数字图书馆系统中的加/解密技术

2011-06-19王小康

河南图书馆学刊 2011年5期

王小康

（中共郑州市委党校，河南郑州 450042）

1 引言

在全球信息爆炸的大潮中，如何快速获取专业资料，普及全社会公民素质，提高公民生活质量，成为公共图书馆义不容辞的责任。纵观全球，越是发达的国家，其图书馆利用率和普及率就越高。图书馆进社区、进家庭等在发达国家已经成为普遍现象，尤其在高等教育院校，公共图书馆已经成为学生学习的重要场所，也成为学校教育能力、水平和质量的重要评估指标。

目前，全国和各省、市都建立了数字图书馆，并购买了相应的数字信息资源。正常情况下，用户在获取图书馆认证的情况下，可以通过网络终端登录图书馆数据库，进行图书馆藏资源的查找、阅读与分析等。然而，部分不法分子经常通过木马病毒等手段窃取登录密码、或直接绕开图书馆系统的安全认证模块，进入图书馆数据库，窃取数据库中的数字信息资源，侵犯图书馆的版权，给国家和图书馆建设造成了损失。因此，如果不能协调好数字图书馆建设与知识产权保护的关系，不能在图书馆与权利人之间建立利益平衡机制，将会直接影响图书馆自身的发展[1]。这就涉及到图书馆信息的网络安全问题。所谓网络安全是指计算机自动化系统内程序和数据的安全程度，能否有效地防止非法访问和使用程序与数据[2]。

可见，网络安全的核心是网络信息的安全。信息安全 (Information Security)是指保持信息的保密性(Confidentiality)、完整性(Integrity)和可用性(Availa—bility)。信息安全主要取决于两个因素：技术和管理。安全技术是信息安全控制的重要手段，许多信息系统的安全性保障都要依靠技术手段来实现[3]。信息安全的实践活动是一项系统工程，技术手段是这项系统工程的一个组成部分[4]。

网络图书馆必须连接国际互联网，不可能与外界物理隔绝。因此，可行的途径是通过加强安全技术防范和控制，主动防御外界的入侵。主动防御可以预测未来的攻击形势，安全风险控制，从而减轻数字图书馆信息安全管理体系构建的难度，从根本上改变以往防御落后于攻击的不利局面[5-6]。

2 问题分析及解决方案

目前，针对上述问题，国内外许多图书管理学者展开了研究，提出了相应的对策。从防范手段上讲，主要有两种对策：

（1）采用硬件认证的方式进行用户许可：采集客户端的计算机硬件编号，并以此作为数据库登录验证的必要手段。例如，计算机的硬盘序列号和网卡编号都是全球唯一的，基于这一特征，用户在终端登陆时，数字图书馆系统将采集用户终端的机器识别号，并与数字图书馆中存在的认证信息进行比较，如果发现客户端的信息与数据库中的信息不一致，或者未在数据库中发现客户端的信息，则可认为该客户为未经授权的客户，将拒绝其访问。

（2）采用软件加密的方式进行图书信息加密处理：该方法主要采用对数字图书馆信息资源加密的方法，使得未经授权的用户无法获取相应的信息。这种加密手段包括对密码的加密、对数字图书馆中的文件加密、以及传输过程中的数据流加密等。

上述安全对策中，硬件加密方法主要针对集体用户而言，比如国家级数据库在针对某一个使用单位（高校、研究所、图书馆等）进行授权，把该单位的所有计算机的硬件号进行采集，然后分别进行授权；或者对其网卡端口进行授权，使其在一定的IP地址范围内使用。但这种方法非常繁琐，针对个人而言，每次都要进行硬件授权是不切实际的。因此，针对大众而言，采用软件授权的方式是可行的。软件授权包括密码授权、加密信息授权等。其中密码授权存安全隐患，一旦密码丢失或者被窃取，就要造成损失。而采用数据流加/解密方式比较安全，也切实可行。其主要特点为：

