数据加密技术与安全电子交易浅析

作者：华南理工大学 朱卫华

欢迎访问e展厅 展厅 5 网络/安全/存储产品展厅 无线上网卡, 光纤设备, 网络布线产品, 计算机干扰器, 网关, ... 一、引言 随着当今计算机网络的飞速发展，计算机安全已经成为社会各界关注的焦点。本文讨论了数据加密的两种分类，并选取两种典型的方法加以讲述。然后在此基础上讨论电子商务的一些安全技术和SET协议。 二、数据加密 设计一种密度强的密码算法有两种方法，一是研究用于密码分析的所有可能性解法，然后设计一套规则以挫败这些解法中的任何一种算法，于是便能构造一种能够抗拒这些解法的算法，二是构造这样的一些算法，使得要破解它就必须解一些问题，而这些问题被认为是不可解的。本文将要介绍的DES算法属于第一种，而RSA则属于第二种。 加密技术按照密钥的公开与否可以分为两种体系，第一是对称密钥体系，这里加密密钥匙和解密密钥是相同的。为了安全性，密钥要定期的改变。对称算法速度快，所以在处理大量数据的时候被广泛使用，其关键是保证密钥的安全。典型的算法有DES及其各种变形(如Triple DES)，IDEA，RC4、RC5以及古典密码（如代换密码和转轮密码）等。在众多的对称密码中影响最大的是DES密码。第二是公开密钥体系，分别存在一个公钥和私钥，公钥公开，私钥保密。公钥和私钥具有一一对应的关系，用公钥加密的数据只有用私钥才能解开，其效率低于对称密钥体系，典型的算法有RSA、背包密码，Elliptic Curve、ElGamal算法等等。最有影响的公钥加密算法是RSA，足够位数的RSA能够抵抗到目前为止已知的所有密码攻击。下面选取两体系中各最具有代表性最有影响的算法DES和RSA进行讨论。 1.RSA算法 RSA算取自于它的创始人的名字:Rivest，Shamir，Adelman，该算法于1978年最早提出，至今仍没有发现严重的安全漏洞。RSA基于数学难题，即具有大素数因子的合数分解，以最新的计算方法也还是计算上不可行的。数论经验表明，这个问题是难解的。 RSA使用两个密钥，一个是公钥(public key，以下用PK表示)，一个是私钥(private key，以下用SK表示) 加密时把明文分成块，块的大小可变，但不超过密钥的长度。RSA把明文块转化为与密钥长度相同的密文。其算法如下: 首先选择两个秘密的相异质数p，q，计算n=pq，取r是与(p-1)(q-1)互质的数，这里r便是SK。接着找一数m，使得rm==1mod(p-1)(q-1)，根据欧几里得算法(a=bn+c,则a与b的gcd就等于b与c的gcd)，这样的m一定可以找到。这里m和n便是公钥PK。在编码时，假设资料为A，将其分成等长数据N块， 每块为a < n。计算b==a^m mod(pq)，则b就是编码后的资料。至于解码，取c==b^r mod(pq)。则c=a。黑客攻击时他想得到r，这样他就必须对n进行因式分解，选择足够大的质数p，q便能阻止他分解因式。 对于p，q的选择，一般来说是足够大的素数，对于大，并没有一个确定的界限，因为随着计算机技术的发展，破解能力正在逐步增强(根据摩尔定理计算能力18个月就翻一番)。一般来说，安全等级高的，则密钥选取大的，安全等级低些，则选取相对小些的数。RSA的安全性依赖于大数分解，然而值得注意的是，是否等同于大数分解一直未得到理论上的证明，并没有证明要破解RSA就一定得进行大数分解。 2．DES DES采用传统的换位和置换的方法进行加密，在56比特密钥的控制下，将64比特明文块变换为64比特密文块，加密过程包括16轮的加密迭代，每轮都采用一种乘积密码方式（代替和移位）。