电子邮件安全协议—PGP

摘 要 首先介绍电子邮件的传输过程，引出安全电子邮件的重要性，然后介绍电子邮件安全协议PGP，涉及到的IDEA、RSA、MD5加密算法以及其安全性分析。

关键词 电子邮件；PGP；加密算法；安全性

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）08-0140-02

电子邮件的方便、快速、费用低廉等优点，再加上它不但能传送文字信息，还可以附上图像、声音等功能，这使得电子邮件越来越受人们的欢迎。

1 电子邮件的传输过程

电子邮件通过SMTP和POP协议来进行发送和接受，但由于互联网的开放性，邮件内容是以明文的形式在互联网上进行传递。这使得人们在使用电子邮件时不得不考虑其安全因素，因此如何保证电子邮件的机密性、完整性、真实性和不可抵赖性等方面的问题显得尤为重要。

2 PGP介绍

为了使电子邮件在互联网上能够安全运行，开发出了一些安全电子邮件标准：PGP和S/MIME。其中PGP被广泛运用。

PGP（Pretty Good Privacy）是美国人Phil Zimmermann研究出来的，它是由多种加密算法（IDEA、RSA、MD5、随机数生成算法）组合而成，不但能够实现邮件的保密功能，还可以对邮件进行数字签名，使收信人能够准确判断邮件在传递过程中是否被非法篡改。

3 PGP工作原理

3.1 IDEA算法

IDEA属于对称加密算法，即加密密钥和解密密钥相同，具体的算法规则是，将输入数据以每64为一块，对每块进行分组，分为4组，每组16位，作为第一轮的输入，进行相乘、相加、异或等运行后，形成4个子分组，将中间两间进行交换，作为下一轮的输入，经过8轮运算后，同样得到4个子分组，再将这4组重新连接到一起形成密文共64位。

3.2 RSA算法

RSA属于非对称加密算法，也称公钥算法，即加密密钥和解密密钥不同，并且加密密钥可以完全公开，但由于没有解密密钥，即使非法者窃取到了密文和发送者的加密密钥也无法查看内容，解决了对称加密中对密钥管理困难的问题，RSA的安全性取决于对大数的因式分解，这是数学上的一个难题。

RSA算法描述：

1）随意选择两个大的质数p和q，p不等于q，q和p保密；

2）计算n=pq；

3）欧拉函数，φ（n） = （p-1）（q-1），n公开，φ（n）保密；

4）选择一个小于φ（n）的正整数e，满足gcd（e，φ（n））=1，e是公开的加密密钥；

5）计算d，满足de≡1（modφ（n））， d是保密的解密密钥；

6）加密变换：对明文m∈Zn，密文为C=me mod n；

7）解密变换：对密文C∈Zn，明文为m=Cd mod n；

由于RSA涉及的运算非常复杂，所以在运算速度上很慢，因而RSA算法只适合于对少量数据进行加密，如数字签名，一般情况下，如果要对大量信息进行加密，还是采用对称加密算法，因为对称加密速度比公钥加密速度快得多。

3.3 MD5算法

MD5属于Hash函数，可以将任意长度的输入压缩到固定长度的输出，具有多对一的单向特性。可以用于数字签名、完整性检测等方面。

4 PGP提供的业务

PGP提供的业务包括：认证、加密、压缩、与电子邮件兼容、基数-64变换。

4.1 认证

认证的步骤是：①发信人创建信息M；②发信人使用MD5算法产生128位的消息摘要H；③发信人用自己的私钥，采用RSA算法对H进行加密ER，M‖ER连接后进行压缩得到Z；④将Z通过互联网发送出去；⑤接收者收到信息后首先进行解压Z-1，使用发信人的公开密钥采用RSA算法进行解密得出H，用接收到的M计算消息摘要H，将得出的两个H进行比较，如果相同则接收，否则表示被篡改，拒绝。

4.2 加密

加密的步骤：发信人对信息M进行压缩，采用IDEA算法对其进行加密，用接收者的公钥对密钥进行加密，与M进行连接后发出，接收者采用RSA算法进行解密得到会话密钥，将会话密钥按IDEA算法进行解密，并解压缩，并到原文。

在加密过程中，由于信息相对内容较多，因此对信息的加密采用的是对称加密算法IDEA来实现，而密钥采用的是安全强度为高的非对称加密算法RSA实现，通过IDEA和RSA结合，不但提高了邮件传输的安全性，而且在加解密时间上也缩短了。

