开放接口的安全验证方案(AES+RSA)

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随着密码分析技术的提高，新的数据加密标准AES取代了过时的DES。文章在阐述AES/RSA加密算法的基础上，分别给出了利用AES/RSA实现客户端/服务器端网络数据传输的加密流程。最后在比较AES算法和RSA算法基础上，将AES与RSA相结合提出一种新的数据加密方案。

基本需求及概念

随着Internet网的广泛应用，信息安全问题日益突出，以数据加密技术为核心的信息安全技术也得到了极大的发展。目前的数据加密技术根据加密密钥类型可分私钥加密（对称加密）系统和公钥加密（非对称加密）系统[1]。对称加密算法是较传统的加密体制，通信双方在加/解密过程中使用他们共享的单一密钥，鉴于其算法简单和加密速度快的优点，目前仍然是主流的密码体制之一。最常用的对称密码算法是数据加密标准（DES）算法，但是由于DES密钥长度较短，已经不适合当今分布式开放网络对数据加密安全性的要求。最后，一种新的基于Rijndael算法对称高级数据加密标准AES取代了数据加密标准DES。非对称加密由于加/解密钥不同（公钥加密，私钥解密），密钥管理简单，也得到广泛应用。RSA是非对称加密系统最著名的公钥密码算法。

AES算法

基本原理及算法流程

美国国家标准和技术研究所（NIST）经过三轮候选算法筛选，从众多的分组密码中选中Rijndael算法作为高级加密标准（AES）。Rijndael密码是一个迭代型分组密码，分组长度和密码长度都是可变的，分组长度和密码长度可以独立的指定为128比特，192比特或者256比特。AES的加密算法的数据处理单位是字节，128位的比特信息被分成16个字节，按顺序复制到一个4*4的矩阵中，称为状态（state），AES的所有变换都是基于状态矩阵的变换。
用Nr表示对一个数据分组加密的轮数（加密轮数与密钥长度的关系如表1所示）。在轮函数的每一轮迭代中，包括四步变换，分别是字节代换运算(ByteSub())、行变换(ShiftRows())、列混合(MixColumns())以及轮密钥的添加变换AddRoundKey()[3]，其作用就是通过重复简单的非线形变换、混合函数变换，将字节代换运算产生的非线性扩散，达到充分的混合，在每轮迭代中引入不同的密钥，从而实现加密的有效性。
表1 是三种不同类型的AES加密密钥分组大小与相应的加密轮数的对照表。加密开始时，输入分组的各字节按表2 的方式装入矩阵state中。如输入ABCDEFGHIJKLMNOP，则输入块影射到如表2的状态矩阵中。
表1：

1 2 3 4

|AES类型| 密钥长度 | 分组长度 | 加密轮数| |AES-128| 4字 | 4字 | 10 | |AES-192| 6字 | 4字 | 12 | |AES-256| 8字 | 4字 | 14 |

表2：

1 2 3 4

| A | E | I | M | | B | F | J | N | | C | G | K | O | | D | H | L | P |

1. 字节代换运算(ByteSub())
   字节代换运算是一个可逆的非线形字节代换操作，对分组中的每个字节进行，对字节的操作遵循一个代换表，即S盒。S盒由有限域 GF（28）上的乘法取逆和GF（2）上的仿射变换两步组成。
2. 行变换ShiftRows()
   行变换是一种线性变换，其目的就是使密码信息达到充分的混乱，提高非线形度。行变换对状态的每行以字节为单位进行循环右移，移动字节数根据行数来确定，第0行不发生偏移，第一行循环右移一个字节，第二行移两个，依次类推。
3. 列混合变换MixColumns()
   列变换就是从状态中取出一列，表示成多项式的形式后，用它乘以一个固定的多项式a(x)，然后将所得结果进行取模运算，模值为 x4+1。其中a(x)={03}x3+{02}x2+{01}x+{02},
   这个多项式与x4+1互质，因此是可逆的。列混合变换的算术表达式为：s’(x)= a(x) s(x)，其中， s(x)表示状态的列多项式。
4. 轮密钥的添加变换AddRoundKey()
   在这个操作中，轮密钥被简单地异或到状态中，轮密钥根据密钥表获得，其长度等于数据块的长度Nb。

AES算法流程

对于发送方，它首先创建一个AES私钥，并用口令对这个私钥进行加密。然后把用口令加密后的AES密钥通过Internet发送到接收方。发送方解密这个私钥，并用此私钥加密明文得到密文，密文和加密后的AES密钥一起通过Internet发送到接收方。接收方收到后再用口令对加密密钥进行解密得到AES密钥，最后用解密后的密钥把收到的密文解密成明文。图1中是这个过程的实现流程。
图1：

