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摘 要：Diffie-Hellman算法通过密钥交换的方式为企业VPN网络的信息传输提供数据机密性,其有效性依赖于计算离散对数的难度.在描述算法过程的基础上,利用Visual C++语言编程并在Windows XP环境中编译.通过一个具体的企业VPN网络部署和配置,实现了企业内网对等体之间通过VPN隧道的相互通信和对Internet资源的访问,分析了由于加载VPN数据包而对网络性能产生的影响,主要体现在网络吞吐量和网络延迟的变化上.因此提高VPN网络的应用性能和数据传输的质量是今后研究的主要方向.
关键词：Diffie-Hellman算法；VPN技术；网络性能；网络吞吐量；网络延迟
中图分类号：TP391 文献标识码：A
1. 引言(Introduction)
Diffie-Hellman算法,简称DH算法,由W.Diffie和M.E.Hellman在1976年公布的一种密钥一致性算法,该算法是一种建立密钥的方法,并非加密方法,但其产生的密钥可用于加密、密钥管理或任何其它的加密方式,这种密钥交换技术的目的在于使两个用户间能安全地交换密钥(KEY)以便用于今后的报文加密[1].DH密钥交换算法对公开密钥论文范文编码学产生了深远的影响.
DH算法是一种确保共享KEY安全穿越网络的方法.Internet是一个公共的网络,企业通过Internet来连接远程站点和传输数据,容易造成内部网络的安全威胁.VPN(Virtual Private Network,虚拟专用网络)在公用网络上建立企业网络,通过提供机密性和安全性来保障企业内网数据的安全传输,具有成本低,易于使用的特点.数据机密性包括对称式加密DES、3DES、AES和非对称式加密RSA,这些加密方法都可以通过DH密钥交换来为对等体生成所需的密钥[2-4].
2. Diffie-Hellman算法描述(Diffie-Hellman algorithm description)
离散对数：定义素数p的原始根(Primitive Root)是能生成1-(p-1)之间所有数的一个数,设a为p的原始根,则：
a mod p,a2 mod p,等,ap-1 mod p是各不相同的整数,且以某种排列方式组成了从1到p-1的所有整数.对于任意数b及素数p的原始根a,可以找到一个唯一的指数i,满足：
b等于ai mod p,其中0≤i≤p-1,那么指数i称为b的以a为基数的模p的离散对数.
Diffie-Hellman算法的有效性依赖于计算离散对数的难度,其含义是：当已知大素数p和它的一个原根a后,对于给定的b,要计算出i被认为是很困难的,而给定i计算b却相对容易[5-7].
假设网络上有两个用户A和B,彼此之间协商共同的论文范文,算法过程如图1所示.
(1)A和B事先约好大素数p和它的原始根a；
(2)A随机产生一个数x,计算X等于ax mod p,然后把X发给B；
(3)B随机产生一个数y,计算Y等于ay mod p,然后把Y发给A；
(4)A计算k等于Yx mod p；
(5)B计算k* 等于Xy mod p.
因为k等于Yx mod p等于(ay)x mod p等于(ax)y mod p等于Xy mod p；
k* 等于Xy mod p；
所以k等于k* .
不安全网络上的窃听者只能得到a、p、X、Y,除非能计算离散对数x和y,否则将无法得到密钥ｋ,但对于大素数p,计算离散对数是十分困难的,因此k为用户A和B独立计算出的密钥.
3 Diffie-Hellman算法实现(Diffie-Hellman algorithm implementation)
编程思路：输入一个素数和它的一个原始根,生成小于此素数的一个随机数,计算出用户的公钥,保存信息.然后再输入对方的公钥,计算出双方的会话密钥.
核心代码如图2所示,程序在Windows XP操作系统下,Visual C++ 2012环境中编译通过.
4. 网络部署和配置(Network deployment and configuration)
4.1 网络部署和拓扑图
用户A所在的网络和用户B所在的网络分别接入Internet,各自通过公有地址访问Internet上的资源,同时出于通信安全和节省论文范文的考虑,需要建立彼此之间点到点的VPN隧道,其拓扑图如图3所示.