4.3 压缩

PGP采用ZIP算法压缩信息，这不但节省了存储空间，而且在传输过程中也节省了时间，另外，在对信息进行加密之前压缩，也相当于进行了一次变换，使其安全性增强。

4.4 与电子邮件兼容

由于电子邮件只允许使用ASCⅡ字符串，而PGP的输出却是8位串，为了与电子邮件进行兼容，PGP采用基数-64变换实现将输出的8位串转换为可以打印的ASCII字符串。

4.5 PGP消息分段和重组

电子邮件中对消息内容的长度有限制的，当大于所限制的长度时要进行分段，分段是在所有处理结束之后才进行，所以会话密钥和签名在第一个段开始位置出现。在接收端，PGP将重新组合成原来的信息。

5 PGP安全性分析

由于PGP是一种混合密码体系，它的安全性在于IDEA、RSA、MD5算法的安全性分析。

5.1 IDEA的安全性

在PGP中采用IDEA的64位CFB模式，很多研究者对IDEA的弱点进行了分析，但也没有找到破译的方法，由此可见，IDEA算法也是比较安全的，它的攻击方法只有“直接攻击”或者是“密钥穷举”攻击。endprint

5.2 RSA的安全性

RSA算法是非对称密码体制，它的安全性基于大整数的素分解的难解性，经过长期的研究至今也未找到一个有效的解决方案，在数学上就是一个难题，因此，RSA公钥密码体制就建立在对大数的因式分解这个数学难题上。

假设密码分析者能够通过n分解因子得到p和q，那么他很容易就可以求出欧拉函数φ（n）和解密密钥d，从而破译RSA，因此，破译RSA比对n进行因式分解难度更大。

假设密码分析者能够不对n进行因子分解就求出欧拉函数φ（n），那么他可以根据de≡1（modφ（n）），得到解密密钥d，从而破译RSA，因为p+q=n-φ（n）+1，p-q=sqr（p+q）^2-4n，所以知道φ（n）和n就可以容易地求得p和q，从而成功地分解n，所以不对n进行因子分解而直接计算φ（n）比对n进行因子分解难度更大。

假如密码分析者能够即不对n进行因子分解也不需要求φ（n）而是直接求得解密密钥d，那么他就可以计算ed-1，其中ed-1是欧拉函数φ（n）的倍数，因为利用φ（n）的倍数可以容易的分解出n的因子。所以，直接计算解密密钥d比对n进行因式分解更难。

虽然n越大其安全性越高，但由于涉及到复杂的数学运算，会影响到运行速度，那么我们实际运用中，如果来决定n的大小使其既安全其速度又不能太慢，目前n的长度为1024位至2048位比较合理。

研究人员建议，在运用RSA算法时，除了指定n的长度外，还应对p和q进行限制：①p和q的大小应该相差不多；②p-1和q-1都应该包含大的素因子；③gcd（p-1，q-1）应该很小。

5.3 MD5的安全性

MD5是在MD4的基础上发展起来的，在PGP中被用来单向变换用户口令和对信息签名的单向散列算法。它的安全性体现在能将任意输入长度的消息转化为固定长度的输出。目前对单向散列的直接攻击包括普通直接攻击和“生日攻击”。

在密码学中，有这么一句话：永远不要低估密码分析者的能力。这也将是密码设计者与密码分析者的较量，事实上绝对不可破译的密码体制在理论上是不存在的，因此，在实际应用中，一个密码体制在使用一段时间后，会换一些新的参数，或者是更换一种新的密码体制，当然，密钥也是要经常换的。由此可见，PGP软件虽然给我们的电子邮件带来了安全性保障，但它也不是永恒的，也许在不久的将来，由于它的弱点被攻击而被新的安全电子邮件产品所代替。

参考文献

[1]刘冰.PGP系统的设计实现与应用[J].重庆工商大学学报（自然科学版），2008（4）.

[2]吴志强.基于PGP加密技术中小企事业安全电子邮件系统的设计与实现[D].南昌大学.

[3]文远.PGP安全电子邮件系统研究与实现[D].北京邮电大学.

[4]陈鲁生，沈世镒.现代密码学（第二版）[M].科学出版社，2008.

作者简介

钟泽秀，讲师，硕士，计算机应用技术专业。endprint