摘 要 首先介紹電子郵件的傳輸過(guò)程，引出安全電子郵件的重要性，然后介紹電子郵件安全協(xié)議PGP，涉及到的IDEA、RSA、MD5加密算法以及其安全性分析。

關(guān)鍵詞 電子郵件；PGP；加密算法；安全性

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）08-0140-02

電子郵件的方便、快速、費(fèi)用低廉等優(yōu)點(diǎn)，再加上它不但能傳送文字信息，還可以附上圖像、聲音等功能，這使得電子郵件越來(lái)越受人們的歡迎。

1 電子郵件的傳輸過(guò)程

電子郵件通過(guò)SMTP和POP協(xié)議來(lái)進(jìn)行發(fā)送和接受，但由于互聯(lián)網(wǎng)的開(kāi)放性，郵件內(nèi)容是以明文的形式在互聯(lián)網(wǎng)上進(jìn)行傳遞。這使得人們?cè)谑褂秒娮余]件時(shí)不得不考慮其安全因素，因此如何保證電子郵件的機(jī)密性、完整性、真實(shí)性和不可抵賴(lài)性等方面的問(wèn)題顯得尤為重要。

2 PGP介紹

為了使電子郵件在互聯(lián)網(wǎng)上能夠安全運(yùn)行，開(kāi)發(fā)出了一些安全電子郵件標(biāo)準(zhǔn)：PGP和S/MIME。其中PGP被廣泛運(yùn)用。

PGP（Pretty Good Privacy）是美國(guó)人Phil Zimmermann研究出來(lái)的，它是由多種加密算法（IDEA、RSA、MD5、隨機(jī)數(shù)生成算法）組合而成，不但能夠?qū)崿F(xiàn)郵件的保密功能，還可以對(duì)郵件進(jìn)行數(shù)字簽名，使收信人能夠準(zhǔn)確判斷郵件在傳遞過(guò)程中是否被非法篡改。

3 PGP工作原理

3.1 IDEA算法

IDEA屬于對(duì)稱(chēng)加密算法，即加密密鑰和解密密鑰相同，具體的算法規(guī)則是，將輸入數(shù)據(jù)以每64為一塊，對(duì)每塊進(jìn)行分組，分為4組，每組16位，作為第一輪的輸入，進(jìn)行相乘、相加、異或等運(yùn)行后，形成4個(gè)子分組，將中間兩間進(jìn)行交換，作為下一輪的輸入，經(jīng)過(guò)8輪運(yùn)算后，同樣得到4個(gè)子分組，再將這4組重新連接到一起形成密文共64位。

3.2 RSA算法

RSA屬于非對(duì)稱(chēng)加密算法，也稱(chēng)公鑰算法，即加密密鑰和解密密鑰不同，并且加密密鑰可以完全公開(kāi)，但由于沒(méi)有解密密鑰，即使非法者竊取到了密文和發(fā)送者的加密密鑰也無(wú)法查看內(nèi)容，解決了對(duì)稱(chēng)加密中對(duì)密鑰管理困難的問(wèn)題，RSA的安全性取決于對(duì)大數(shù)的因式分解，這是數(shù)學(xué)上的一個(gè)難題。

RSA算法描述：

1）隨意選擇兩個(gè)大的質(zhì)數(shù)p和q，p不等于q，q和p保密；

2）計(jì)算n=pq；

3）歐拉函數(shù)，φ（n） = （p-1）（q-1），n公開(kāi)，φ（n）保密；

4）選擇一個(gè)小于φ（n）的正整數(shù)e，滿(mǎn)足gcd（e，φ（n））=1，e是公開(kāi)的加密密鑰；

5）計(jì)算d，滿(mǎn)足de≡1（modφ（n））， d是保密的解密密鑰；

6）加密變換：對(duì)明文m∈Zn，密文為C=me mod n；

7）解密變換：對(duì)密文C∈Zn，明文為m=Cd mod n；

由于RSA涉及的運(yùn)算非常復(fù)雜，所以在運(yùn)算速度上很慢，因而RSA算法只適合于對(duì)少量數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，如數(shù)字簽名，一般情況下，如果要對(duì)大量信息進(jìn)行加密，還是采用對(duì)稱(chēng)加密算法，因?yàn)閷?duì)稱(chēng)加密速度比公鑰加密速度快得多。