首先是处理原密钥，产生16个48位子密钥K（i），i=1,2…16，接着处理64位数据块，过程可以用下图表示: 其中置换和g 函数的选择都按特定的规则进行，g函数操作是先将R（I）扩充成48位后与K(I+1)异或运算，接着将所得的48位数分成8个6位数，记为B[I]，I=1,2…8，选取8个S密箱，将B[I]的第一位和第六位串联成一个数记位m，取出B[I]的第二至五位串联成一个四位数记位n，用S密箱中的第n行第m列的数替换B[I]，替换完全部的B[I]后，将B[1]至B[8]串联成一个32位数，再经过换位，至此g函数操作全部结束。将所得结果与L[I]异或后，得到R[I+1]。进行下一轮的加密，直到用完K（16），再经过逆初始置换，全部加密过程结束。而脱密时只需要将密钥顺序倒过来，即第一轮用K（16），第二轮用K(15)，以次类推。 于是DES加密算法又可以简单地用下式表示： Ek(m) = N(IP)*T16*T15……T1*IP(m) 其中IP为初始置换，N( X)是X的逆，Ti，i = 1，2，…16是一系列的变换。Ek(m)表示明文m在密钥k的作用下产生的密文 解密算法: N(Ek) = N(IP)*T1*T2……T16*IP[Ek(m)] 在应用时一般是将DES和RSA综合起来使用。DES加密效率高，但是要解决密钥的存储问题，因为只要传输就难以保证密钥不被泄露。这时可以采用如下策略：假如A要向B发送密文(DES)和密钥SK，可以用B公布的公开密钥对Sk进行RSA加密，将其结果和密文一起发送给B，B接受数据首先用自己的私钥对SK进行解密，得到A的密钥SK。再用SK解密密文。这样就解决了密钥的传输问题。因为没有人知道B的私钥，也就没有办法获得SK。 三、安全电子交易 电子商务的关键是要保证商业活动的安全性，象传统方法一样安全可靠。而数据加密技术则构成了电子商务安全的基础，可以说，没有数据加密技术，就没有电子商务的安全。电子商务主要有下面一些安全控制要求：第一，确定贸易伙伴身份的真实性；第二，确保信息的保密性，如怎样保证用户的信用卡号不被窃取，如何保证货源定单等信息不被竞争对手获悉；第三，保证电子定单等信息的真实性（未被冒充）以及在传输过程中未被篡改；第四，保证电子定单等信息的不可否认性，即交易的任何一方在未经对方同意的情况下都不能出尔反尔；第五，在交易双方发生纠纷时能得到合理的仲裁和解决。 由VISA和MASTCARD所开发SET（Secure Electronic Transaction）协议便能满足以上的要求，它是在开放的网络环境中卡支付安全协议，获得了诸如microsoft，IBM等许多大公司的支持。 1．SET协议中交易的参与方 SET支付系统的参与放主要方有: 持卡人，即消费者，他们通过web浏览器或客户端软件购物； 商家，提供在线商店或商品光盘给消费者； 发卡人，它是一金融机构，为持卡人开帐户，并且发放支付卡； 受款银行，它为商家建立帐户，并且处理支付卡的认证和支付事宜 支付网关，是由受款银行或指定的第三方操纵的设备，它处理商家的支付信息，同时也包括来自消费者的支付指令 　 SET支付系统还涉及到认证机构（CA），但是它不参与SET的支付流程，它给各参与方颁发证书，各参与方可以通过查看对方的证书，来确定对方是否准确而不是冒充的。要建立安全的电子商务系统，首先必须有一个健全可信的CA。 2．SET所采用的安全措施 SET采用的安全措施，几乎全部以数据加密技术为基础，可以说没有加密技术，就没有安全电子交易。SET协议把对称密钥体制和公开密钥体制完美的结合了起来，充分利用了DES效率高速度快，RSA安全性高，密钥管理简便的优点。下面以数据加密技术为基础，讨论SET所采用的安全措施。 A.