数据加密技术在计算机网络通信安全中的应用探究

林婧

摘要：文章首先介绍了数据加密的基础知识，然后详细讨论了数据加密技术在计算机网络通信安全中的应用，并强调了SSL/TLS、IPSec、PGP、S/MIME等协议和技术的重要性，旨在通过分析深化人们对数据加密技术的认识，实现数据加密技术在计算机网络通信安全中的良好应用。

关键词：数据加密技术；计算机网络；通信安全；应用

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.04.038

中图分类号：TP 393.08          文献标志码：A           文章编码：1672-7274（2024）04-0-03

Exploration of the Application of Data Encryption Technology

in Computer Network Communication Security

LIN Jing

（Liaocheng Confidentiality Technology Inspection and Evaluation Center， Liaocheng 252000， China）

Abstract： In the article， the basic knowledge of data encryption is first introduced， and then the application of data encryption technology in computer network communication security is discussed in detail. The importance of protocols and technologies such as SSL/TLS， IPSec， PGP， S/MIME is emphasized， aiming to deepen people's understanding of data encryption technology through analysis and achieve good application of data encryption technology in computer network communication security.

Keywords： data encryption technology; computer network; communication security; application

1   數据加密概述

1.1 对称加密和非对称加密的基本原理

对称加密和非对称加密是信息安全领域中两种核心的加密技术，它们在数据传输和存储过程中起到了至关重要的作用。这两种加密方法在原理和应用上有着根本性的区别。

对称加密的基本原理是使用相同的密钥对数据进行加密和解密。这意味着发送方和接收方都共享相同的密钥，密钥既用于将明文数据加密为密文，也用于将密文还原为明文。对称加密具有加密速度快的优势，因为加密和解密用的是相同的密钥，可以节省相应的时间，但密钥的分发和管理可能会面临安全性挑战[1]。

非对称加密的基本原理则是使用一对密钥，包括公钥和私钥。公钥用于加密数据，而私钥用于解密数据，这意味着发送方使用接收方的公钥加密数据，只有接收方拥有相应的私钥才能解密数据；非对称加密解决了对称加密中密钥分发的问题，但加密和解密速度通常较慢，在实际应用中，非对称加密经常用于数字签名，以验证数据的完整性和身份。

1.2 加密算法的种类和流行的加密标准

（1）对称加密算法是最常见的加密算法之一，它使用相同的密钥进行加密和解密。流行的对称加密算法包括高级加密标准（AES）、数据加密标准（DES）和三重数据加密标准（3DES）。AES是目前广泛使用的对称加密算法，因其高度的安全性和效率而备受青睐[2]。

（2）非对称加密算法采用一对密钥，分别用于加密和解密。RSA和椭圆曲线加密（ECC）是两个流行的非对称加密算法，它们广泛用于数据加密和数字签名。RSA以数学原理复杂性而闻名，而ECC则以在相对较短的密钥长度下提供高度的安全性而著称。

（3）散列函数是一种将输入数据转化为固定长度散列值的算法，它们广泛用于数据完整性检查和密码存储。流行的散列函数包括SHA-256和SHA-3，它们具有抗碰撞（collision resistance）和预像性（pre-image resistance）等重要安全性质。

1.3 密钥管理和生成的重要性

在现代加密系统中，密钥的管理和生成是确保信息安全的关键环节。密钥的强度和合理的管理对于抵御各种攻击和威胁至关重要。

密钥的强度直接关系到加密的安全性。较短或弱的密钥容易受到暴力破解和穷举攻击的威胁。因此，生成强密钥是确保加密系统抵御攻击的首要任务。强密钥的生成通常涉及到随机数生成和大素数的选取，这些过程需要足够的熵来确保密钥的随机性和不可预测性。

密钥的管理是确保密钥在其生命周期内的安全性和可用性的关键。密钥必须受到保护，以防止未经授权的访问。这包括使用安全的存储介质、强密码和多因素认证等方法。

2   数据加密在通信中的应用

2.1 数据传输加密

2.1.1 SSL/TLS协议：HTTPS的安全性

SSL（Secure Sockets Layer）和其后继者TLS（Transport Layer Security）协议是当今互联网通信中保障机密性和数据完整性的主要工具。这两个协议的关键任务是建立安全的通信通道，以防止中间人攻击和窃听威胁。