3.3 MD5算法

MD5屬于Hash函數(shù)，可以將任意長(zhǎng)度的輸入壓縮到固定長(zhǎng)度的輸出，具有多對(duì)一的單向特性?？梢杂糜跀?shù)字簽名、完整性檢測(cè)等方面。

4 PGP提供的業(yè)務(wù)

PGP提供的業(yè)務(wù)包括：認(rèn)證、加密、壓縮、與電子郵件兼容、基數(shù)-64變換。

4.1 認(rèn)證

認(rèn)證的步驟是：①發(fā)信人創(chuàng)建信息M；②發(fā)信人使用MD5算法產(chǎn)生128位的消息摘要H；③發(fā)信人用自己的私鑰，采用RSA算法對(duì)H進(jìn)行加密ER，M‖ER連接后進(jìn)行壓縮得到Z；④將Z通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送出去；⑤接收者收到信息后首先進(jìn)行解壓Z-1，使用發(fā)信人的公開(kāi)密鑰采用RSA算法進(jìn)行解密得出H，用接收到的M計(jì)算消息摘要H，將得出的兩個(gè)H進(jìn)行比較，如果相同則接收，否則表示被篡改，拒絕。

4.2 加密

加密的步驟：發(fā)信人對(duì)信息M進(jìn)行壓縮，采用IDEA算法對(duì)其進(jìn)行加密，用接收者的公鑰對(duì)密鑰進(jìn)行加密，與M進(jìn)行連接后發(fā)出，接收者采用RSA算法進(jìn)行解密得到會(huì)話(huà)密鑰，將會(huì)話(huà)密鑰按IDEA算法進(jìn)行解密，并解壓縮，并到原文。

在加密過(guò)程中，由于信息相對(duì)內(nèi)容較多，因此對(duì)信息的加密采用的是對(duì)稱(chēng)加密算法IDEA來(lái)實(shí)現(xiàn)，而密鑰采用的是安全強(qiáng)度為高的非對(duì)稱(chēng)加密算法RSA實(shí)現(xiàn)，通過(guò)IDEA和RSA結(jié)合，不但提高了郵件傳輸?shù)陌踩?，而且在加解密時(shí)間上也縮短了。

4.3 壓縮

PGP采用ZIP算法壓縮信息，這不但節(jié)省了存儲(chǔ)空間，而且在傳輸過(guò)程中也節(jié)省了時(shí)間，另外，在對(duì)信息進(jìn)行加密之前壓縮，也相當(dāng)于進(jìn)行了一次變換，使其安全性增強(qiáng)。

4.4 與電子郵件兼容

由于電子郵件只允許使用ASCⅡ字符串，而PGP的輸出卻是8位串，為了與電子郵件進(jìn)行兼容，PGP采用基數(shù)-64變換實(shí)現(xiàn)將輸出的8位串轉(zhuǎn)換為可以打印的ASCII字符串。

4.5 PGP消息分段和重組

電子郵件中對(duì)消息內(nèi)容的長(zhǎng)度有限制的，當(dāng)大于所限制的長(zhǎng)度時(shí)要進(jìn)行分段，分段是在所有處理結(jié)束之后才進(jìn)行，所以會(huì)話(huà)密鑰和簽名在第一個(gè)段開(kāi)始位置出現(xiàn)。在接收端，PGP將重新組合成原來(lái)的信息。

