基于应用密码系统的教学方法研究

韩萌　申笑晨　商显震

摘要：随着互联网的迅猛发展，人们对于信息安全的要求也越来越高。如何更加安全地对信息进行保护，如何为各种数据提供可靠的保障，这使得密码算法的研究与应用逐渐被人们所关注。《密码学》是信息安全的重要基础课程，是研究信息安全的理论基础。设计基于教学的应用密码系统，提高学生对加解密过程的理解，取得了较好的教学效果，为同行提供了一定可参考的价值。

关键词：《密码学》；应用密码系统；教学；研究

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）31-0203-03

一、引言

随着计算机通信技术的发展，用户对信息的安全储存、处理和传输的要求越来越高。尤其是随着计算机网络的大面积使用，个人通信、多媒体通信、电子邮件、网上转账系统和网上零售业务的建立与实现，数据的保护和安全问题就显得尤为重要了。而解决这一问题的有效手段之一便是现代密码技术的应用[1-3]。在本科教学中，现代密码技术的应用主要通过《密码学》等相关课程讲述信息安全的理论基础。

《密码学》作为信息安全专业以及信息与计算科学专业的重要专业基础课程，它为信息安全提供了深刻的理论依据和丰富的应用实践，是数学在信息学科中应用的典型[3-6]，并已在各大高校开设了相应的本科生课程和研究生课程。到2004年止，全国已有366所大学开办与信息安全相关的专业。但作为比较新的专业，如何建设和发展是国家教育部和各个学校一直都在探索的问题。把《密码学》作为信息安全支撑的重点课程，由于课程开设的时间较短、积累的经验较少，虽然有部分教材和教学研究论文，但其中還有许多教学问题有待研究、解决并加以实践验证。

二、应用密码系统的设计与实现

本设计用于实现应用密码系统，采用C++编程语言在Visual Studio 2010平台上进行开发。可对文本数据，进行五种方式的加密解密操作。分别为维吉尼亚密码算法、仿射密码算法、RC4密码算法、DES密码算法和AES密码算法。

本系统的用户主体为全体学习《密码学》课程的学生，通过课程中使用应用密码系统可以增加学生对加解密过程的理解。目前本系统只考虑到文本数据的加密解密，后续将继续增加图形图像和音频等数据的加密解密。

1.系统简介。本应用密码系统的总功能图如图1所示。本系统可对文本信息进行五种密码算法的加密解密，分别是仿射密码、维吉尼亚密码、RC4密码、DES密码和AES密码。

应用密码系统

本应用密码系统的主功能界面如图2所示。用户打开本软件后，可根据界面上的五个按钮选择待使用的密码算法，对文本数据进行加密解密操作。

2.系统设计。本文以仿射密码为例，介绍系统子模块的设计与现实过程。其他功能实现与此模块相类似，因此文中不一一介绍。

（1）仿射密码原理介绍。仿射密码是由加法密码和乘法密码的结合，仿射密码的加密和解密公式分别为：

c =（k *m +k ）mod n；

m =k （c -k ）mod n。

其中，密钥为 0 —n-1之间的数字对（k ，k ）。要求k 与n的最大公约数必须为1，即：gcd（k ，n）= 1。k 是k 的逆元，即：（k *k ）mod n=1。

（2）功能界面。仿射密码系统功能界面如图3所示。用户可对文本数据按仿射密码算法进行加密解密操作。

加密流程：用户可单击如下区域一的按钮载入需要加密的文本文件。原文显示在区域二中。或者直接在区域二输入需要加密的文本信息。在区域三输入密钥。单击区域四的按钮选择加密操作。加密结果显示在区域五的文本框中。单击区域六的按钮，可保存密文为文本文件。

解密流程：用户可单击区域七的按钮载入需要解密的文本文件，密文显示在区域五中。或者直接在区域五输入需要解密的文本信息。在区域三输入密钥。单击区域八的按钮选择解密操作。解密结果显示在区域二的文本框中，同样单击区域九的按钮可保存解密后的原文为文本文件。

区域六

具体加载文件时的加密操作如下图所示步骤：

第一步：单击区域一按钮，选择需要加密的文件。

第二步：需要加密的文本显示在区域二的文本框中。

第三步：在区域三输入密钥后，单击区域四的加密按钮。加密结果显示在区域五中。

第四步：单击区域六，可保存密文文件。路径和文件名都可自行选择。

保存完成后，在桌面生成密文文档，如下图所示。

具体加载文件时的解密操作如下图所示步骤：

第一步：单击区域七的按钮，选择需要解密的文件。

第二步：在区域三输入解密密钥，单击区域八的解密按钮，解密后的明文显示在区域二的文本框中。

第三步：单击区域九的按钮，保存明文。路径和文件名可自行选择输入。

保存完成后，在桌面生成明文文档2，如下图所示：

三、小结

密码学作为一个新兴学科和一个正在发展中的学科，通过贯穿教育让学生对密码学有更深的理解和扩展，而更重要的目的是将部分基础比较好、兴趣稍微浓厚的学生引入科研的大门。本文介绍了应用密码系统的设计与实现，从设计原理、算法描述和系统实现三个方面进行描述。通过将本应用密码系统应用至《密码学》课程教学中，能够有效提高学生对密码加解密过程的理解。