基于文本的文件加密系统

基于文本的文件加密系统 摘 要 RSA密码算法体制，它是一种公开密钥算法。其加密密钥和算法本身都可以公开，解密密钥则归用户私人拥有。RSA就因为安全强度高、使用方便等卓越性能受到关注，并得到广泛应用。目前，许多密码系统中都嵌有RSA密码算法。 本文提出了文件加密解密技术对系统安全的重要性，并且介绍了RSA算法体制在本文中的应用。 本文论述了加密解密技术的当前现状及发展趋势，文章从多角度分析密码学的重要性，并引出本课题RSA算法的意义，介绍了RSA对文本文件加密的设计思想及JSP技术在本系统中的应用。更加详细分析了RSA算法的体制结构，密码学中的基本概念，数学在RSA加密解密过程中的应用，举例分析了RSA算法的加密解密原理。接着将结合图形界面介绍本系统的加密解密操作过程及使用方法，集中介绍了开发本系统过程中用到的主要关键技术，并且介绍了系统的实施部署，总结了系统当前存在的问题以及解决。 关键词 密码学，RSA，加密，解密，文本文件 Abstract Abstract RSA cipher system, it is a public key algorithm. Its encryption keys and algorithms themselves can be open, decryption key to the user is privately owned. RSA Security because of high strength, ease of use, such as superior performance by the attention and is widely used. At present, many password systems are embedded RSA cipher. In this paper, document encryption and decryption technology on the importance of system security, and on the RSA algorithm in the system of this paper. This article discusses the encryption and decryption technology of the current status quo and development trend, the article from the perspective of cryptography and more the importance of this issue and raises the significance of RSA algorithm, on the RSA encryption to the text of the document design and JSP technology in this system Applications. A more detailed analysis of the RSA algorithm institutional structures, cryptography in the basic concepts of mathematics in the RSA encryption and decryption process of the application, for example analysis of the RSA algorithm for encryption and decryption of principle. Then, with a graphical interface on the system of encryption and decryption operations and the use of methods, focus on the development of the system used in the course of the key technologies, and on the implementation of the deployment of the system, summed up the current system the problems and solutions . Key words cryptography, RSA, encryption and decryption, a text file 目 录 目 录 摘 要 .......................................................................................................................................... I Abstract .......................................................................................................................................... II 第1章 前 言 ........................................................................................................................... 2 1.1 国内外现状及发展趋势 .................................................................................................. 2 1.2 本课题的意义 .................................................................................................................. 3 1.3 设计思想及相关技术介绍 .............................................................................................. 