全性；能夠綜合利用認證、授權(quán)、訪問控制設(shè)計一個安全、高效的信息系統(tǒng)。實驗一 網(wǎng)絡(luò)通信安全 1.1 實驗概述本實驗應(yīng)用DES，RSA，MD5等加密算法，以及Socket套接字實現(xiàn)一個簡單的加密解密的聊天工具CryptTalk。本實驗的程序在jdk1.6與Eclipse開發(fā)環(huán)境下編寫，基本實現(xiàn)了消息加密的聊天工具的功能。通信的步驟基本如下：首先，服務(wù)器端隨機產(chǎn)生一對RSA密鑰，將公鑰發(fā)送給客戶端，客戶端將自己的對稱密鑰用公鑰加密發(fā)送給服務(wù)器端，服務(wù)器端接收到加密后的密鑰后，用自己的私鑰解密得到對稱密鑰。然后服務(wù)器端和客戶端都利用這個對稱密鑰對發(fā)送的消息加密，進行加密后的聊天。同時把消息經(jīng)過MD5加密生成摘要發(fā)送，在接收端解密后進行MD5加密比較，檢查信息是否被篡改。 1.2 實驗原理 1.2.1 RSA加密算法RSA加密算法原理RSA算法它是第一個既能用于數(shù)據(jù)加密也能用于數(shù)字簽名的算法。它易于理解和操作，也很流行。算法的名字以發(fā)明者的名字命名：RonRivest，AdiShamir和LeonardAdleman。但RSA的安全性一直未能得到理論上的證明。它經(jīng)歷了各種攻擊，至今未被完全攻破。RSA算法的原理以及算法分析如下。首先，找出三個數(shù)，其中，是兩個相異的質(zhì)數(shù)，是與互質(zhì)的數(shù)。，這三個數(shù)便是privatekey。接著，找出，使得，這個一定存在，因為與互質(zhì)，用輾轉(zhuǎn)相除法就可以得到。再來，計算。，這兩個數(shù)便是publickey。編碼過程是，若資料為，將其看成是一個大整數(shù)，假設(shè)。如果的話，就將表成進位(，通常取)，則每一位數(shù)均小于，然后分段編碼。接下來，計算，()，就是編碼后的資料。解碼的過程是，計算()，于是乎，解碼完畢?？梢宰C明和是相等的。如果第三者進行竊聽時，他會得到幾個數(shù):，()，。他如果要解碼的話，必須想辦法得到，所以，他必須先對作質(zhì)因數(shù)分解。要防止他分解，最有效的方法是找兩個非常的大質(zhì)數(shù)，使第三者作因數(shù)分解時發(fā)生困難。RSA算法的安全性RSA的安全性依賴于大數(shù)分解，但是否等同于大數(shù)分解一直未能得到理論上的證明，因為沒有證明破解RSA就一定需要作大數(shù)分解。假設(shè)存在一種無須分解大數(shù)的算法，那它肯定可以修改成為大數(shù)分解算法。目前，RSA的一些變種算法已被證明等價于大數(shù)分解。不管怎樣，分解n是最顯然的攻擊方法?，F(xiàn)在，人們已能分解多個十進制位的大素數(shù)。因此，模數(shù)n必須選大一些，因具體適用情況而定。RSA的速度以及分析由于進行的都是大數(shù)計算，使得RSA最快的情況也比DES慢上倍，無論是軟件還是硬件實現(xiàn)。速度一直是RSA的缺陷。一般來說只用于少量數(shù)據(jù)加密。RSA算法是第一個能同時用于加密和數(shù)字簽名的算法，也易于理解和操作。RSA是被研究得最廣泛的公鑰算法，從提出到現(xiàn)在已近二十年，經(jīng)歷了各種攻擊的考驗，逐漸為人們接受，普遍認為是目前最優(yōu)秀的公鑰方案之一。RSA的安全性依賴于大數(shù)的因子分解，但并沒有從理論上證明破譯RSA的難度與大數(shù)分解難度等價。即RSA的重大缺陷是無法從理論上把握它的保密性能如何，而且密碼學(xué)界多數(shù)人士傾向于因子分解不是NPC問題。 RSA的缺點主要有：A)產(chǎn)生密鑰很麻煩，受到素數(shù)產(chǎn)生技術(shù)的限制，因而難以做到一次一密。B)分組長度太大，為保證安全性，n 至少也要 600 bits 以上，使運算代價很高，尤其是速度較慢，較對稱密碼算法慢幾個數(shù)量級；且隨著大數(shù)分解技術(shù)的發(fā)展，這個長度還在增加，不利于數(shù)據(jù)格式的標準化。