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电力调度数据网中DES算法分析与抗蛙跳网络部署
作者：郭为斌 浏览量：53
0 引言
随着电力调度数据网的应用与推广，电力调度数据网运行安全性受到日益重视，电力调度数据网通过III区实现与互联网相连，解决网络攻击成为电力调度数据网安全防护的重中之重。
1 DES算法
DES同时使用了代换和置换两种技巧，它用56位密钥加密64位明文，最后输出64位密文。整个过程分为两大部分（见图1）：加密过程，子密钥产生过程。
图1 DES加密算法简图
1.1初始置换( IP)
初始置换是数据加密的第1步，将64位的明文按照图2置换（置换表中的数字表示输入位在输出中的位置）。
图2 初始置换
置换后将数据M分成两部分：左半部分L0和右半部分R0，各32位。划分原则是偶数位移到左半部，奇数位移到右半部。
1.2 DES每轮结构
DES每轮结构如图3所示。上一轮的右边Ri-1直接变换为下一轮的左边Li，上一轮的左边Li-1与加密函数F异或后作为下一轮的右边Ri，加密函数F则是上一轮右边Ri-1和子密钥Ki的函数。即：
Li = Ri–1
Ri = Li–1 ⊕ F(Ri–1, Ki)
图3 DES每一轮结构
加密函数F 本质上是Ri-1和子密钥Ki的异或，如图4所示，但由于它们的位数不一样，不能直接运算。从上式可以看出加密函数F是32位，而Ri-1是32位，子密钥Ki是48位，因此Ri-1和Ki不能直接异或。DES处理这个问题的方式：先用扩展置换E(如图5所示)将Ri-1扩展为48位，与48位子密钥异或，输出48位；再使用8个S盒压缩成32位，然后经置换函数P(如图6所示)输出32位的加密函数F。
图4 加密函数F的计算过程
图5扩展置换E
图6置换函数P
1.3 S盒
在加密函数计算过程中使用了8个S盒。S盒是一种非线性变换，也是DES中唯一的非线性运算。S盒有6 位输入，4 位输出。48位数据经过8个S盒后输出32位数据。每个S盒都由4行(表示为0,1,2,3)和16列(0,1,…,15)组成，如图7所示。
图7 DES的S盒
对每个S盒，将6位输入的第一位和最后一位组成一个二进制数，用于选择S盒中的一行；用中间的4位选择S盒16列中的某一列，行列交叉处的十进制数转换为二进制数可得到4位输出。
1.4 DES子密钥产生
DES加密过程共迭代16轮，每轮用一个不同的48位子密钥。子密钥由算法的56位密钥产生。DES算法的输入密钥长度是64位，但只用了其中的56位，如图8所示, 每行的第8位被忽略，主要用于奇偶校验，也可以是随意设置。
图8 DES的输入密码
子密钥的产生过程如图9所示。
图9 子密钥产生过程
56位密钥首先经过置换选择1(如图10所示)将其位置打乱重排，将前28位作为C0(图10上部分)，后28位为D0(如图10下部分) 。
图10 置换选择1
接下来经过16轮，产生16个子密钥。每一轮迭代中, Ci-1和Di-1循环左移1位或者2位。Ci-1和Di-1循环左移后变为Ci和Di，将Ci和Di合在一起的56位，经过置换选择2(如图12所示)，从中挑出48位作为这一轮的子密钥，再将Ci和Di循环左移后，使用置换选择2产生下一轮的子密钥，如此继续，产生所有16个子密钥。
图1置换选择2
1.5 DES解密
DES解密过程与加密过程本质上一致，使用同一个算法，使用相同的步骤和相同的密钥。主要不同点是将密文作为算法的输入，但是逆序使用子密钥ki，即第1轮使用子密钥k16，第2轮使用子密钥k15，最后一轮使用子密钥k1。
1.6三重DES
为防止中间相遇攻击，可以采用3次加密方式。程序中当密钥大于8个字节时系统自动使用3次DES加/解密,否则使用标准DES加/解密。超过16字节后只取前16字节。
2DES算法安全性分析
DES是将Lucifer算法作为标准，Lucifer算法的密钥长度128位，但DES将密钥长度改为56位, 这不能抵抗穷尽密钥搜索攻击。
