【文章內容簡介】 為某種非線性變換則有可能增強置亂效果 , 再結合其它的現(xiàn)代密碼學的一些成熟的加密算法如 DES,RSA 等則可以增加算法的保密性 [6]。 （ 2）基于秘密分割與秘密共享的圖像加密技術 秘密分割就是把消息分割成許多碎片 , 每一個碎片本身并不代表什么 , 但把這些碎片放到一起消息就會重現(xiàn)出來。這種思想用于圖像數(shù)據(jù)的加密上就是在發(fā)送端先要把圖像數(shù)據(jù)按某種算法進行分割 , 并把分割后的圖像數(shù)據(jù)交給不同的人來保存 。 而在接收端需要保存秘密的人的共同參與才能恢復出原始待傳輸?shù)膱D像數(shù)據(jù)。 （ 3）基于現(xiàn)代密碼體制的圖像加密技術 這種加密技術就是把待傳輸?shù)膱D像看做明文 ,通過各種加密算法 ,如 DES,RSA 等 , 在密鑰的控制下 ,達到圖像數(shù)據(jù)的保密通信。這種加密機制的設計思想是加密算法可以公開 ,通信的保密性完全依賴于密鑰的保密性 (即滿足 Kerckhoffs 假設 )。其原理框圖如圖 25所示。 圖 25 密鑰控制下的保密通信框圖 其中 : 加密密鑰和解密密鑰可以相同也可以不同 , 并依此來劃分出兩種基本的密碼算法 ,即對稱算法和非對稱算法 (也叫公開密鑰算法。 基于密鑰的算法通常有以下兩類 : 1) 對稱算法 對稱算法，又叫傳統(tǒng)密碼算法 ,就是加密密鑰能夠從解密 密鑰中推算出來 ,反過來也成立。在大多數(shù)對稱算法中 ,加解密密鑰是相同的。這些算法也叫秘密密鑰算法或單鑰算法 , 它要求發(fā)送方和接受方在安全通信之前商定一個密鑰。對稱算法的安全性完全依賴于密鑰 , 泄露密鑰就意味著任何人都能對消息進行解密。只要通信需要保密 ,密鑰就必須保密。對稱算法又可分為兩類。一次只對明文中的單個位 (或字節(jié) )運算的算法稱為流密碼。另一類算法是對明文的一組位進行運算 ,加 密 密碼分析 解 密 明文 （原始圖像） 密文 （加密圖像） 原始明文 原始圖像 加密密鑰 解密密鑰 關鍵技術 10 叫分組密碼 ,如 IBM 的 DES算法。 2) 公開密鑰算法 即：用作加密的密鑰不同于用作解密的密鑰 ,并且解密密鑰不能根據(jù)加密密鑰計算出來。之所以叫做公開密鑰算法 ,是因為加密密鑰能夠公開 ,即任何人都能用加密密鑰加密信息 ,但只有用相應的解密密鑰才能解密信息。在這種體制中 ,加密密鑰叫做公開密鑰，簡稱公鑰。解密密鑰叫做私人密鑰，簡稱私鑰。利用公鑰密碼體制進行保密通信時 ,加密密鑰可以公開 ,只保密解密密鑰就能達到保密通信。解密密鑰和加密密鑰不同 ,從一個難以推出另一個 ,其設計規(guī)律都是把推算解密密鑰的問題等效為一個難以求解的數(shù)學問題。通信雙方無須事先交換密鑰就可建立起保密通信 ,它解決了通信雙方進行保密通信的密鑰分配問題。它不需要鋪設專門的安全傳輸線 路 ,也不需要專門信使在通信雙方傳遞密鑰 ,因而可以節(jié)約大量費用。在公鑰密碼體制中 , 最重要的有 RSA 體制、背包體制、 ElGamal 體制、 Robin 體制、橢圓曲線體制及多維 RSA體制等。它們的共同點都是基于陷門單向函數(shù)的概念 ,把問題歸結為某一數(shù)學難題的求解。其中背包體制在最初提出 5年中被認為是安全的 ,但此算法在 20 世紀 80 年代初就被 Shamir 完全破譯了。 算法實現(xiàn) 11 3 算法實現(xiàn) 采用的算法 近年來，隨著國際互聯(lián)網(wǎng)絡與多媒體技術的迅速發(fā)展，數(shù)字圖像己經(jīng)逐漸克服了往日因存儲量巨大而帶來的 種種問題，成為信息表達方式的主流，數(shù)字圖像信息的安全問題成為國際上研究的焦點問題。數(shù)字圖像具有信息量大、信息表達直觀的特點，它的安全保密顯然與以往在計算機上所面對的文本數(shù)據(jù)截然不同。數(shù)字圖像信息安全保密是結合數(shù)學、密碼學、信息論、計算機視覺以及其它計算機應用技術的多學科交叉的研究課題。數(shù)字圖像的加密技術是當代信息安全領域中比較活躍的一個研究方向。它結合了數(shù)學、密碼學、信息論、計算機視覺以及其它計算機應用技術的多門學科。