基于IPSec VPN数据安全性的混合加密算法研究

陈 娟 ，魏义亮

（1.山西大学商务学院， 太原030000；2.中铁太原勘察设计咨询院有限公司， 太原030013）

VPN技术利用Internet等公用通信设施，通过隧道和加密技术建立了一个安全的、虚拟的专用通道，从而确保局域网络内部数据的保密性。VPN技术不仅能提供用户数据传输的安全性，且节约成本。IPSec是VPN结构中应用最多的协议族，但其强制要求的加密算法不能满足需求。本文提出基于IPSec VPN数据安全性的混合加密算法。该算法是由对称算法中的高级加密算法（AES）和非对称算法中的椭圆曲线加密算法（ECC）结合而成。AES算法简洁、高效、安全性高且具有良好的代数结构。ECC算法速度快、密钥短、所占资源空间少。

1 混合加密算法的提出

在混合加密算法提出前，可以通过表1对2种算法的优缺点进行分析比较。

对称加密算法和非对称加密算法都有局限性，而彼此的局限性正好可以互相弥补。将二者结合，形成一种新的加密算法即混合加密算法。

表1 对称与非对称加密算法性能对比

2 混合加密算法的实现

为满足系统对数据快速高效加解密处理的要求，需要传输的数据采用AES加密，其中AES加密采用一次一密的模式，每次密钥均不同，数据通过VPN传输时，发送方先以随机生成的密钥加密，再用ECC加密AES算法的密钥，简化对密钥的交换与管理，并实现数字签名。最后，将经过加密处理的数据通过VPN传送给接收方。

2.1 混合密码算法的组成部分

2.1.1 生成密钥

在椭圆曲线Ep（a，b）上选一点G（x，y），G的阶数为n（n为一个大素数），G公开。在[1，n－1] 之间随机地确定一个整数Ks，计算Kp=KsG，且Kp为椭圆曲线Ep（a，b）上的一点，由此就确定了密钥对（Ks，Kp）。Ks私钥，Kp公钥。

加密AES密钥：设KA为AES算法密钥，发送方取随机数r，r∈{1，2，…，n－1}，计算u=rKBP（KBP为B的公钥），R1=rG=（x1，y1），v=x1KA。由此产生二元组（u，v）传送给接收方B。

解密AES密钥：用KBS（KBS为B的私钥）计算（x1，y1）=KBS-1u，从而得KA=x1-1v。

2.1.2 签名及认证

（1）公开消息摘要函数（md5函数），计算消息明文的摘要H（m）。

（2）签名生成：发送方A取随机数s，s∈{1，2，…，n－1}，计算R2=sG=（x2，y2），e=x2H（m），k=s+eKAS，w=KG，由此产生二元组（w，e）作为发送方A对消息的签名。

（3）身份认证：计算R=w－eKAP=（xr，yr），如e=xrH（m）成立则签名有效，否则无效。

2.2 系统仿真实现

2.2.1 硬件及网络环境

（1）服务器端： CPU频率Intel P4 2.7 GHz，Windows 2003 Server操作系统，网卡带宽100 Mbit/s。

（2）客户端：CPU频率Intel P4 2.4 GHz，Windows XP Professional操作系统，网卡带宽100 Mbit/s。

（3）支持TCP/IP协议。

（4）服务器端有真实的IP地址。

（5）服务器所在网络的防火墙设置特定监听端口。

（6）在该系统中是客户端向服务器端发起连接请求信号，所以服务器端要与Internet保持畅通。保证服务器端与客户端之间加密安全通道建立成功。

2.2.2 服务器端和客户端流程

该系统的服务器端有通信握手和数据传输2个部分。通信握手需要建立与客户端的TCP连接，与客户端同步AES密钥和建立数据安全传输通道；数据传输从客户端接收数据包、解密系统数据包、判断数据包有效性、处理数据包，并向客户端发送确认数据包和系统控制信息。服务器端是一对多的模式，服务器处理多个客户端的连接请求和数据传输，所以服务器端需要一个单独的线程来执行数据传输，而主线程可以继续接收下一个客户端发来的请求，直到接收完数据包，关闭服务器端口，如图1。

图1 服务器端流程图

同样，客户端的处理流程和服务器端很相似，也分为通信握手和数据传输2部分。服务器端解密数据包，发现错误信息并反馈给客户端后，客户端要重发数据包，保证系统的完整性，如图2。

图2 客户端流程图

服务器测试运行时可接收多个客户的多次请求，也可以接收多个客户的同时请求，直到测试结束。

系统客户端程序在运行时必须输入两个参数，服务器端的IP地址和需要加密的文件传输路径。根据不同的测试请求，可单一客户端运行，也可多个客户端运行。

2.3 系统性能测试

2.3.1 单个客户端用户性能检测

通过检测6个数据文件，得到系统传输时间和数据大小的关系，如图3。

图3 单个客户端数据大小与传输时间的曲线图

从图3可知，文件在混合加密系统中的传输时间与数据文件的大小呈近似线形增长。

单客户端数据大小与传输速率的关系如图4。

图4 单个客户端数据大小与传输速率的曲线图

从图4可知，数据传输的速度随着文件的增大而增长，但并不是线性增长。随着数据的增大，传输速率保持在170 kbit/s左右。

2.3.2 多个客户端性能检测

在系统测试中，混合加密系统的服务器接收多个客户端的连接请求和数据传输。通过对测试的6个文件得出6组数据，描绘出在多用户状态下，数据大小与传输速度之间的关系，如图5。

图5 多个客户端数据大小与传输速度的曲线图

通过图5，可以发现，随着客户端增多，每个客户端的传输速率要比单个传输时的速率有所下降，但是系统总速率要比单客户有较大增长。在本系统中，服务器端从安全通道中接收数据，在数据传输过程中，服务器端主要将时间消耗在对加密数据进行解密。而Borzio算法库中AES算法的加密时间比解密时间长很多。

对系统的总速率与客户端个数的分析如图6。

图6 客户端个数与系统速度的曲线图

由图6可知，随着客户端个数的增加，系统的速率也逐渐增加，并且速率稳定在600 kbit/s。

3 结束语

本文在C++平台下实现了混合加密算法的仿真系统。研究结果表明：在IPSec VPN的数据通信中，混合加密算法具有更高的安全性和可执行性，有效地增强了VPN的数据安全性。

目前，本文提出的混合加密算法的仿真系统还不够完善，对它的研究、分析、测试和应用尚处于初级阶段，有待进一步提高。

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