SSL/TLS协议的工作原理是通过加密通信的两端之间的数据传输，从而确保通信内容在传输过程中不被窃听或篡改。它采用了一种混合的加密模型，结合了对称加密和非对称加密的优势。在通信开始时，客户端和服务器之间首先进行握手协商，以确定使用的加密算法和密钥。这个握手过程包括密钥交换、身份验证和生成会话密钥等步骤。

一旦安全通道建立，HTTPS协议就可以在此基础上运行。HTTPS是HTTP的安全版本，使用SSL/TLS协议来保护数据传输。通过HTTPS，网站可以加密传输敏感数据，如登录凭据、信用卡信息和个人资料。这种安全性使得互联网用户能够放心地与网站进行通信，而不必担心数据泄露或被窃听[3]。

HTTPS的安全性建立在SSL/TLS协议之上，它使用公钥加密来保护对称加密密钥的传输。服务器使用自己的公钥来加密一个随机生成的对称密钥，然后将其发送给客户端。客户端使用服务器的公钥解密这个密钥，然后双方都使用这个对称密钥来加密和解密通信中的数据。这种混合加密的方法克服了对称加密中密钥分发的问题，同时保证了通信的高效性和安全性。

2.1.2 IPSec协议：虚拟专用网络（VPN）的保护

IPSec（Internet Protocol Security）协议是一种用于保护网络通信安全的协议套件，它提供了虚拟专用网络（VPN）的关键安全性。在IPSec设计中，其主要目标是确保数据在通过公共网络传输时保持机密性和完整性，其核心原理是通过对数据包进行加密和身份验证来保护通信。它可以运行在两种不同的模式下，即传输模式和隧道模式。在传输模式下，仅数据部分被加密，而在隧道模式下，整个数据包都被加密。这使得IPSec能够适用于多种不同的通信需求。

同时，在IPSec中，使用了多种协议和技术，包括AH协议（Authentication Header Protocol）和ESP协议（Encapsulating Security Payload Protocol）。AH协议用于数据包的身份验证，确保数据包没有被篡改。ESP协议则提供了加密和数据完整性保护，以确保数据的机密性和完整性。

VPN的保护是IPSec协议的一个重要应用领域。VPN通过建立加密的通信通道，允许远程用户或分支机构安全地连接到组织的内部网络。IPSec协议為VPN提供了强大的安全性，确保数据在公共网络上的传输是加密的，从而防止了敏感信息的泄露。此外，IPSec还可以用于点对点连接，如远程办公和跨地域数据传输。通过建立IPSec安全通道，两个点之间的通信可以在加密的环境中进行，即使在不受信任的网络中也能保护数据的安全性[4]。

2.2 数据存储加密

2.2.1 数据库加密：保护敏感数据

数据库加密是一项关键的数据安全措施，用于保护存储在数据库中的敏感信息，如个人身份信息、财务记录和医疗数据等。这种加密方法确保了数据库服务器在被未经授权的访问或攻击时，也无法获取可读的敏感数据。

数据库加密的核心是在数据写入数据库之前进行加密，并在从数据库中检索数据时进行解密。这要求数据库管理系统（DBMS）具备支持数据加密功能，当下常见加密类型有两种，分别为列级加密和表级加密。其中列级加密允许对数据库表中的特定列进行加密，而表级加密则对整个表进行加密。

在数据库加密中，一般使用对称密钥来加密数据，这意味着加密和解密都是使用相同的密钥。因此，密钥管理是数据库加密的一个关键挑战。密钥必须受到严格的保护，以防止泄露或未经授权的访问。

2.2.2 文件加密：文件级加密的实际应用

文件级加密是一种数据保护方法，它允许对存储在计算机或云存储中的文件进行单独加密。这种加密方法为个人用户和企业提供了一种有效的方式，保证了敏感文件在存储和传输时的机密性和安全性。文件级加密的基本原理是对每个文件使用独立的密钥进行加密。每个文件都有其自己的加密密钥，这个密钥通常使用对称加密算法来保护。这意味着即使攻击者能够访问存储设备，也无法获取可读的文件内容，因为他们没有相应的密钥。在文件级加密中，密钥管理是一个关键的考虑因素。密钥必须受到保护，并且需要确保可靠的密钥分发和轮换策略。为了方便用户，通常使用用户的登录凭据或主密码来解锁文件的密钥，从而使文件在用户访问时能够自动解密。