隨著科技的發(fā)展，尤其是多媒體技術的發(fā)展，出現(xiàn)了更多的、新的圖像加密算法，而按照不同的分類標 準，圖像加密算法還可以作其他不同的分類。 通過閱讀一定量的資料了解到該課題目前在國內外的研究狀況和相應的發(fā)展趨勢。經(jīng)過反復的思考，本課題打算按以下思路著手設計，以求最終能以程序實現(xiàn)該課題。 即： DES 和 RSA 的混合加密算法，先隨機產(chǎn)生一個 DES 密鑰，用此密鑰加密圖像，得到擴展名為 . 的文件 1，然后采用 RSA 加密算法對隨機產(chǎn)生的 DES密鑰進行加密將得到的密文加到文件 1 的文件頭里面去。這樣如果想得到原文件就必須先破解文件頭，而文件頭是由 RSA 加密的，安全性比較高，想破解并不是件容易的事 ，同時又由于 DES 加密速度快，適用于大文件的加密，且安全性不高，而 RSA 加密速度慢，適用于小文件的加密，但安全性很高，兩者的結合即滿足了速度的要求，又滿足了安全性的要求。同時，為了滿足圖像鑒定的要求，特引進數(shù)字水印技術，即：采用一散列函數(shù)作用原圖像，以提取一報文摘要，然后將此報文摘要作為水印信息嵌入到原始圖像中，經(jīng)加密解密后，再在解密后的圖像中提取水印信息，然后判斷此水印信息和原報文摘要是否相同，若相同，說明原始圖像沒有被篡改過，否則說明原始圖像已被篡改。 算法實現(xiàn) 12 算法流程圖 圖 31 算法流程圖 報文摘要提取 MD5 算法是由 Rivest(RSA 中的 R)于 1991 年提出的 Hash 算法。今天已成為最廣泛使用的 Hash 算法。 MD5 算法并非是 Rivest 提出的首個 Hash 算法， 1990年 Rivest 就已提出了一個 Hash 算法 MD4，并被接受為標準， MD5 算法是 MD4 算法的改進。 MD5 和 MD4 算法都是將消息劃分成 512 位的消息塊進行處理，最終形成 128 位的信息摘要。 實現(xiàn) MD5算法主要經(jīng)過以下五個步驟： (1) 補位 補位的目標 是使輸入的消息長度，從任意值變成一個新的長度 n，使得n=448(mod512)，即通過補位使消息長度差 64位成為 512 的整數(shù)倍，即使原消息的長度正好滿足要求，也需要進行補位。補位的補丁包括一個 1，剩下的全是 0，在原消息之后。特別地，如果原消息的長度正好滿足要求，則補位包括一個 1和512個 0。 原始圖像 DES 密鑰 數(shù)據(jù)流 摘要 摘要水印 加密圖像 摘要水印 解密后圖像 摘要水印 摘要 RSA加密此密鑰 對此，看是否一致？以達到圖像認證的目的！ 解密 文件頭 加密圖像 摘要水印 提取水印 DES 加密 MD5算法 作為水印信息 算法實現(xiàn) 13 (2) 追加長度 在追加長度前，通過補位，消息長度已經(jīng)變成模 512 余 448，接下來的追加長度將在消息后繼續(xù)補充 64 位的信息，新消息將是 512的整數(shù)倍。追加長度的信息由 64 位表示，被追加到已補的信息后，如果原消息 長度超過 64 位，只使用低64位。追加的長度是原消息的長度，而不是補位后的信息長度。 (3）緩沖區(qū)初始化 為了計算 Hash 函數(shù)的結果，需首先設置 128 位的緩沖區(qū)。緩沖區(qū)除接受 Hash函數(shù)最終結果外，還記錄中間結果。 在圖 32中，將緩沖區(qū)分成 4等份，即 4個 32 位寄存器（ A， B， C， D），每個 32 位寄存器也被稱為字。 圖 32 緩沖區(qū) nn+1 示意圖 圖 33 四輪算法 賦初值： A: 0x01234567 B: 0x89abcdef C: 0xfedcba98 D: 0x76543210 ABCD 構成 buffer0。 （ 4）消息迭代 從 buffer0 開始，進行算法的主循環(huán)，循環(huán)的次數(shù)是消息中 512 位消息分組A B C D A B C D + + + + SCLS SCLS M[k] T[i] 第一輪 第二輪 第三輪 第四輪 + + + + A 512 位位 B C D Buffer n Block n 128 位位 128 位位 Buffer n+1 算法實現(xiàn) 14 的數(shù)目，將上面四個變量復制到另外的變量中： A到 a,B 到 b， C到 c， D到 d。