4 1.3.1 文本文件加密设计思想 ....................................................................................... 4 1.3.2 JAVA及JSP技术简介.......................................................................................... 4 第2章 RSA算法分析 .................................................................................................................. 5 2.1 密码学中的基本概念 ...................................................................................................... 6 2.1.1 明文(plaintext) ................................................................................................. 5 2.1.2 两种基于密钥的算法体制 ................................................................................... 6 2.2 数学在RSA加密解密过程中的应用分析 .................................................................... 7 2.3 RSA算法原理及工作过程 .............................................................................................. 8 2.4 RSA算法分析 .................................................................................................................. 9 2.5 RSA算法安全性要求 .................................................................................................... 10 2.6 RSA公钥密码体制的作用 ............................................................................................ 11 第3章 系统设计 ......................................................................................................................... 13 3.1 系统总体结构设计 ........................................................................................................ 13 3.2 RSA算法体制 ................................................................................................................ 14 3.3 RSA加密算法设计 ........................................................................................................ 15 3.4 RSA解密算法设计 ........................................................................................................ 15 第4章 系统功能实现 ................................................................................................................. 16 4.1主界面产生 ..................................................................................................................... 17 4.2 RSA密钥生成方法 ........................................................................................................ 17 4.3 加密过程 ........................................................................................................................ 20 4.4 解密过程 ........................................................................................................................ 18 第5章 系统的关键技术 ............................................................................................................. 