数字签名 数字签名采用RSA算法，数据发送方采用自己的私钥加密数据，接受方用发送方的公钥解密，由于私钥和公钥之间的严格对应性，使用其中一个只能用另一个来解，保证了发送方不能抵赖发送过数据，完全模拟了现在生活中的签名。 B.数字信封 发送方将消息用DES加密，并将DES对称密钥用接受方的公钥加密，称为消息的“数字信封”，将数字信封与DES加密后的消息一起发给接受方。接受者收到消息后，先用其密钥打开数字信封，得到发送方的DES对称密钥，再用此对称密钥去解开数据。只有用接受方的RSA密钥才能够打开此数字信封，确保了接受者的身份。 C.双重签名 数字签名在SET协议中一个重要的应用就是双重签名。在交易中持卡人发往银行的支付指令是通过商家转发的，为了避免在交易的过程中商家窃取持卡人的信用卡信息，以及避免银行跟踪持卡人的行为，侵犯消费者隐私，但同时又不能影响商家和银行对持卡人所发信息的合理的验证，只有当商家同意持卡人的购买请求后，才会让银行给商家负费，SET协议采用双重签名来解决这一问题。 假设持卡人C(customer)从商家M(mechant)购买商品，他不希望商家看到他的信用卡信息，也不希望银行B(bank)看到他有关商品的信息，于是他采用双重签名，流程如图并说明如下： 首先C产生发往M的订购信息OI和发往B的支付指令PI，并分别产生OI，PI的摘要H(OI)，H(PI)。其中摘要由一个单向HASH函数作用于消息产生，它是一个唯一对应此消息的值，其它任何消息用HASH函数作用都不能产生此值，因此用消息摘要可以检查消息在中途是否被篡改。连接H(OI)和H(PI)得到OP，再生成OP的摘要H(OP)，用C的RSA私钥签名H(OP)，得sign[H(OP)]，称为双重签名。C将消息{OI，H(PI)，sign[H(OP)]}发给M，将{PI，H(OI)，sign[H(OP)]}发给B。在验证双重签名时，接受者分别创建消息摘要，M生成H(OI)，B生成H(PI)，再分别将H(OI)/H(PI)与另一接受到的摘要H(PI)/H(OI)连接，生成OP及其摘要H(OP)’，接受者M/B用C的RSA公钥解开sign[H(OP)]，得到H(OP)，比较H(OP)’与H(OP)是否相同，如果相同，则表示数据完整且未被篡改，如果不同，则丢弃数据。 3．SET交易流程 持卡人向商家发初始请求，商家产生初始应答。 持卡人浏览商家的商品，这可以通过使用网上商店或者商家提供的CD-ROM来实现。选好商品后要求在线支付，激发支付软件，向商家发送初始请求。初始请求指定了交易环境，包括持卡人所使用的语言，交易ID，使用的是何种交易卡等。商家接受初始请求，产生初始应答，对初始应答生成消息摘要，对此消息摘要进行数字签名，将商家证书，网关证书，初始应答， 消息摘要的数字签名等，发送给持卡人。由于初始应答未被加密，所以它不应包含机密信息。 持卡人接受并检查商家的初始应答，如无误，发出购物请求。 持卡人接受初始应答，检查商家证书和网关证书。接着用商家公钥解开消息摘要的数字签名，用HASH算法产生初始应答的摘要，将两者比较，如果相同则表示数据在途中未被篡改，否则丢弃。 持卡人发出购物请求，它包含了真正的交易行为。购物请求是协议中最复杂的信息，它包括两个部分：发网商家的定单指令OI和通过商家转发往网关的支付指令PI，通过双重签名将PI和OI结合起来（双重签名见上文说明），生成 sign[H（OP）]。持卡人生成对称密钥，对支付指令PI加密，再用网关的公钥对此对称密钥和持卡人帐号加密，形成数字信封。最后将持卡人证书，OI，PI密文，数字信封，sign[H（OP）]，PI和OI各自的消息摘要等发给商家，其中有消息是通过商家转发给支付网关的。 