基于C#的“密码学”实验演示系统的设计与实现

蔡增玉　刘消南　马琳琳　甘勇　尚志会

摘要：针对密码学课程复杂、抽象、学习难度很大的问题，设计和实现了基于C#的密码学实验演示系统。系统实现了密码学知识的介绍，并实现了用DES算法、RSA算法、移位代换算法、置换密码算法、MD5算法等算法进行加密和解密的演示。测试及应用结果表明，该系统具有常用加密算法的加密解密演示功能，对于密码学课程学习和相关内容的研究具有一定的帮助。

关键词：实验演示；密码学；加密解密；系统实现

中图分类号：TP309

文献标志码：A

文章编号：1006-8228（2017）01-57-03

0.引言

人们网络安全意识日益增长，如何保证用户个人信息安全成为了一个十分热门的话题。数据加密是一个直接有效的保护信息安全的方法，而多数人对于数据加密还没有特别深入的了解。在大学里，密码学课程对很多学生而言是一门复杂抽象、学习枯燥、难度很大的课程。实验演示系统由于其直观性、交互性、动态性等优势，能够提供学生的学习兴趣和效果，因此开发对应课程的实验演示系统有重要的意义。为了让学生能够更好的学习密码学相关内容，本文给出了一款基于C#的密码学实验演示系统的设计与实现，并给出了测试结果。测试结果表明，该系统能够很好的对常见密码学算法的加密/解密过程进行演示，并实现了对信息及文件的加密/解密功能，完全符合设计之初的要求。

1.密码学课程概述

密码学是信息安全专业最重要的基础课程之一，在很多高校都设有单独的密码学专业。密码学研究范围包括编制密码和破译密码两个部分。其中用来编制密码，保证通信安全的是编码学；用来破译密码，截获相关通信内容的被称作破译学，二者的总称是密码学。大学密码学课程主要讲授古典密码学、分组密码学、公钥密码学、密钥分配与管理、信息认证和杂凑算法、数字签名，以及网络加密与认证等内容。通过该课程，使学生学习到各种加/解密、散列函数、单向函数、签名模式等知识。本文系统中主要是实现密码学课程中所涉及到的加密解密算法的演示，包括对称加密算法DES算法、非对称加密算法RSA算法、古典的移位置换算法演示等，在一定程度上能够方便学生对枯燥的加密算法的学习。

2.系统的设计与实现

2.1功能设计

首先为了体现整个演示系统的完整性，在系统的开始利用窗体程序添加了登录界面和欢迎界面，并且在最后添加了退出界面。其次在核心的加密算法功能的设计和实现上面采用了窗体复用技术，即在一个窗体上实现对所有算法的演示链接，这样的设计能够让用户方便直观的体验系统的同时能够对不同的加密算法有一个对比，加深对密码学加密算法的了解和认识。整个系统包括登录界面、对密码学知识的介绍、对称加密算法DES算法的加密和解密、非对称加密算法RSA算法加密和解密、以哈希算法为基础的MD5算法、移位代换算法和置换密码算法等的演示。其主要功能如图1所示。

整个系统的模块部分除了基础的登录模块，欢迎模块和退出模块之外，还包含了一个对加密知识的拓展模块和五个不同加密算法的演示模块。

（1）加密知识拓展模块：设计该模块的主要目的是让用户在使用演示系统相关的功能之前，对一些与加密解密相关的基础知识有一定的了解。

（2）DES算法演示：DES算法是一种典型的对称加密算法。基于C#的密码学实验演示系统仅选择对典型的对称加密算法DES算法进行演示，演示的内容包括对文字信息的加密/解密，以及对本地的文件通过相同的密钥进行加密和解密。

（3）RSA算法演示：RSA算法属于非对称加密算法的一种。基于c#的密码学实验演示系统选择进行演示的非对称加密算法是目前在密码学中影响力比较大的RSA算法。介绍RSA算法实现的理论基础及其优缺点，并且对加密解密过程进行了具体的演示。