24 5.1 密钥生成的方法 ............................................................................................................ 26 目 录 5.2 加密方法 ........................................................................................................................ 28 5.3 解密方法 ........................................................................................................................ 30 5.4 系统测试 ........................................................................................................................ 31 5.5 系统维护 ........................................................................................................................ 32 结 论 ....................................................................................................................................... 33 参考文献 ....................................................................................................................................... 34 第,章 前 言 第1章 前 言 1.1 国内外现状及发展趋势 随着计算机网络的技术和电子商务的迅速发展，信息安全已经成为当今社会普遍关注的焦点，各种新闻媒体上不时有某国政府重要网站被攻击、软件出现安全漏洞或者黑客发现操作系统安全漏洞等新闻报道。密码技术已经成为衡量一个国家信息技术发展水平的重要标志，其发展的程度将直接影响国家的安全。 近30年来，计算机技术及相关学科、理论的发展，使人们在利用法律保护的同时，能够利用计算机本身在技术上开展安全及保密的研究并逐步加以实现。计算机安全及信息保密的研究具体包括信息加密的算法、体制、协议及相关技术、操作系统的安全、数据库安全、计算机网络安全及计算机病毒的防治等几方面问题的研究。因此保密技术是未来的发展方向。 现代密码技术的跨时代突破，是威特菲尔德?迪菲(Whitfield Diffie)和马丁?海尔曼(Martin Hellman)有关公开密钥加密系统的构想，这是在1976年发的。但威特菲尔德?迪菲和马丁?海尔曼提供的MH背包算法于1984年被破译，因而失去了实际意义。真正有生命力的公开密钥加密系统算法是由隆?里维斯特(Ronald L. Rivest)、阿迪?沙米尔(Adi Shamir)和雷奥纳德?阿德尔曼(Leonard M.Adlemen)在威特菲尔德?迪菲和马丁?海尔曼的的启发下，在1977年发明的，这就是沿用至今的RSA算法。它是第一个既能用于数据加密也能用于数字签名的算法。 由于与计算机技术的结合，密码学的理论研究与实际应用得到了飞速的发展，随之产生了很多新的分支理论，如微粒照片，数字图片水印技术和其他很多隐藏被传递和存储的信息的方法。其中，最常见的就是利用计算机将明文和密码变成密文和将密码和密文变成明文。 随着计算机联网的逐步实现，计算机信息的保密问题显得越来越重要。数据保密变换，或密码技术是对计算机信息进行保护的最实用和最可靠的方法。密码技术以非常简单却具有革命性的数学思想为基础诸如字母表中的字母这样的数据能够作为数字进行处理。例如，根据在字母表中的顺序，使用从 1到26的数字来替换每个字母，并且这些数字能够进行数学计算。数学计算的目的是把信息弄乱，变成毫无意义，使截获该信息的对手无法弄清楚。然而，信息的合法接受方知道如何撤销这些数学计算，从而恢复原始信息。 第,章 前 言 密码技术的未来趋势可以看出尽管非对称密码体制比对称密码体制更为可靠，但由于计算过于复杂，对称密码体制在进行大信息量通信时，加密速率仅为对称体制的1/100，甚至是1/1000。正是由于不同体制的加密算法各有所长，所以在今后相当长的一段时期内，各类加密体制将会共同发展。而在由IBM等公司于1996 年联合推出的用于(电子商务的协议标准SET SecureElectronicTransac2)中和1992 年由多国联合开发的PGP技术中，均采用了包含单钥密码、双钥密码、单向杂凑算法和随机数生成算法在内的混合密码系统的动向来看，这似乎从一个侧面展示了今后密码技术应用的未来。在单钥密码领域，一次一密被认为是最为可靠的机制，但是由于流密码体制中的密钥流生成器在算法上未能突破有限循环，故一直未被广泛应用。如果找到一个在算法上接近无限循环的密钥流生成器，该体制将会有一个质的飞跃。近年来，混沌学理论的研究给在这一方向产生突破带来了曙光。此外，充满生气的量子密码被认为是一个潜在的发展方向，因为它是基于光学和量子力学理论的。该理论对于在光纤通信中加强信息安全、对付拥有量子计算能力的破译无疑是一种理想的解决方法。由于电子商务等民用系统的应用需求，认证加密算法也将有较大发展。此外，在传统密码体制中，还将会产生类似于IDEA这样的新成员，新成员的一个主要特征就是在算法上有创新和突破，而不仅仅是对传统算法进行修正或改进。密码学是一个正在不断发展的年轻学科，任何未被认识的加密解密机制都有可能在其中占有一席之地。 1.2 本课题的意义 文本文件为家用电脑及公司电脑中最为常见的一种文件形式，也是最常用的一种文件类型，文本文件如果不对其进行加密操作，则对大家来说是没有任何秘密可言的，只要能进入电脑系统就可以肆无忌待的查看所有文本文件，这样对大家的隐私及公司资料造成了极大的威胁，所以本文将利用RSA加密算法设计一个针对于文本文件的加密解密程序。 