商家接受并检查持卡人的购物请求，如无误，发出支付请求。 商家接受持卡人的购物请求，认证持卡人的证书。接着验证双重签名，看数据在传输过程中是否被篡改。如数据完整，则处理定单信息，产生支付请求。 将支付请求用HASH算法生成摘要，并签名，网关收到后用商家公钥解密，并确认支付请求是此商家所发在且在途中未被篡改。生成对称密钥对支付请求加密，并用网关公钥加密形成数字信封。最后将商家证书，支付请求密文，商家数字签名，数字信封和持卡人通过商家转发的：sign[H（OP）]，OI摘要，PI密文，持卡人数字信封，持卡人证书等发往支付网关。 支付网关接受并检查支付请求，如无误，发扣款请求。 支付网关分别检查确认商家发来的数据和持卡人发来的数据。网关首先认证商家证书，然后用私钥打开商家数字信封，获取商家对称密钥，解开支付请求密文。用HASH算法作用于支付请求，形成摘要，与商家发来的支付请求摘要（解开数字签名所得）相比较，如果相同则表示数据完整，否则丢弃数据。 网关检查持卡人证书，然后用私钥打开持卡人数字信封，得到他的帐号和对称密钥。用此对称密钥解开PI密文，得到PI，接着验证双重签名，生成PI的摘要，与OI摘要相连接，再次生成摘要，其结果与H（OP）(解双重签名所得)相比较，如果相同则数据完整，如果不同则丢弃。网关将信息发送往银行。 银行向网关发送扣款应答，网关向商家发送支付应答。 在支付网关和银行之间是通过金融专用网向连，其间的业务，SET并不作规定。 网关在接受银行的扣款应答后，生成支付应答，同样产生摘要，对其进行数字签名，生成对称密钥，对支付应答加密，并且将对称密钥装入数字信封。将网关证书，数字签名，数字信封，支付应答密文一起发往商家。 商家接受并检查网关的支付应答，如无误，向持卡人发送购物应答。 　 商家认证网关的证书，用私钥打开数字信封，得到网关对称密钥，用此密钥解开支付应答，产生摘要。用网关公钥解开其数字签名，得到支付原始支付应答摘要，并与新产生的摘要比较，如果相同，则数据完整，如果不同则丢弃。 商家产生购物应答，对购物应答生成摘要，并签名，将商家证书，购物应答，数字签名一起发往持卡人。如果交易成功，则发货。 持卡人接受购物应答，验证商家证书。对购去应答产生摘要，用商家公钥解开数字签名，得到原始摘要，将之与新产生的摘要比较，相同则表示数据完整，不同则丢弃。至此，交易流程结束。 以上简要地讨论了SET协议的主要的交易流程及其中的数据流向的问题。若要深刻的了解出错处理以及各种消息的格式，可以参照参考数目[3]。 四．结束语 本文了讨论了数据加密技术，介绍了当今使用最为广泛的DES和RSA算法。DES效率高，但是密钥保存难，RSA安全性高，但是效率低，在实际应用中经常把两者结合起来使用。保证安全性是电子商务的核心环节，SET协议充分地予以考虑，并在交易流程中充分地体现了这一点。它使用的主要技术有，数字签名，数字信封，双重签名等，而这些无不以数据加密技术为基础。 　 参考资料 ： 卢起骏等译，计算机网络保密系统设计与实现指南，科学技术文献出版社重庆分社，1987 SET Secure Electronic Transaction Specification ：Business Description, May,31,1997 SET Secure Electronic Transaction Specification ：Programmer’s Guide, May,31,1997 金海连等，网上交易流程，市场与电脑，1999年3月(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (4/24/2005)