主循環(huán)有四輪，每輪很相似， 每一輪進行 16 次操作，每次操作對 a,b,c 和 d 中的其中三個作一次線性函數(shù)運算，然后將所得的結果加上第四個變量，文本的一個子分組和一個常數(shù)，再將所得的結果向右環(huán)移一個不定的數(shù)，并加上或中之一，最后用該結果取代 a,b,c 或 d中之一。主循環(huán)的運算過程見圖 34。 圖 34 MD5主循環(huán) 在四輪運算中 ,有四種函數(shù)，分別為 F(X,Y,Z),G(X,Y,Z),H(X,Y,Z)和I(X,Y,Z)： F(X,Y,Z)=(X and Y) or (not (X) and Z) G(X,Y,Z)=(X and Z) or (Y and not (Z)) H(X,Y,Z)=X xor Y xor Z I(X,Y,Z)=Y xor (X or not(Z)) 這些函數(shù)是這樣設計的：如果 X， Y 和 Z 的對應位是獨立和均勻的，那么結果的每一位也應是獨立和均勻的。函數(shù) F 是按逐位方式操作：如果 X，那么 Y，否則 Z。函數(shù) H是 逐位奇偶操作符。 設 Mj 表示消息的第 j個子分組（從 0 到 15）， s 表示循環(huán)左移 s 位，則四種操作為： FF(a,b,c,d,Mj,s,ti)表示 a=b+((a+(F(b,c,d)+ Mj + ti)s) GG(a,b,c,d,Mj,s,ti)表示 a=b+((a+(G(b,c,d)+ Mj + ti)s) HH(a,b,c,d,Mj,s,ti)表示 a=b+((a+(H(b,c,d)+ Mj + ti)s) II(a,b,c,d,Mj,s,ti)表示 a=b+((a+(I(b,c,d)+ Mj + ti)s) 這四輪（ 64步）是： 第 1 輪： FF (a, b, c, d, M[ 0], 11, 0xd76aa478)。 第一輪 第二輪 第三輪 第四輪 消息分組 A B C D D C B A 算法實現(xiàn) 15 FF (d, a, b, c, M[ 1], 12, 0xe8c7b756)。 FF (c, d, a, b, M[ 2], 13, 0x242070db)。 FF (b, c, d, a, M[ 3], 14, 0xc1bdceee)。 FF (a, b, c, d, M[ 4], 11, 0xf57c0faf)。 FF (d, a, b, c, M[ 5], 12, 0x4787c62a)。 FF (c, d, a, b, M[ 6], 13, 0xa8304613)。 FF (b, c, d, a, M[ 7], 14, 0xfd469501)。 FF (a, b, c, d, M[ 8], 11, 0x698098d8)。 FF (d, a, b, c, M[ 9], 12, 0x8b44f7af)。 FF (c, d, a, b, M[10], 13, 0xffff5bb1)。 FF (b, c, d, a, M[11], 14, 0x895cd7be)。 FF (a, b, c, d, M[12], 11, 0x6b901122)。 FF (d, a, b, c, M[13], 12, 0xfd987193)。 FF (c, d, a, b, M[14], 13, 0xa679438e)。 FF (b, c, d, a, M[15], 14, 0x49b40821)。 第 2 輪： GG (a, b, c, d, M[ 1], 21, 0xf61e2562)。 GG (d, a, b, c, M[ 6], 22, 0xc040b340)。 GG (c, d, a, b, M[11], 23, 0x265e5a51)。 GG (b, c, d, a, M[ 0], 24, 0xe9b6c7aa)。 GG (a, b, c, d, M[ 5], 21, 0xd62f105d)。 GG (d, a, b, c, M[10], 22, 0x2441453)。 GG (c, d, a, b, M[15], 23, 0xd8a1e681)。 GG (b, c, d, a, M[ 4], 24, 0xe7d3