目前，各企业都拥有自己的品牌或各自的业务范围，都利用信息化手段进行高效管理。随着计算机、互联网的广泛应用，信息的交流和共享已经成为各企业自身发展必要的手段。企业内部竞争性情报信息也就自然成为广受关注、为企业所青睐的重要活动，成为企业进行无形资产管理的重要部分。如何保护企业自身重要情报不被竞争对手窃取，使企业在使用网络来提高工作效率的同时避免企业重要的知识产权遭受侵害，将是文件加密管理的一个重要课题，也是本课题研究的意义所在。本课题的旨意在于设计一加密系统，对文件进行加密，达到最终的信息保密的目的。 第,章 前 言 1.3 设计思想及相关技术介绍 1.3.1 文本文件加密设计思想 文本文件加密解密系统采用RSA算法体制进行设计，程序采用JAVA和JSP技术进行开发，为了使本系统更具有扩展性和通用性，系统采用RSA非对称密码技术，非对称型加密非常适合多个客户端和服务器之间的秘密通讯，客户端使用同一个公钥将明文加密，而这个公钥不能逆向的解密，密文发送到服务器后有服务器端用私钥解密，这样就做到了明文的加密传送。非对称型加密也有它先天的缺点，加密、解密速度慢制约了它的发挥，如果有大量的文字需要加密传送，通过非对称型加密来把对称型“密钥”分发到客户端，及时更新对称型“密钥”。 1.3.2 JAVA及JSP技术简介 JSP(JavaServerPages)是由SunMicrosystems公司倡导、多家公司参与建立的一种动态网页技术标准。它是以成熟的、强大的、易扩充的Java语言为脚本的。Java语言其设计目的是使构造基于Web的应用程序更加容易和快捷。由于JSP实现了Web动态内容与显示的分离，脱离了硬件平台的束缚，并且编译后大大提高了运行速度。因此，JSP正逐渐成为因特网上的主流开发工具。JSP的主要优点在于: (1)将内容的生成和显示进行分离; (2)跨平台的可重用性; (3)JSP标签具有扩充性。 当今社会，信息技术飞速发展，人们越来越依靠现代网络技术来实现各种价值，自己的个人网站，组建企业的门户网站，进行网上营销、交流和宣传。JSP 技术是企业应用编程中的一部分，它基于强大的Java 语言具有良好的伸缩性，与Java Enterprise API紧密地集成在一起，在开发电子商务方面具有得天独厚的优势，基于Java 平台构建电子商务平台已经成为当今IT 领域新时尚。为了提高电子商务系统的适用性，避免企业信息化建设的重复投资，电子商务系统往往要求跨平台可用。这里所说的跨平台是个宽泛的概念，它不仅包括跨不同硬件和跨不同操作系统，而且还包括了跨不同产商的数据库和跨不同的底层开发平台等。目前实现这一目标的首选应是当前流行的Java技术，但由一般Java所实现的Applet或Application还不能完全满足电子商务的要求，因此企业级的Java技术——JSP、Sevelet、JavaBeans、EJB、JTC和JDBC等技术就应运而生了。在目前众多的电子 第,章 前 言 商务解决方案中，集成了上述关键技术，由SUN公司推出的J2EE框架便是其中优秀的代表。 文本文件加密解密系统采用JSP技术主要考虑到JSP技术的几个主要特点: (1)一次编写，处处运行 JSP技术是完全与平台无关的设计，包含它的动态网页与底层的服务组件设计。可以在任何平台下编写JSP网页并且在任何支持JSP的系统上执行。也可建立自己的组件，并在JSP中使用。目前主要是JavaBeans和Java Servlet，而它们都是跨平台的。 (2)加强组件能力 JSP技术以Java的组件模型JavaBeans加强了组件的使用能力。这不但省去了开发时间，而且还可以将网页页面设计和商业逻辑分开，有助于快速开发和简单维护。 (3)JSP高度整和了Java企业平台部分。可以利用Java的企业级API开发企业的各种需求系统，而使用JSP作为这些技术的前端。当需要升级应用程序时，只需升级组件与动态页面部分，而这些都存在于服务器上，所以修改服务器上的资源，所有客户端的显示都会跟着改变。 (4)更容易建立动态页面 JSP是标准HTML语法混合自身语法标记，如此简单，不需要有使用Java、C++等程序设计语言的能力与经验。可以这么说，它的出现正是要实现简单容易开发页面的需要，否则它与Java Servlet相比没有任何存在的理由。 第2章 RSA算法分析 最早、最著名的保密密钥或对称密钥加密算法DES(Data Encryption Standard)是由IBM公司在70年代发展起来的，并经政府的加密标准筛选后，于1976年11月被美国政府采用，DES随后被美国国家标准局和美国国家标准协会(American National Standard Institute，ANSI)承认。DES使用56位密钥对64位的数据块进行加密，并对64位的数据块进行16轮编码。与每轮编码时，一个48位的"每轮"密钥值由56位的完整密钥得出来。DES用软件进行解码需用很长时间，而用硬件解码速度非常快。幸运的是，当时大多数黑客并没有足够的设备制造出这种硬件设备。在1977年，人们估计要耗资两千万美元才能 第,章 RSA算法分析 建成一个专门计算机用于DES的解密，而且需要12个小时的破解才能得到结果。当时 DES被认为是一种十分强大的加密方法。 另一种非常著名的加密算法就是RSA了，RSA(Rivest-Shamir-Adleman)算法是基于大数不可能被质因数分解假设的公钥体系。简单地说就是找两个很大的质数。一个对外公开的为“公钥”(Public key)，另一个不告诉任何人，称为“私钥”(Private key)。这两个密钥是互补的，也就是说用公钥加密的密文可以用私钥解密，反过来也一样。 2.1 密码学中的基本概念 2.1.1 明文(plaintext) 明文(plaintext):也可以说是消息(message)，它可能是位序列、文本文件、位图、数字化的语音序列或数字化的视频图像等。明文可以被传送或者存储，明文均指待加密信息。明文用m或者p表示，本文中的明文均用m表示。 密文(ciphertext):就是加密后的消息。密文用c表示，有时和m一样大，有时稍大(除非通过压缩和加密的结合，否则仅有加密，c通常不可能比m小)，本文中的密文均用c表示。 密码算法(algorithm):使用于加密和解密的数学函数，通常有两个相关函数，一个函数为加密，另一个为解密。 