基于IDEA算法的电子邮件加密与解密的实现(1)

    关键字  IDEA；电子邮件；加密；解密

 

    目前电子邮件是Internet上主要的信息传输手段，也是电子商务应用的主要途径之一。电子邮件在网络上以“存储转发”方式传播，一封电子邮件在传送过程中可能要经过若干个中间主机的转发，途中所留下的拷贝，能被非法用户阅读、截获或者篡改。目前Internet中邮件系统大多实现了邮件收发、管理功能，却无法保障电子邮件安全性、完整性、抗抵赖性、不可否认性等问题。提高邮件系统安全性的主要措施之一是对邮件内容加密，这样邮件即使被他人截收，显示的也是一些杂乱的不能读懂的乱码，但合法用户通过拥有的密钥对邮件解密而正确地阅读邮件，这样就达到了数据保密的功能，大大提高了邮件系统的安全性。

    一个电子邮件系统包含用户代理，传输代理和协议三大部分。用户代理是一个用户端发信和收信程序；传输代理负责信件交换和传输，又可将其细分为邮件发送传输代理和邮件接收传输代理；协议，包括用于发送邮件的SMTP和用于接收邮件的POP3。^[1]

    (1)发送方邮件管理程序将邮件进行拆分并封装成一个或多个TCP邮包。TCP邮包按照IP协议封装成IP包，并附上目的计算机的IP地址。

    (2)根据目的IP地址确定与哪一台计算机相连，若连接成功，便将IP邮包送上网络。

    (3)IP邮包在传递过程中，经过路由选择，通过某些主机的存储转发，最后到达接收邮件的目的计算机。

    (4)在接收端，将IP邮包收集起来，按照正确的次序将其复原成初始的邮件。

    计算机网络安全问题所涉及的内容非常广泛，ISO7498-2提出了五种计算机安全防护措施：认证、访问控制、数据保密、数据完整性、防止否认，而数据加密是实现所有安全服务的基础。 目前密码体制主要有两大类：一类是对称密码体制，包括序列密码和分组密码，如DES、IDEA算法；另一类是非对称密码体制，包括双钥加密模型和双钥认证模型，如RSA算法^[2]。两种密码体制各有优缺点，对称密码体制，密钥管理过于复杂，难以解决对数签名验证的问题，而非对称密码体制，加、解密速度慢，算法实现效率低。

    本文结合IDEA算法，描述了VC编程环境下邮件加密和解密的实现过程，保障了邮件传输的安全性。

    IDEA算法是对称密码体制中的一种基于数据块的分组加密算法，整个算法包含子密钥产生、数据加密过程、数据解密过程三部分。该算法规定明文与密文块均为64b，密钥长度为128b，加密与解密相同，只是密钥各异，其基本工作原理如图1所示。

    将明文中每64b数据块分成X₁，X₂，X₃和X₄四个子块，每一子块16b，令这4个子块作为第一轮迭代的输入，全部共8轮迭代。每轮迭代都是4个子块彼此间及16b的子密钥间进行异或运算、mod 2¹⁶加法运算、mod(2¹⁶+1)乘法运算，任何一轮迭代第3和第4个子块互换。最后与4个16b的子密钥进行输出变换，输出Y1~ Y4四个16b密文数据。IDEA算法结构如图2所示。

    IDEA算法经过8轮迭代，每轮需要6个子密钥，最后一轮还需4个子密钥，因此共需52个16b子密钥块。输入128b密钥k=k₁k₂…k₁₂₈，将其分成8个子密钥，每个子密钥16b，依次为：Z₁⁽¹⁾=k₁k₂…k₁₆、Z₂⁽¹⁾=k₁₇k₁₈…k₃₂、…、Z₆⁽¹⁾=k₈₁k₈₂…k₉₆、Z₁⁽²⁾=k₉₇k₉₈…k₁₁₂、Z₂⁽²⁾=k₁₁₃k₁₁₄…k₁₂₈； Z_i⁽ⁿ⁾表示第n轮迭代中的第i个子密钥。Z₁⁽¹⁾ ～Z₆⁽¹⁾作为第一轮的6个子密钥，剩下的Z₁⁽²⁾ 、Z₂⁽²⁾ 作为第二轮的子密钥。再将k向左旋转移位25b得k′=k₂₆k₂₇…k₁₂₈k₁k₂…k₂₅，同样将其分成8个子密钥，前4个Z₃⁽²⁾、Z₄⁽²⁾、Z₅⁽²⁾、Z₆⁽²⁾正好是第二轮的子密钥，后4个作为第三轮的子密钥。继续向左旋转移位25b，直到52个子密钥生成完毕。

    算法解密过程与加密过程完全一样，只是解密子密钥是由加密子密钥加法逆或乘法逆构成的，且两者一一对应。如解密运算的第一轮用到的6个子密钥依次是：(Z₁⁽⁹⁾)^-1、-Z₂⁽⁹⁾、-Z₃⁽⁹⁾、(Z₄⁽⁹⁾)^-1、Z₅⁽⁸⁾、Z₆⁽⁸⁾ 。其中-Z_i表示Z_i mod 2¹⁶的加法逆元，即-Z_i+Z_i≡0 mod 2¹⁶；Z_i^-1表示Z_i mod (2¹⁶+1)的乘法逆元，即Z_iZ_i^-1≡1 mod (2¹⁶+1)，其它依此类推。

    将IDEA算法抽象成一个C++类CIdea，该类可以直接被应用在需要应用加密技术的软件中。用户可以调用该类提供的接口函数来实现加密/解密功能。下面是CIdea类的文本描述，相应接口函数的实现可参考文献4。

class CIdea

{private：

bit8  UserKey[16]； //加密、解密密钥

bit16 EnSubKeys[52]； //加密子密钥

bit16 DeSubKeys[52]；

void en_key_idea(bit8  *userkey，bit16  *Z)；

void cipher_idea(bit8 *bu1，bit8 *bu2，bit16 *Z)；

//加密解密64b数据

public：

void EnString(unsigned char*，unsigned char*)；

//加密字符串方法

void DeString(unsigned char*，unsigned char*)；

int IdeaEncrypt(char *f1，char *f2)； //加密方法

int IdeaDecrypt(char *f1，char *f2)；

bit16 inv(bit16 x)； //乘法求逆

void SetKey(unsigned char *)；//设置密钥

}；

    邮件正文加密，首先定义CIdea类对象，调用SetKey()函数提供对称密钥，然后EnString()调用IDEA算法实现邮件加密。该函数首先根据加密密钥UserKey调用en_key_idea()生成加密子密钥块，然后打开邮件正文，获得邮件正文的长度，并用空字符将其补成8倍数的长度，然后将其按每64b依次分块读出并调用cipher_idea()函数加密每个64b组，并将加密后的字符串存储，直到邮件正文字符串全部加密完毕，跳出循环。