目前，SET( Secure Electronic Transaction )協(xié)議中要求CA采用比特長的密鑰，其他實體使用比特的密鑰。 1.2.2 DES加密算法DES加密算法原理當今社會是信息化的社會。為了適應(yīng)社會對計算機數(shù)據(jù)安全保密越來越高的要求，美國國家標準局(NBS)于1997年公布了一個由IBM公司研制的一種加密算法，并且確定為非機要部門使用的數(shù)據(jù)加密標準，簡稱DES(Data Encrypton Standard)。自公布之日起，DES算法作為國際上商用保密通信和計算機通信的最常用算法，一直活躍在國際保密通信的舞臺上，扮演了十分突出的角色?，F(xiàn)將DES算法簡單介紹一下，并給出實現(xiàn)DES算法的VC源代碼。DES算法由加密、解密和子密鑰的生成三部分組成。DES加密算法過程DES算法處理的數(shù)據(jù)對象是一組64比特的明文串。設(shè)該明文串為m=m1m2m64 (mi=0或1)。明文串經(jīng)過64比特的密鑰K來加密，最后生成長度為64比特的密文E。其加密過程圖示如下：對DES算法加密過程圖示的說明如下：待加密的64比特明文串m，經(jīng)過IP置換后，得到的比特串的下標列表如下：該比特串被分為32位的L0和32位的R0兩部分。R0子密鑰K1(子密鑰的生成將在后面講)經(jīng)過變換f(R0,K1)（f變換將在下面講）輸出32位的比特串f1,f1與L0做不進位的二進制加法運算。運算規(guī)則為：f1與L0做不進位的二進制加法運算后的結(jié)果賦給R1，R0則原封不動的賦給L1。L1與R0又做與以上完全相同的運算，生成L2，R2 一共經(jīng)過16次運算。最后生成R16和L16。其中R16為L15與f(R15,K16)做不進位二進制加法運算的結(jié)果，L16是R15的直接賦值。R16與L16合并成64位的比特串。值得注意的是R16一定要排在L16前面。R16與L16合并后成的比特串，經(jīng)過置換IP-1后所得比特串的下標列表如下：經(jīng)過置換IP-1后生成的比特串就是密文e。下面再講一下變換f(Ri-1,Ki)。它的功能是將32比特的輸入再轉(zhuǎn)化為32比特的輸出。其過程如圖所示：對f變換說明如下：輸入Ri-1(32比特)經(jīng)過變換E后，膨脹為48比特。膨脹后的比特串的下標列表如下：膨脹后的比特串分為8組，每組6比特。各組經(jīng)過各自的S盒后，又變?yōu)?比特(具體過程見后)，合并后又成為32比特。該32比特經(jīng)過P變換后，其下標列表如下：經(jīng)過P變換后輸出的比特串才是32比特的f (Ri-1,Ki)。下面再講一下S盒的變換過程。任取一S盒。見圖：在其輸入b1,b2,b3,b4,b5,b6中，計算出x=b1*2+b6, y=b5+b4*2+b3*4+b2*8，再從Si表中查出x 行，y 列的值Sxy。將Sxy化為二進制，即得Si盒的輸出。（S表如圖所示）子密鑰的生成過程如下。64比特的密鑰生成16個48比特的子密鑰。其生成過程見圖：子密鑰生成過程具體解釋如下：64比特的密鑰K，經(jīng)過PC-1后，生成56比特的串。其下標如表所示：該比特串分為長度相等的比特串C0和D0。然后C0和D0分別循環(huán)左移1位，得到C1和D1。C1和D1合并起來生成C1D1。C1D1經(jīng)過PC-2變換后即生成48比特的K1。K1的下標列表為：C1、D1分別循環(huán)左移LS2位，再合并，經(jīng)過PC-2，生成子密鑰K2依次類推直至生成子密鑰K16。注意：Lsi (I =1,2,.16)的數(shù)值是不同的。具體見下表：DES的解密過程和DES的加密過程完全類似，只不過將16圈的子密鑰序列K1，K2K16的順序倒過來。即第一圈用第16個子密鑰K16，第二圈用K15，其余類推。L=R15, R=L15f(R15,K16)f(R15,K16)=L15同理R15=L14f(R14,K15), L15=R14。同理類推：得 L=R0, R=L0。其程序源代碼與加密相同。在此就不重寫。 