加密(encryption):用某种方法伪装信息以隐藏它的内容的过程。加密函数E()作用于明文m得到密文c，用数学公式表示为 c=E(m) 解密(decryption):把密文转变为明文的过程。解密函数D()作用于密文c产生明文m，用数学公式表示为 m=D(c) 密钥(key):包括加密密钥Kc和解密密钥Kd，各是一组数据串。当密钥Kc和解密密钥Kd相同时，用K统一表示密钥。加密密钥Kc确定某一加密算法E()，对明文加密，得到密文c;解密时，必须通过有解密密钥Kd确定的解密算法D()，结合解密密钥Kd 第,章 RSA算法分析 才可以解密密文c，得到明文m。有了密钥K的概念，一个密码体制的安全就由基于算法的安全性转为基于密钥的安全性，意味着算法可以公开——这是现代密码体制的基本要求。 一个密码系统(Cryptosystem)由算法以及所有可能的明文m、密文c和密钥k组成。 2.1.2 两种基于密钥的算法体制 1、对称算法体制 在对称算法体制中，对信息的加密和解密都使用相同的密钥，也就是说一把钥匙开一把锁。这种加密方法可简化加密处理过程，信息交换双方都不必彼此研究和交换专用的加密算法。如果在交换阶段私有密钥未曾泄露，那么机密性和报文完整性就可以得以保证。对称加密技术也存在一些不足，如果交换一方有N个交换对象，那么他就要维护N个私有密钥，对称加密存在的另一个问题是双方共享一把私有密钥，交换双方的任何信息都是通过这把密钥加密后传送给对方的。对称算法的加密和解密可以表示为: c=EK(m) m=DK(c) 对称算法又可以分为两类，一次只对明文的单个位(有时是字节)运算的称为序列密码(stream cipher)，一次对明文的一组位(称为一组，block)进行运算的则称为分组密码(block cipher)。 2、非对称算法体制 非对称算法，习惯称为公开密钥算法(public-key algorithm)。在这种密码系统中，密钥被分解为一对(即公开密钥和私有密钥)。这对密钥中任何一把都可以作为公开密钥(加密密钥Kc)通过非保密方式向他人公开，而另一把作为私有密钥(解密密钥Kd)加以保存。公开密钥用于加密，私有密钥用于解密，私有密钥只能有生成密钥的交换方掌握，公开密钥可广泛公布，但它只对应于生成密钥的交换方。非对称加密方式可以使通信双方无须事先交换密钥就可以建立安全通信，广泛应用于身份认证、数字签名等信息交换领域。非对称加密体系一般是建立在某些已知的数学难题之上，是计算机复杂性理论发展的必然结果。最具有代表性是RSA公钥密码体制。RSA算法是Rivest、Shamir和Adleman于1977年提出的第一个完善的公钥密码体制，能够被应用在加密和数字签名中，其安全性是基于分解大整数的困难性。 第,章 RSA算法分析 设公开密钥密码系统中两用户A和B，有A的公钥确定的加密算法为EA()，私钥确定得解密算法为DA();同理定义EB()和DB()。A、B的公钥和加密算法都是公开的。 加解密过程如下所述:如果A向B传送信息m，A首先查得B的公钥，得到加密算法EB()，然后加密信息m，得到密文c，如下式公式所示: c=EB(m) 接收端，只有用户B用自己的私钥才可以解密c，得到明文m，如下式公式所示: m=DB(c) 这样，一个加解密过程结束。 若A向B传送信息m，B想确认收到的信息是否为A发送的，则A必须附上自己的签名。签名验证过程如下:首先，A用自己的私钥对信息m加密，得到密文C，并附上1自己签名。然后用B的公钥对这两部分加密，得到密文c，如下式所示: C=EA(m) 1 c=EB((“A”，C)) 1 将c传送给B。接收端，B用自己的私钥对密文c解密，得到A的签名及A的私钥加密后的密文c1。最后，用A的公钥解密c1，即得到明文m，同时也可以证明该信息是A发出的，如下式所示: (“A”，C),DB(c) 1 m=EA(C) 1 2.2 数学在RSA加密解密过程中的应用分析 加密解密算法是一个很复杂的数学运算过程，下面介绍一下RSA算法中所能用到的数学知识。 1、单向函数 【严格单向函数】 一个单射函数f:X?Y称为严格单向函数，如果下述条件成立: (1) 存在一个有效的方法，对所有x?X，计算y=f(x)是容易的，y?Y; (2) 方程y=f(x)在X中有解，但有y=f(x)计算x是困难的。 【陷门单向函数】一个单射函数f:X?Y称为陷门单向函数，如果下述条件成立: (1)存在一个有效的方法，对所有x?X，计算y=f(x)是容易的，y?Y; (2)方程y=f(x)在X中有解。同时存在额外的秘密信息，即陷门。当陷门未知时， 有y=f(x)计算x是困难的;当陷门已知时，有y=f(x)计算x是容易的。 第,章 RSA算法分析 2、欧拉定理及相关概念 RSA的理论基础是数论中的欧拉定理。 定理1(欧拉定理)若整数a，m互素，即gcd(a，m)=1，aΦ(m),1(mod m)。 其中Ф(m)是比m小但与m互素的正整数个数。特别当p为素数时，对任意的a有 ap?a(mod p)。 定理 2 若m?1，gcd(a，m)=1，则存在c使得ca,1(mod m)。把c称为是a的模m 的逆，记作a–1(mod m)或a–1。 定理 3 若a,(b mod m1)， a,(b mod m2)，…， a,(b mod mk)，则a,b( mod (m1 m2... mk))。 定理 4(中国剩余定理)设m1，m2，...，mk是两两互素的正整数，则x,bi(mod mi) (i=1，2，…，k)模(m1 m2... mk)有唯一解。 2.3 RSA算法原理及工作过程 一般地，可将RSA密码算法分成三个主要函数，即大素数的产生、密钥对的产生和 RSA消息处理。 (1)大素数的产生 即产生两个大素数p、q，大素数的产生是RSA算法体制中一个重要算法，也是非常重要的基础。 (2)密钥对的产生 就是加密指数e和解密指数d的产生，二者满足 ed,1 (mod Ф(n)) 其中，ed表示两个指数之积 密钥对的产生是RSA的关键，只有合适的密钥对，才能保证RSA的安全。 (3)消息处理 这是RSA的核心，消息处理包括加密、解密、签名和验证四种，但实质上它们是相通的，处理过程也类似。这里以对信息m的加解密为例，处理过程描述如下。 将m划分成若干个数据块m， m材料

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