在实践中，文件级加密应用是非常广泛的，涵盖了个人和企业两个方面。在个人层面，文件级加密可用于保护个人照片、文档和其他敏感信息，防止在计算机丢失或被盗时泄露；而在企业层面，文件级加密是确保敏感客户数据、财务报告和知识产权保密性的关键工具。此外，云存储服务如Google Drive和Dropbox也提供了文件级加密选项，以加强用户的隐私保护[5]。同时，文件级加密技术还在合规性方面发挥了关键作用，帮助组织遵守数据隐私法规和行业标准，并且在跨境数据传输和远程办公中提供了额外的安全层，确保文件在传输和存储中保持机密。

2.3 电子邮件加密

2.3.1 PGP和S/MIME：电子邮件的端对端加密

电子邮件是一种广泛使用的通信方式，但它在保护通信内容的机密性方面面临着挑战。为了解决这一问题，出现了端对端加密技术，其中PGP（Pretty Good Privacy）和S/MIME（Secure/Multipurpose Internet Mail Extensions）是两种领先的实现方式。

PGP和S/MIME的工作原理是使用非对称加密技术，确保只有收件人能够解密和阅读电子邮件内容。在PGP中，用户拥有一对密钥，包括公钥和私钥，公钥用于加密发送给用户的电子邮件，私钥用于解密邮件，这意味着只有拥有私钥的用户才能解密和读取邮件内容。S/MIME也采用了类似的原理，但其密钥管理和认证过程与PKI（Public Key Infrastructure）相关联。将PGP或S/MIME应用到电子邮件中，发送方应使用接收方的公钥来加密电子邮件。一旦加密完成，只有接收方拥有相应的私钥才能解密邮件。这种方式确保了电子邮件在传输和存储过程中的机密性，即使邮件服务器被攻击或未经授权的访问，也无法读取邮件内容。

在具体实践应用中，PGP和S/MIME通常需要用户生成自己的密钥对，并与通信的对方共享公钥。这种方式在保护个人隐私和敏感信息的同时，也为电子邮件通信提供了额外的安全层。许多电子邮件客户端和服务提供商都支持PGP和S/MIME，使得用户能够轻松地启用端对端加密。

2.3.2 公钥基础设施（PKI）的角色

公钥基础设施（PKI）是电子邮件加密中的关键组成部分，它为数字身份验证和密钥管理提供了一种强大的框架。PKI是一个复杂的体系结构，涵盖了证书颁发机构（CA）、数字证书、公钥和私钥等组件，其在电子邮件加密中扮有重要的角色。

PKI的核心功能可以进行数字身份验证，这是通过验证通信各方的身份来确保通信安全的关键步骤。在电子邮件加密中，PKI通过数字证书来验证用户的身份，具体包括用户的公钥和一些关于用户身份的信息，比如判断它是否由信任的证书颁发机构签名，这样才能够保证证书的真实性。同时PKI还提供了密钥管理的框架。在电子邮件加密中，用户生成自己的密钥对，并将公钥包含在数字证书中。这些公钥由证书颁发机构分发和验证，确保了公钥的合法性和可信度。私钥则由用户自己保护，用于解密电子邮件。PKI确保了密钥的生成、分发和管理是安全和可靠的。此外，PKI还在电子邮件加密中提供了加密密钥的交换。在使用端对端加密时，PKI可以用于安全地交换会话密钥，以便双方能够加密和解密电子邮件。这种方式避免了未经授权的访问或中间人攻击，确保了通信的机密性。

3   结束语

如今，数据加密技术在通信和数据存储中的应用变得愈发重要。为了更好地进行数据加密，可以在数据传输过程中进行加密，通过将SSL/TLS协议作为保护网络通信安全的主要工具，保证网站和用户之间的数据传输的机密性和完整性。同时可以进行数据库加密和文件加密，保护存储在数据库和计算机中的敏感信息不会受到盗用。另外，还可以通过PGP和S/MIME等技术进行电子邮件加密，确保电子邮件内容只能被合法的收件人解密和访问。

参考文献

[1] 孫东旭，刘冬菊．浅析数据加密技术在计算机网络安全中的应用价值[J]．信息系统工程，2023（8）：52-55.

[2] 杨鑫．数据加密技术在计算机网络通信安全中的应用分析[J]．网络安全技术与应用，2023（8）：31-32.

[3] 王骏翔．数据加密技术在计算机网络信息安全中的应用[J]．数字通信世界，2023（7）：141-143.

[4] 季倩倩．数据加密技术在计算机网络安全中的应用探讨[J]．网络安全技术与应用，2023（7）：22-23.

[5] 吕达．在计算机网络安全中数据加密技术的应用分析[J]．科技资讯，2023（13）：19-22.