（4）MD5算法演示：MD5算法是一种利用哈希函数实现的加密算法。该算法不同于上面所介绍的DES算法和RSA算法，MD5算法只能是信息加密进行加密，因此可以配合不对成加密用作数学签名，来校检信息在传递的过程中是否被修改。系统演示一个密钥对一份加密内容会产生惟一的一个哈希值，并且输出加密后的密文。

（5）移位代换算法演示：本系统演示的移位代换算法也称为凯撒密码，这是一种最为古老的加密体制。凯撒密码所采用的基本思想是通过把需要加密的内容中的字母向前或向后移动一定的位数，将其变换成其他的字幕来达到加密的目的，由此可见，这种加密算法只能对字母进行加密。在本系统中只设计了向后移动操作。

（6）置换密码演示：置换密码算法同上述的移位代换算法同属于古典密码学内容，其加密原理是不改变明文字符内容，只是把明文字符的一段短语作为密钥短语，根据密钥短语的位数和短语中各字母的先后顺序排序，同时构建以密钥短语长度为列数的二维数组，对应着密钥短语的下方将明文一一存入数组，按照密钥短语中各字母对应列的顺序纵向读出数组即为加密后的密文。本系统对这种算法提供了基本的简介，同时提供了能够实现该算法的例子。

2.2关键技术

本演示系统采用的是C#的WinForm窗体做的主体，整个系统涉及的关键技术主要有Form窗体的传值、WinForm窗体复用技术、文件加密技术以及对c#相关的加密解密方法。

（1）Form窗体的传值。c#不同的窗体间传递数据，通常可以通过四种方式：通过公共静态变量、使用共有属性、使用委托与事件和通过构造函数把主窗体传递到从窗体中。本系统使用的是最后的那种使用委托与事件，并通过构造函数把主窗体传递到从窗体中。先在主窗体中设置一个button按钮，通过点击按钮进入到设置的Click事件，生成一个新的Form类，然后使用“show（）”方法显示新的窗体即可。

（2）WinForm窗体复用技术。为了整个系统的集成度更高，在系统中采用了WinForm窗体复用技术，即在一个大的窗体里多个小的窗体同时存在，互不干扰。本系统是在主窗体中设置一个TabContol控件，并且在这个控件中设置了六个TabPage实现不同窗体问的共存，方便用户对比选择演示不同的加密算法。

（3）文件的加密解密技术。不同于一般的加密算法只能够对一段信息进行加密，本系统演示的DES算法可以对本地文件进行加密和解密。要做到这一步首先要提取加密文件的路径，然后读取本地的加密文件，通过8位的密钥对本地文件加密，最后再保存到本地。

3.系统测试及分析

3.1测试结果

对基于c#的密码学实验演示系统进行的功能测试主要是测试不同加密加密算法的加密解密效果，测试结果如表1所示。测试表明，系统所涉及的功能都能够实现，达到了最初功能设计要求，能满足用户的需求，能够让学生更方便深入的接触到加密解密过程，简化学习密码学的难度。

3.2讨论

作为一个完整的演示系统，该系统具有完整的结构，包括登录和退出界面。系统的定位是面向普通的用户，系统界面做的足够清晰明了，使得没有任何基础的用户也能够方便的进行操作。系统核心模块的特点是：对五种不同的加密算法进行了有侧重的介绍和演示。比如根据对称加密算法DES算法能够进行文件加密的特点添加了文件加密功能，对目前使用比较广泛的RSA算法从介绍基本的实现原理到算法的优缺点进行了描述，然后对其加密解密过程进行了演示。该系统可以作为一个教学的演示系統，区别于传统密码学课程的单调和枯燥，能够让学生通过演示系统生动具体地学习到密码学的相关知识，了解到不同加密算法的特点及其实现过程。

4.结论

本文针对密码学课程复杂抽象、学习难度大的问题，研究并实现了基于c#的密码学演示系统，包括系统的需求分析，功能的设计与实现，开发使用的相关工具和开发方案，以及在系统开发过程中使用的关键性的技术，最后对系统的界面和功能进行了测试。测试结果表明该系统界面友好，功能性完整，实现了密码学课程中典型算法的演示。本文的研究能够较为直观地实现对密码学课程有关算法的讲解，具有很好的应用价值。