1.2.3 MD5加密算法HASH原理Hash，一般翻譯做“散列”，也有直接音譯為哈希的，就是把任意長度的輸入（又叫做預(yù)映射， pre-image），通過散列算法，變換成固定長度的輸出，該輸出就是散列值。這種轉(zhuǎn)換是一種壓縮映射，也就是，散列值的空間通常遠小于輸入的空間，不同的輸入可能會散列成相同的輸出，而不可能從散列值來唯一的確定輸入值。數(shù)學(xué)表述為：h = H(M) ，其中H( )-單向散列函數(shù)，M-任意長度明文，h-固定長度散列值。在信息安全領(lǐng)域中應(yīng)用的Hash算法，還需要滿足其他關(guān)鍵特性：第一當然是單向性(one-way)，從預(yù)映射，能夠簡單迅速的得到散列值，而在計算上不可能構(gòu)造一個預(yù)映射，使其散列結(jié)果等于某個特定的散列值，即構(gòu)造相應(yīng)的M=H-1(h)不可行。這樣，散列值就能在統(tǒng)計上唯一的表征輸入值，因此，密碼學(xué)上的 Hash 又被稱為消息摘要(message digest)，就是要求能方便的將消息進行摘要，但在摘要中無法得到比摘要本身更多的關(guān)于消息的信息。第二是抗沖突性(collision-resistant)，即在統(tǒng)計上無法產(chǎn)生2個散列值相同的預(yù)映射。給定M，計算上無法找到M，滿足H(M)=H(M) ，此謂弱抗沖突性；計算上也難以尋找一對任意的M和M，使?jié)M足H(M)=H(M) ，此謂強抗沖突性。要求強抗沖突性主要是為了防范所謂生日攻擊(birthday attack)，在一個10人的團體中，你能找到和你生日相同的人的概率是2.4%，而在同一團體中，有2人生日相同的概率是11.7%。類似的，當預(yù)映射的空間很大的情況下，算法必須有足夠的強度來保證不能輕易找到相同生日的人。第三是映射分布均勻性和差分分布均勻性，散列結(jié)果中，為 0 的 bit 和為 1 的 bit ，其總數(shù)應(yīng)該大致相等；輸入中一個 bit 的變化，散列結(jié)果中將有一半以上的 bit 改變，這又叫做雪崩效應(yīng)(avalanche effect)；要實現(xiàn)使散列結(jié)果中出現(xiàn) 1bit 的變化，則輸入中至少有一半以上的 bit 必須發(fā)生變化。其實質(zhì)是必須使輸入中每一個 bit 的信息，盡量均勻的反映到輸出的每一個 bit 上去；輸出中的每一個 bit，都是輸入中盡可能多 bit 的信息一起作用的結(jié)果。Damgard 和 Merkle 定義了所謂“壓縮函數(shù)(compression function)”，就是將一個固定長度輸入，變換成較短的固定長度的輸出，這對密碼學(xué)實踐上 Hash 函數(shù)的設(shè)計產(chǎn)生了很大的影響。Hash函數(shù)就是被設(shè)計為基于通過特定壓縮函數(shù)的不斷重復(fù)“壓縮”輸入的分組和前一次壓縮處理的結(jié)果的過程，直到整個消息都被壓縮完畢，最后的輸出作為整個消息的散列值。盡管還缺乏嚴格的證明，但絕大多數(shù)業(yè)界的研究者都同意，如果壓縮函數(shù)是安全的，那么以上述形式散列任意長度的消息也將是安全的。這就是所謂 Damgard/Merkle 結(jié)構(gòu)：在下圖中，任意長度的消息被分拆成符合壓縮函數(shù)輸入要求的分組，最后一個分組可能需要在末尾添上特定的填充字節(jié)，這些分組將被順序處理，除了第一個消息分組將與散列初始化值一起作為壓縮函數(shù)的輸入外，當前分組將和前一個分組的壓縮函數(shù)輸出一起被作為這一次壓縮的輸入，而其輸出又將被作為下一個分組壓縮函數(shù)輸入的一部分，直到最后一個壓縮函數(shù)的輸出，將被作為整個消息散列的結(jié)果。MD5 和 SHA1 可以說是目前應(yīng)用最廣泛的Hash算法，而它們都是以 MD4 為基礎(chǔ)設(shè)計的。MD4加密算法原理MD4(RFC 1320)是 MIT 的 Ronald L. Rivest 在 1990 年設(shè)計的，MD 是 Message Digest 的縮寫。