5 PGP安全性分析

由于PGP是一種混合密碼體系，它的安全性在于IDEA、RSA、MD5算法的安全性分析。

5.1 IDEA的安全性

在PGP中采用IDEA的64位CFB模式，很多研究者對(duì)IDEA的弱點(diǎn)進(jìn)行了分析，但也沒(méi)有找到破譯的方法，由此可見(jiàn)，IDEA算法也是比較安全的，它的攻擊方法只有“直接攻擊”或者是“密鑰窮舉”攻擊。endprint

5.2 RSA的安全性

RSA算法是非對(duì)稱(chēng)密碼體制，它的安全性基于大整數(shù)的素分解的難解性，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的研究至今也未找到一個(gè)有效的解決方案，在數(shù)學(xué)上就是一個(gè)難題，因此，RSA公鑰密碼體制就建立在對(duì)大數(shù)的因式分解這個(gè)數(shù)學(xué)難題上。

假設(shè)密碼分析者能夠通過(guò)n分解因子得到p和q，那么他很容易就可以求出歐拉函數(shù)φ（n）和解密密鑰d，從而破譯RSA，因此，破譯RSA比對(duì)n進(jìn)行因式分解難度更大。

假設(shè)密碼分析者能夠不對(duì)n進(jìn)行因子分解就求出歐拉函數(shù)φ（n），那么他可以根據(jù)de≡1（modφ（n）），得到解密密鑰d，從而破譯RSA，因?yàn)閜+q=n-φ（n）+1，p-q=sqr（p+q）^2-4n，所以知道φ（n）和n就可以容易地求得p和q，從而成功地分解n，所以不對(duì)n進(jìn)行因子分解而直接計(jì)算φ（n）比對(duì)n進(jìn)行因子分解難度更大。

假如密碼分析者能夠即不對(duì)n進(jìn)行因子分解也不需要求φ（n）而是直接求得解密密鑰d，那么他就可以計(jì)算ed-1，其中ed-1是歐拉函數(shù)φ（n）的倍數(shù)，因?yàn)槔忙眨╪）的倍數(shù)可以容易的分解出n的因子。所以，直接計(jì)算解密密鑰d比對(duì)n進(jìn)行因式分解更難。

雖然n越大其安全性越高，但由于涉及到復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，會(huì)影響到運(yùn)行速度，那么我們實(shí)際運(yùn)用中，如果來(lái)決定n的大小使其既安全其速度又不能太慢，目前n的長(zhǎng)度為1024位至2048位比較合理。

研究人員建議，在運(yùn)用RSA算法時(shí)，除了指定n的長(zhǎng)度外，還應(yīng)對(duì)p和q進(jìn)行限制：①p和q的大小應(yīng)該相差不多；②p-1和q-1都應(yīng)該包含大的素因子；③gcd（p-1，q-1）應(yīng)該很小。

5.3 MD5的安全性

MD5是在MD4的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，在PGP中被用來(lái)單向變換用戶(hù)口令和對(duì)信息簽名的單向散列算法。它的安全性體現(xiàn)在能將任意輸入長(zhǎng)度的消息轉(zhuǎn)化為固定長(zhǎng)度的輸出。目前對(duì)單向散列的直接攻擊包括普通直接攻擊和“生日攻擊”。

在密碼學(xué)中，有這么一句話(huà)：永遠(yuǎn)不要低估密碼分析者的能力。這也將是密碼設(shè)計(jì)者與密碼分析者的較量，事實(shí)上絕對(duì)不可破譯的密碼體制在理論上是不存在的，因此，在實(shí)際應(yīng)用中，一個(gè)密碼體制在使用一段時(shí)間后，會(huì)換一些新的參數(shù)，或者是更換一種新的密碼體制，當(dāng)然，密鑰也是要經(jīng)常換的。由此可見(jiàn)，PGP軟件雖然給我們的電子郵件帶來(lái)了安全性保障，但它也不是永恒的，也許在不久的將來(lái)，由于它的弱點(diǎn)被攻擊而被新的安全電子郵件產(chǎn)品所代替。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介

鐘澤秀，講師，碩士，計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)專(zhuān)業(yè)。endprint