1999年，电子边境基金会（EFF）通过互联网上的10万台计算机合作，仅用22小时15分就破译了56位的DES。
另外，DES存在弱密钥。如果一个密钥所产生的所有子密钥都是一样的，则这个外部密钥就称为弱密钥。
针对DES的密码分析有：穷举攻击，用于任何分组密码，攻击复杂度只依赖于分组长度和密钥长度；差分分析法；线性分析法。
由于安全问题，美国政府于1998年12月宣布DES不再作为联邦加密标准。新的美国联邦加密标准是高级加密标准(ASE)。在新的加密标准实施之前，为了使已有的DES算法投资不浪费，NIST在1999年发布了一个新版本的DES标准（FIPS PUB46-3），该标准指出DES仅能用于遗留的系统，同时将三重DES（简3DES）取代DES成为新的标准。
目前还没有针对两个密钥的三重DES实际的攻击方法，但它并不太可靠，而采用三把密钥的三重DES则更为可靠。三把密钥的三重DES的密钥长度是168位，采用加密-解密-加密(E-D-E)方案。其加密过程为C=EK3[DK2 [EK1[M]]]，解密过程为M=DK1[EK2 [DK3[C]]]。
3抗蛙跳攻击的网络部署
蛙跳攻击就是用像木马、僵尸这样的程序工具先控制某个网上主机，把它作为跳板，操纵它来攻击真正的目标。这样做可以掩护攻击者的真实身份，给事发后的追查增加困难，同时还能借跳板的身份来麻痹对方。
DMZ（隔离区）是为了解决安装防火墙后外部网络不能访问内部网络服务器的问题，而设立的一个非安全系统与安全系统之间的缓冲区。这个缓冲区位于企业内部网络和外部网络之间的小网络区域内，在这个小网络区域内可以放置一些必须公开的服务器设施，如企业Web服务器、FTP服务器和论坛等。另外，通过DMZ区域，可更加有效地保护内部网络，因为这种网络部署比起一般的防火墙方案，对攻击者来说又多了一道关卡。其网络结构如图12所示。
图12 DMZ网络结构
DMZ是一个过滤的子网，在内部网络和外部网络之间构造了一个安全地带。
在DMZ区域中通常包括堡垒主机、Modem池，以及所有的公共服务器。但电子商务服务器只能用作用户连接，真正的电子商务后台数据需要放在内部网络中。
在该防火墙方案中，包括两个防火墙，外部防火墙抵挡外部网络的攻击，并管理所有内部网络对DMZ的访问；内部防火墙管理DMZ对于内部网络的访问。内部防火墙是内部网络的第三道安全防线(前面有外部防火墙和堡垒主机)，当外部防火墙失效时，它还可以起到保护内部网络的作用。在这样的结构里，一个黑客必须通过三个独立的区域(外部防火墙、内部防火墙和堡垒主机)才能够到达局域网。内部网络的安全性大大加强，但投资成本也是最高的。
为了防止蛙跳攻击，内网和DMZ之间的防火墙R1、DMZ和外网之间的防火墙R2的配置分别如表1、表2所示。
表1 R1的配置
num Director Src IP Src port Dest IP Dest port ACK Action
1 Out 内网 * 外网 * * allow
2 In 外网 * 内网 * 1 allow
3 Out 内网 * DMZ * * allow
4 In DMZ * 内网 * 1 allow
5 Both * * * * * deny
表2 R2的配置
num director Src IP Src port Dest IP Dest port ACK Action
1 out 内网 * 外网 * * allow
2 in 外网 * 内网 * 1 allow
3 out DMZ * 外网 * 1 allow
4 in 外网 * DMZ * * allow
5 both * * * * * deny
参考文献
[1]Vapnik, V.. Statistical learning theory[M]. New York: John Wiley, 1998
[2] 李红莲, 王春花. 针对大规模的支持向量机的学习策略[J]. 计算机学报, 2004, 27(5): 716-718
[3]Bruce Eckel. Thinking In Java（英文第4版）[M].北京：机械产业出版社，2007
收稿日期：2014-10-18