它適用在32位字長的處理器上用高速軟件實現(xiàn)-它是基于 32 位操作數(shù)的位操作來實現(xiàn)的。它的安全性不像RSA那樣基于數(shù)學(xué)假設(shè)，盡管 Den Boer、Bosselaers 和 Dobbertin 很快就用分析和差分成功的攻擊了它3輪變換中的 2 輪，證明了它并不像期望的那樣安全，但它的整個算法并沒有真正被破解過，Rivest 也很快進行了改進。MD5加密算法原理MD5(RFC 1321)是 Rivest 于1991年對MD4的改進版本。它對輸入仍以512位分組，其輸出是4個32位字的級聯(lián)，與 MD4 相同。它較MD4所做的改進是：1) 加入了第四輪2) 每一步都有唯一的加法常數(shù)；3) 第二輪中的G函數(shù)從(X Y) (X Z) (Y Z) 變?yōu)?(X Z) (Y Z)以減小其對稱性；4) 每一步都加入了前一步的結(jié)果，以加快雪崩效應(yīng)；5) 改變了第2輪和第3輪中訪問輸入子分組的順序，減小了形式的相似程度；6) 近似優(yōu)化了每輪的循環(huán)左移位移量，以期加快雪崩效應(yīng)，各輪的循環(huán)左移都不同。盡管MD5比MD4來得復(fù)雜，并且速度較之要慢一點，但更安全，在抗分析和抗差分方面表現(xiàn)更好。消息首先被拆成若干個512位的分組，其中最后512位一個分組是“消息尾+填充字節(jié)(1000)+64 位消息長度”，以確保對于不同長度的消息，該分組不相同。64位消息長度的限制導(dǎo)致了MD5安全的輸入長度必須小于264bit，因為大于64位的長度信息將被忽略。而4個32位寄存器字初始化為A=0x01234567，B=0x89abcdef，C=0xfedcba98，D=0x76543210，它們將始終參與運算并形成最終的散列結(jié)果。接著各個512位消息分組以16個32位字的形式進入算法的主循環(huán)，512位消息分組的個數(shù)據(jù)決定了循環(huán)的次數(shù)。主循環(huán)有4輪，每輪分別用到了非線性函數(shù)F(X, Y, Z) = (X Y) (X Z)G(X, Y, Z) = (X Z) (Y Z)H(X, Y, Z) =X Y ZI(X, Y, Z) = X (Y Z)這4輪變換是對進入主循環(huán)的512位消息分組的16個32位字分別進行如下操作：將A、B、C、D的副本a、b、c、d中的3個經(jīng)F、G、H、I運算后的結(jié)果與第4個相加，再加上32位字和一個32位字的加法常數(shù)，并將所得之值循環(huán)左移若干位，最后將所得結(jié)果加上a、b、c、d之一，并回送至ABCD，由此完成一次循環(huán)。所用的加法常數(shù)由這樣一張表Ti來定義，其中i為164，Ti是i的正弦絕對值之4294967296次方的整數(shù)部分，這樣做是為了通過正弦函數(shù)和冪函數(shù)來進一步消除變換中的線性性。MD5加密算法的應(yīng)用Hash 算法也是現(xiàn)代密碼體系中的一個重要組成部分。由于非對稱算法的運算速度較慢，所以在數(shù)字簽名協(xié)議中，單向散列函數(shù)扮演了一個重要的角色。在這種簽名協(xié)議中，雙方必須事先協(xié)商好雙方都支持的Hash函數(shù)和簽名算法。簽名方先對該數(shù)據(jù)文件進行計算其散列值，然后再對很短的散列值結(jié)果-如Md5是16個字節(jié)，SHA1是20字節(jié)，用非對稱算法進行數(shù)字簽名操作。對方在驗證簽名時，也是先對該數(shù)據(jù)文件進行計算其散列值，然后再用非對稱算法驗證數(shù)字簽名。對 Hash 值，又稱數(shù)字摘要進行數(shù)字簽名，在統(tǒng)計上可以認為與對文件本身進行數(shù)字簽名是等效的。而且這樣的協(xié)議還有其他的優(yōu)點：首先，數(shù)據(jù)文件本身可以同它的散列值分開保存，簽名驗證也可以脫離數(shù)據(jù)文件本身的存在而進行。再者，有些情況下簽名密鑰可能與解密密鑰是同一個，也就是說，如果對一個數(shù)據(jù)文件簽名，與對其進行