【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 為某種非線性變換則有可能增強(qiáng)置亂效果 , 再結(jié)合其它的現(xiàn)代密碼學(xué)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(shù) 秘密分割就是把消息分割成許多碎片 , 每一個(gè)碎片本身并不代表什么 , 但把這些碎片放到一起消息就會(huì)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(jìn)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(fù)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(shù) 這種加密技術(shù)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(dá)到圖像數(shù)據(jù)的保密通信。這種加密機(jī)制的設(shè)計(jì)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(shè) )。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(duì)稱算法和非對(duì)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(duì)稱算法 對(duì)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(duì)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(gè)密鑰。對(duì)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(duì)消息進(jìn)行解密。只要通信需要保密 ,密鑰就必須保密。對(duì)稱算法又可分為兩類。一次只對(duì)明文中的單個(gè)位 (或字節(jié) )運(yùn)算的算法稱為流密碼。另一類算法是對(duì)明文的一組位進(jìn)行運(yùn)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(guān)鍵技術(shù) 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(jì)算出來。之所以叫做公開密鑰算法 ,是因?yàn)榧用苊荑€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(yīng)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(jiǎn)稱公鑰。解密密鑰叫做私人密鑰，簡(jiǎn)稱私鑰。利用公鑰密碼體制進(jìn)行保密通信時(shí) ,加密密鑰可以公開 ,只保密解密密鑰就能達(dá)到保密通信。解密密鑰和加密密鑰不同 ,從一個(gè)難以推出另一個(gè) ,其設(shè)計(jì)規(guī)律都是把推算解密密鑰的問題等效為一個(gè)難以求解的數(shù)學(xué)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(jìn)行保密通信的密鑰分配問題。它不需要鋪設(shè)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(fèi)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(diǎn)都是基于陷門單向函數(shù)的概念 ,把問題歸結(jié)為某一數(shù)學(xué)難題的求解。其中背包體制在最初提出 5年中被認(rèn)為是安全的 ,但此算法在 20 世紀(jì) 80 年代初就被 Shamir 完全破譯了。 算法實(shí)現(xiàn) 11 3 算法實(shí)現(xiàn) 采用的算法 近年來，隨著國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)與多媒體技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字圖像己經(jīng)逐漸克服了往日因存儲(chǔ)量巨大而帶來的 種種問題，成為信息表達(dá)方式的主流，數(shù)字圖像信息的安全問題成為國(guó)際上研究的焦點(diǎn)問題。數(shù)字圖像具有信息量大、信息表達(dá)直觀的特點(diǎn)，它的安全保密顯然與以往在計(jì)算機(jī)上所面對(duì)的文本數(shù)據(jù)截然不同。數(shù)字圖像信息安全保密是結(jié)合數(shù)學(xué)、密碼學(xué)、信息論、計(jì)算機(jī)視覺以及其它計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的多學(xué)科交叉的研究課題。數(shù)字圖像的加密技術(shù)是當(dāng)代信息安全領(lǐng)域中比較活躍的一個(gè)研究方向。它結(jié)合了數(shù)學(xué)、密碼學(xué)、信息論、計(jì)算機(jī)視覺以及其它計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的多門學(xué)科。隨著科技的發(fā)展，尤其是多媒體技術(shù)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(biāo) 準(zhǔn)，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(guó)內(nèi)外的研究狀況和相應(yīng)的發(fā)展趨勢(shì)。經(jīng)過反復(fù)的思考，本課題打算按以下思路著手設(shè)計(jì)，以求最終能以程序?qū)崿F(xiàn)該課題。 即： DES 和 RSA 的混合加密算法，先隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè) DES 密鑰，用此密鑰加密圖像，得到擴(kuò)展名為 . 的文件 1，然后采用 RSA 加密算法對(duì)隨機(jī)產(chǎn)生的 DES密鑰進(jìn)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(shí)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(jié)合即滿足了速度的要求，又滿足了安全性的要求。同時(shí)，為了滿足圖像鑒定的要求，特引進(jìn)數(shù)字水印技術(shù)，即：采用一散列函數(shù)作用原圖像，以提取一報(bào)文摘要，然后將此報(bào)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(bào)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(shí)現(xiàn) 12 算法流程圖 圖 31 算法流程圖 報(bào)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(gè) Hash 算法， 1990年 Rivest 就已提出了一個(gè) Hash 算法 MD4，并被接受為標(biāo)準(zhǔn)， MD5 算法是 MD4 算法的改進(jìn)。 MD5 和 MD4 算法都是將消息劃分成 512 位的消息塊進(jìn)行處理，最終形成 128 位的信息摘要。 實(shí)現(xiàn) MD5算法主要經(jīng)過以下五個(gè)步驟： (1) 補(bǔ)位 補(bǔ)位的目標(biāo) 是使輸入的消息長(zhǎng)度，從任意值變成一個(gè)新的長(zhǎng)度 n，使得n=448(mod512)，即通過補(bǔ)位使消息長(zhǎng)度差 64位成為 512 的整數(shù)倍，即使原消息的長(zhǎng)度正好滿足要求，也需要進(jìn)行補(bǔ)位。補(bǔ)位的補(bǔ)丁包括一個(gè) 1，剩下的全是 0，在原消息之后。特別地，如果原消息的長(zhǎng)度正好滿足要求，則補(bǔ)位包括一個(gè) 1和512個(gè) 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(duì)此，看是否一致？以達(dá)到圖像認(rèn)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(shí)現(xiàn) 13 (2) 追加長(zhǎng)度 在追加長(zhǎng)度前，通過補(bǔ)位，消息長(zhǎng)度已經(jīng)變成模 512 余 448，接下來的追加長(zhǎng)度將在消息后繼續(xù)補(bǔ)充 64 位的信息，新消息將是 512的整數(shù)倍。追加長(zhǎng)度的信息由 64 位表示，被追加到已補(bǔ)的信息后，如果原消息 長(zhǎng)度超過 64 位，只使用低64位。追加的長(zhǎng)度是原消息的長(zhǎng)度，而不是補(bǔ)位后的信息長(zhǎng)度。 (3）緩沖區(qū)初始化 為了計(jì)算 Hash 函數(shù)的結(jié)果，需首先設(shè)置 128 位的緩沖區(qū)。緩沖區(qū)除接受 Hash函數(shù)最終結(jié)果外，還記錄中間結(jié)果。 在圖 32中，將緩沖區(qū)分成 4等份，即 4個(gè) 32 位寄存器（ A， B， C， D），每個(gè) 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(gòu)成 buffer0。 （ 4）消息迭代 從 buffer0 開始，進(jìn)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(shí)現(xiàn) 14 的數(shù)目，將上面四個(gè)變量復(fù)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(jìn)行 16 次操作，每次操作對(duì) a,b,c 和 d 中的其中三個(gè)作一次線性函數(shù)運(yùn)算，然后將所得的結(jié)果加上第四個(gè)變量，文本的一個(gè)子分組和一個(gè)常數(shù)，再將所得的結(jié)果向右環(huán)移一個(gè)不定的數(shù)，并加上或中之一，最后用該結(jié)果取代 a,b,c 或 d中之一。主循環(huán)的運(yùn)算過程見圖 34。 圖 34 MD5主循環(huán) 在四輪運(yùn)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(shè)計(jì)的：如果 X， Y 和 Z 的對(duì)應(yīng)位是獨(dú)立和均勻的，那么結(jié)果的每一位也應(yīng)是獨(dú)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(shè) Mj 表示消息的第 j個(gè)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(shí)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