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并行计算在网络安全中的应用

2015-06-04 09:38:52  字体:   打印 收藏 

摘 要:摘 要 :研究并行计算技术在网络安全中的应用。信息技术的发展与应用促进了网络安全的不断延伸。在信息安全技术中,安全的密码算法是最重要的。本文主要讨论并行计算技术如何有效的提高ELGamal公钥密码的加解密速度。 关键词: 关键词: 并行计算 网络安全

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  摘 要:研究并行计算技术在网络安全中的应用。信息技术的发展与应用促进了网络安全的不断延伸。在信息安全技术中,“安全的密码算法”是最重要的。本文主要讨论并行计算技术如何有效的提高ELGamal公钥密码的加解密速度。

  关键词:

  关键词:并行计算 网络安全 密码算法 ELGamal公钥密码

  传统的网络安全主要是针对网络中数据的保密性,但现在安全的概念已经不仅仅局限于此,它包括可用性、完整性、可控性和不可否认性,以及攻击、防范、控制等多个方面。网络安全是一个综合,交叉的学科领域,它要综合利用数学、通信和计算机诸多学科的长期知识积累和最新发展成果。如何利用密码学破解信息安全问题,最近几年备受关注。

  1 什么是密码算法

  密码算法是用来加密和解密的数学函数,它是密码协议的基础。 主要包括分组密码、序列密码、散列函数等,公钥密码。在计算机系统中,数据是用二进制来表示的,当然发送的信息P则一定是二进制。可被传送或存储的是明文,待加密的消息用M表示。C表示密文也是二进制数据,一般而言它大于等于待加密的消息M。E表示加密函数,M、C之间的关系可表示为:

  E(M)=C.

  D是解密函数作用于C产生M ,是解密的逆过程

  D(C)=M.

  要恢复原始的明文消息,需要先加密后再解密消息,下面的等式必须成立:

  D(E(M))=M

  2 ELGamal公钥密码体制

  ELGamal公钥密码是目前网络上进行保密通信和数字签名有效的算法,是目前比较好的密码体制。该算法既可数据加密也可数字签名。ELGamal公钥密码体制的加解密描述如下:

  密钥对的产生。首先选一个素数p,两个随机数, g 和x,(g< p, x < p), 计算 y = gx ( mod p )。则

  公钥:y, g 和p

  私钥:x,g和p

  ElGamal用于数字签名。被签信息为M,首先选择一个随机数k, k与 p - 1互质,计算

  a = gk ( mod p )

  再用扩展 Euclidean 算法对下面方程求解b:

  M = xa + kb ( mod p - 1 )

  签名就是( a, b )。随机数k须丢弃。

  验证时要验证下式:

  ya * ab ( mod p ) = gM ( mod p )

  必须满足1<= a < p.否则签名容易伪造。

  ElGamal用于加密。M为被加密信息,首先随机选择一个数k,k与 p - 1互质,计算

  C1 = gk ( mod p )

  C2 = yk M ( mod p )

  (C1, C2 )为密文,是明文的两倍长。解密时计算

  M = C2 / C1x ( mod p )

  3 并行计算

  并行计算是相对于串行计算来说的,并行计算分为空间和时间上的并行。空间上的并行是指用多个处理器同时执行计算,时间上的并行则是指流水线作业技术,

  并行计算虽分成空间和时间上的并行,但主要研究的是空间上的并行,而且产生了两类并行机。按照Flynn的说法分为:单指令多数据流(SIMD);多指令多数据流(MIMD)。并行计算能够在同一时间内处理多指令、多任务或多数据项。

  如何在短时间内完成这些计算,并行计算机及并行计算技术因此而受到人们的青睐。 它具有以下几个方面的优点:

  能够节省时间和成本:要使同一任务能提前完成需要调用更多的资源,从而节约了成本。更重要的时在构建并行族群时可使用便宜的或者是即将淘汰的CPU。

  能够解决大规模的问题:用单个计算机来解决许多庞大而复杂的问题是不切实际或不可能的,尤其是计算机的内存受到限制的时候。

  能够支持并行:多个计算资源能够同时做多件事情而单一计算机资源同一时刻只能做一件事情。

  4 并行计算技术在加解密过程中应用

  在网络安全中,密码处于基础地位,都希望能在密码的计算过程中加快速度,缩短时间。但目前所用的密码算法加解密的速度都不够快,远远不能满足许多领域的要求,即使是DES,当今最快的分组密码,其加解密的速度也一样不够快。使用并行计算进行加解密可以在密码学中成倍的提高速度,针对ElGamal公钥密码体制在其加密时需要计算的密文对是并行的,相互独立的,所以能用并行技术计算加密时的密文对。

  以ElGamal公钥密码体制为例,采用MPI编程,MPI是一个消息传递接口的标准,用于开发基于消息传递的并行程序,目的是为用户提供一个实际可用的、可移植的、高效的、灵活的消息传递接口。

  在用并行技术进行加解密时应先搭建Miracl(Multiprecision Interger and Rational Arithmetic C/C++ Library)实验平台,它是由Shamus Software Ltd所开发的用于设计与大数相关的密码学加密体制的大数运算函数库,。它运算速度快,提供源码,是当前使用较为广泛的基于公钥密码体制保护失效的大数库之一。

  通过观察ELGamal公钥体制自身特性可以发现,ELGamal公钥密码体制在加密时需要计算一个密文对。即需计算C1,C2。他们之间是相互独立的块,所以能并行执行。并行算法具体设计如下:

  (1)生成随机数g,x;

  (2

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