RSA算法

基本原理及流程

RSA是在1977年发明RSA密码系统的三个人的名字的首字母的缩写，他们是：Ron Rivest、Adi Shamir和Leonard Adleman。它是第一个公钥加密算法，在很多密码协议中都有应用，如SSL和S/MIME。RSA算法是基于大质数的因数分解的公匙体系。简单的讲，就是两个很大的质数，一个作为公钥，另一个作为私钥，如用其中一个加密，则用另一个解密。密钥长度从40到2048位可变，密钥越长，加密效果越好，但加密解密的开销也大。RSA算法可简单描述如下：

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公开密钥：n=pq，（p，q为两个不同的很大的质数，p和q必须保密） 将(p-1)和(q-1)相乘得到φ(n) 选择一个整数e (1<e<φ(n))与φ(n)互质 秘密密钥：d=e-1modφ(n)，即计算一个数字d，使得它满足公式 de=1 modφ(n) 加密：c=mc(mod n) 解密：m=cd(mod n)，m为明文，c为密文。

RSA算法实现流程

首先，接收方创建RSA密匙对，即一个公钥和一个私钥，公钥被发送到发送方,私钥则被保存在接收方。发送方在接收到这个公钥后,用该公钥对明文进行加密得到密文，然后把密文通过网络传输给接收方。接收方在收到它们后，用RSA私钥对收到的密文进行解密，最后得到明文。图2是整个过程的实现流程。
图2：

AES与RSA相结合数据加密方案

RSA算法是公开密钥系统的代表，其安全性建立在具有大素数因子的合数，其因子分解困难这一法则之上的。Rijndael算法作为新一代的高级加密标准，运行时不需要计算机有非常高的处理能力和大的内存，操作可以很容易的抵御时间和空间的攻击，在不同的运行环境下始终能保持良好的性能。这使AES将安全，高效，性能，方便，灵活性集于一体，理应成为网络数据加密的首选。相比较，因为AES密钥的长度最长只有256比特，可以利用软件和硬件实现高速处理，而RSA算法需要进行大整数的乘幂和求模等多倍字长处理，处理速度明显慢于AES[5]；所以AES算法加解密处理效率明显高于RSA算法。在密钥管理方面，因为AES算法要求在通信前对密钥进行秘密分配，解密的私钥必须通过网络传送至加密数据接收方，而RSA采用公钥加密，私钥解密（或私钥加密，公钥解密），加解密过程中不必网络传输保密的密钥；所以RSA算法密钥管理要明显优于AES算法。
从上面比较得知，由于RSA加解密速度慢，不适合大量数据文件加密，因此在网络中完全用公开密码体制传输机密信息是没有必要，也是不太现实的。AES加密速度很快，但是在网络传输过程中如何安全管理AES密钥是保证AES加密安全的重要环节。这样在传送机密信息的双方，如果使用AES对称密码体制对传输数据加密，同时使用RSA不对称密码体制来传送AES的密钥，就可以综合发挥AES和RSA的优点同时避免它们缺点来实现一种新的数据加密方案。加解密实现流程如图(3)。
图3：

具体过程是先由接收方创建RSA密钥对，接收方通过Internet发送RSA公钥到发送方，同时保存RSA私钥。而发送方创建AES密钥，并用该AES密钥加密待传送的明文数据，同时用接受的RSA公钥加密AES密钥，最后把用RSA公钥加密后的AES密钥同密文一起通过Internet传输发送到接收方。当接收方收到这个被加密的AES密钥和密文后，首先调用接收方保存的RSA私钥，并用该私钥解密加密的AES密钥，得到AES密钥。最后用该AES密钥解密密文得到明文。

AES+RSA结合最佳实践

基本要求

1. 保证传输数据的安全性
2. 保证数据的完整性
3. 能够验证客户端的身份

基本流程

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请求： 1. 服务器端(server)和客户端(client)分别生成自己的密钥对 2. server和client分别交换自己的公钥 3. client生成AES密钥(aesKey) 4. client使用自己的RSA私钥(privateKey)对请求明文数据(params)进行数字签名 5. 将签名加入到请求参数中，然后转换为json格式 6. client使用aesKey对json数据进行加密得到密文(data) 7. client使用sever的RSA公钥对aesKey进行加密(encryptkey) 8. 分别将data和encryptkey作为参数传输给服务器端 服务器端进行请求响应时将上面流程反过来即可

java版示例

AES+RSA双重加密Java示例