4.2 配置命令及解析
VPN使用数据机密性、数据完整性、认证等加密技术以及隧道技术来允许企业在Internet上建立安全的端到端私有网络.数据机密性包括DES、3DES、AES对称式加密算法和RSA非对称性式加密算法,两者都可以通过Diffie-Hellman密钥交换生成对等体双方的密钥[2,8].数据完整性目前有两种常用的散列算法：HMAC-MD5和HMAC-SHA-1,HMAC-SHA-1算法更安全,但占用的资源也相对较多[2,9].认证包含两种方法：预共享密钥(Pre-Shared Key,PSK)和RSA签名,预共享密钥比较容易配置,但扩展性不是很好[10,11].现以用户A所在网络的路由器Enterprise Router 1(简称ER1)为例配置VPN并进行解析,用户B所在网络的路由器Enterprise Router 2可参考此配置,不再赘述.主要配置命令如下：
// IKE(Internet Key Exchange Protocol,Internet 密钥交换协议)配置
ER1(config)#crypto isakmp policy 1 // 建立isakmp策略
ER1(config-isakmp)#hash md5 // 哈希采用md5验证
ER1(config-isakmp)#encryption 3des // 采用3des加密
ER1(config-isakmp)#authentication pre-share // 采用预共享密钥认证方式
ER1(config)#crypto isakmp key ﹡ address ※ // ﹡代表预共享密钥,※表示对等体的路由器IP地址
ER1(config)#crypto ipsec tran论文范文orm-set ＃ ah-md5-hmac esp-des // 创建交换集,＃为交换集名称,后面两项为加密传输算法
ER1(config)#crypto map 1 ipsec-isakmp // 创建加密图 ,序号为1
ER1(config-crypto-map)#set tran论文范文orm-set ＃ // 使用创建的交换集＃
ER1(config-crypto-map)#set peer ※ // VPN隧道对端的IP地址※
ER1(config-crypto-map)#match address 101 // 创建访问控制列表ACL,确定受保护的感兴趣流.ACL的具体配置这里从略,需要说明的是VPN不能使用标准ACL,只能使用扩展ACL.
ER1(config)#interface serial 1/0
ER1(config-if)#crypto map // 加密图 与接口绑定
4.3 外网服务器配置
为了验证企业内网用户访问Internet上的资源,在WWW Server服务器中制作一个简单的web网页index.html,域名为http://www.dhalgorithm.com,如图4所示,同时使用公有IP地址202.101.172.1在DNS Server中创建与域名的对应解析,如图5所示.
5. 结果验证(Result validation)
企业内网用户A和用户B之间能相互ping通,彼此之间能通过VPN隧道进行信息交流,如图6所示.
企业内网用户A和用户B均能通过公有IP地址访问Internet上WWW Server中的web页面,如图7所示.
6. 网络影响分析(Network influence analysis)
当用户A和用户B建立通信时,双方执行IKE验证,协商加密方式,此时网络的吞吐量比较小且平稳,网络延迟降低.此后所有的数据流都将使用双方协商的加密机制进行加密,再封装于隧道包头内,用户A所在网络的VPN网关在接收到终端A发出的访问数据包时对其目标地址进行检查并封装构造一个新的VPN数据包,然后将封装后的原数据包作为VPN数据包的负载发送到Internet.用户B所在网络的VPN网关对接收到的数据包进行检查并解封装,然后将还原后的原始数据包发送至目标终端B,在终端B看来,它收到的数据包就和从终端A直接发过来的一样.从终端B返回终端A的数据包处理过程与上述相同.由于VPN技术的加密与解密、封装和解封装,在此过程会产生新的VPN数据包,使得网络吞吐量加大,网络延迟也相应增加.之后数据包发送完毕,网络吞吐量和网络延迟也缓慢下降,分别如图8和图9所示.
7. 结论(Conclusion)
VPN允许远程站点或企业分支机构使用Internet等公共互联网络的路由基础设施以安全的方式建立连接,具有节约成本、增强安全性、容易扩展、支持新兴应用等特点.Diffie-Hellman算法为VPN网络对等体双方提供加密和解密所需的密钥,以保证通信双方的数据机密性.VPN技术在企业内网中的配置较为复杂,另外由于隧道技术、数据机密性、完整性和认证等安全保障策略,导致网络吞吐量随着VPN数据包的生成而增大,网络延迟也相应增加,使得网络产生抖动,数据的传输质量也随之减低,因此提高VPN网络的应用性能是亟待解决的问题.
参考文献(References)
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作者简介：
李清平(1969-),男,本科,副教授.研究领域：计算机网络技术教学与应用.
网络安全密钥:雷倩：美国“密钥记录”行动表明 美国网络监控活动逾越法律框架[海峡新干线]
孟祥芳(1978-),女,本科,讲师.研究领域：高职教学管理.
黄莉平(1986-),女,硕士,软件设计师.研究领域：网站开发和编程.
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网络安全密钥引用文献:
[1] 大学生网络安全方面论文题目 大学生网络安全毕业论文题目怎么定
[2] 电子商务网络安全相关论文选题 电子商务网络安全论文题目选什么比较好
[3] 新颖的网络安全硕士论文选题 网络安全硕士论文题目怎么定