（1）采用客户端——数据库服务模式（Client—Server，简称C/S模式），把图书馆系统分为两块，即客户端和服务器。

（2）在客户端和服务器两端分别内置数据流加密模块（客户端的加密模块在用户初次登陆时以插件的方式自动下载并安装）。

（3）客户端和服务器之间的加密模块，是点对点式（Point to Point）的暗箱关联，两者之间采用隐含密码钥匙进行相互认证，用户并不知道其中的加密技术和过程。

（4）只有客户端加载了加密模块后，服务器端发送的图书馆数字流才能被正确解码，并在解码后恢复原样，进行正确显示、阅读。反之，如果用户通过不正当途径，即使截取了加密数据流，也无法解码，不能）进行阅读。

上述方案的工作原理如图1所示。其中最为关键的技术就是数据流加解密技术，因此如何在服务器端进行数据流加密，并在客户端进行解密，是其中的核心与关键。本文针对该核心问题展开研究。

图1 本文解决方案的流程图

3 基于加/解密技术的数字图书馆安全技术

3.1 AES算法原理介绍

AES(Advanced Encryption Standard)是新一代对称加密标准，为取代已经不安全的DES和3DES而制定的。由于近年来芯片技术的指数级增长，普通电脑的计算能力得到了大幅提升，曾被广泛应用于各安全领域的70年代IBM所开发的56bits DES算法遇到了被普通电脑暴力攻破的巨大威胁。有鉴于此，美国国家标准和技术协会(NIST)2000年10月2日从5 个最终算法 (Rijndael、Twofish、Mars、RC6、Serpent)中，选择Rijndael作为AES正式算法。

图2 AES算法的原理图

AES 分 128bit，支持 128、192、256 三种密钥长度。实践表明AES能抵抗已知的各种密码攻击手段。它由可变数据块长和可变密钥长的迭代分组加密算法。数据块经过多次数据变换操作，每一次变换操作产生一个中间结果，这个中间结果叫做状态(State)。AES算法的主循环对状态执行4个不同的操作：SubBytes(字节替换)、ShiftRows(行位移变换)、MixColumns(列混合变换)和AddRoundKey(轮密钥加)。在加密的最后阶段，状态被变回为128位的线性串。图2演示了该算法的原理。

首先，对状态进行AddRoundKey操作，将RoundKey与状态异或。对前Nr-1轮中的每一轮，用S-BOX对状态进行一次代换操作，称为SubBytes，对状态做一置换ShiftRows；再对状态做一次操作Mix-Columns；然后进行AddRoundKey操作。最后依次进行SubBytes、ShiftROWs和AddRoundKey操作，数据就变成了密文。

AES解密算法结构与加密结构相同，为加密算法变换的逆变换，且密钥扩展策略稍有不同[7]。

3.2 AES算法实现

根据上述AES算法的描述，本文采用Visual C++实现了AES算法。所定义的加密类AesProcess结构如图3所示。

图3 AES算法的VC++实现类

图4 AES算法的原理图

AES的解密算法和加密算法的结构类似，只需将所有操作逆序进行，并逆序使用密钥编排方案即可。最后，本文用Visual C++创建了一个基于对话框的Windows应用程序，来验证其科学性和可用性。它能够接受任何类型的数据流，并对它进行加密和解密处理，运行界面如图4所示。

3.3 AES算法的安全性分析

一种加密算法的好坏，最为关键的方面就是其安全性的问题。自从2000年10月以来，美国国家标准技术研究所(NIST)宣布Rijndael被确定为高级加密标准AES，到目前为止，对于Rijndael密码的攻击还没有比穷尽密钥搜索攻击更有效的方法，已经公布的攻击思想不能够形成有效的攻击，而穷尽钥搜索攻击对于AES密钥为128位时的穷举攻击复杂度为2128，因此，目前使用AES加密算法从理论上讲是安全的。