教学目标

掌握计算机数据加密与解密 　 掌握计算机数据压缩 　 掌握计算机数据备份

教学内容

数据加密与解密 　 　     人们可以通过数据加密和数据备份来保护自己的数据。数据加密使原来清晰的数据变得晦涩难懂，以避免秘密外泄。数据备份则是保证在数据损失后，有较新的副本替换以减少损失。 数据压缩 　 　     数据压缩是通过减少计算机中所存储数据或者通信传播中数据的冗余度，达到增大数据密度，最终使数据的存储空间减少的技术。 数据备份    数据备份是把文件或数据从原来存储的位置复制到其它位置的过程。数据备份的目的是为了在发生威胁数据安全的灾害时保护数据，将数据遭受破坏的程度减少到最小。取回原来备份的数据的过程称为恢复数据。

重点/难点

计算机数据压缩和备份

数据加密与解密

数据加密源远流长，在古代的战争中，数据加密与解密主要用来保证书信的安全。在近代的历次战争中，随着对数据信息量需求的急剧扩大，数据加密应用越来越宽广，加密的手段也越来越先进。现在，数据加密在军事上的应用仍然十分广泛，而且，在全球信息化的浪潮中，数据加密在网上银行、电子商务、电子政务等领域正发挥着越来越重要的作用。当人们在ATM（自动取款机）取款时，当人们拨号上网时，当人们使用IP电话卡时，当人们使用电话银行时，当人们使用证券通时，数据加密和解密都默默地发挥作用。 　　下面是数据加密与解密中常用的几个术语。 　   ☆　明文：人和机器容易读懂和理解的信息称为明文。明文既可以是文本、数字，也可以是语音、图像、视频等其它信息形式。 　   ☆　密文：通过加密的手段，将明文变换为晦涩难懂的信息称为密文。 　   ☆　加密：将明文转变为密文的过程。 　   ☆　解密：将密文还原为明文的过程。解密是加密的逆过程。 　   ☆　密码体制：加密和解密都是通过特定的算法来实现的，该算法称为密码体制。 　   ☆　密钥：由使用密码体制的用户随机选取的，唯一能控制明文与密文转换的关键信息称为密钥。密钥通常是随机字符串。 　　在加密与解密过程中要注意一条重要原则：明文与密文的相互变换是可逆变换，存在并只存在惟一的、无误差的可逆变换。 　　根据数据加密的方式，可以将加密技术分为对称加密和非对称加密。也称为密钥加密技术和公钥加密技术。 　　1. 密钥加密技术 　　密钥加密（Secret-Key Encryption），也称为对称加密（Symmetric Encryption），加密和解密过程都使用同一密钥，通信双方都必须具备这个密钥，并保证该密钥不被泄漏。 　　在使用密钥加密技术进行通信前，双方必须先约定一个密钥，这个约定密钥的过程称为“分发密钥”。然后在通信中，发送方使用这一密钥，并采用适当的加密算法将明文加密后发送。当接受方收到密文后，采用解密算法（通常是加密算法的逆算法），并把密钥作为算法中的一个运算因子，就可以将密文转化为明文。该明文与发送方的明文一致。 　　(1) 块加密和流加密 　　根据所加密的数据形式，可以将密钥加密技术分为块加密（Block Cipher）和流加密（Stream Cipher）。 　　块加密，是指对定长的数据块进行加密，数据块之间的关系不依赖于加密过程。即当两个数据块内容相同时，无论加密过程中的顺序怎样，得到的密文也完全相同。 　　流加密，是指数据流的加密，加密过程带有反馈性，即前一字节加密的结果作为后一字节加密的密钥。当两个数据块内容相同时，只要加密过程中的顺序不同，得到的密文就有所不同。可见，流加密方式具有更强的安全性。 　　(2) 替代密码和换位密码 　　密钥加密技术从本质上讲是使用替代密码和换位密码进行加密的。 　　替代密码是指明文中每一个字符被密文中另一个字符所替代。接收者对密文进行逆替换就能得出明文。 　　例如：英文中的26个字母中，隔3个字母进行替代，即e代表a，f代表b，g代表c，…，a代表w，b代表x，c代表y，d代表z。那么明文“computer”可变换为“gsqtyxiv”, “gsqtyxiv”是无意义的字串，不说规则，别人就不知道是什么意思。如果接受方收到字串，只要进行逆替换，就可以得到“computer”了。 　　替代密码有简单替代密码（单字母密码）、多明码替代密码、多字母替代密码、多表替代密码等。上述例子就是最简单的简单替代密码，这种简单替代密码的安全性较差，因为它没有隐藏起英文字母的出现频率，而英文字母出现频率是特定的。比如，字母e出现的频率最高，大约为12.7％。所以，如果用简单替代密码传送大量的英文文本，就容易被被别人破解。 　　换位密码不隐藏原来明文中的字符，它只是按照一定的密钥将明文中的字符打乱，从而达到保密的效果。在一种纵行换位密码中，明文以固定宽度写在纸上，然后按竖直方向读出的字串为密文。解密时，密文按n行排列（n＝总字符÷固定宽度，取整数，只入不舍。当n正好是整除得到时，每行都有n个字符；当n不是正好整除得到时，前m行有n个字符，其余的行有n-1个字符，m为除法结果中纯小数部分用分数表示时的分子）。垂直读取就得到明文。 　　(3) 数据加密标准DES 　　数据加密标准DES（Data Encryption Standard）是美国国家标准研究所制定的数据加密算法。1973年和1974年美国联邦注册大会上美国国家标准局（NBS）两次公开征集标准密码算法，候选算法是从国际商用机器（IBM）公司1970初开发出的一个叫Lucifer的算法发展起来的算法。1976年11月23日，DES被采纳作为美国联邦的一个标准，并授权在非密级政府通信中使用。 　　DES是分组算法的一种，是一种对称算法。DES算法以64位为分组对数据进行加密。64位为一组的明文从算法的一端输入，另一端输出64位一组的密文。DES加密和解密使用同一种算法，但是加密和解密时的密钥并不相同。 　　尽管DES以64位为分组，但是密钥的长度只有56位，这是因为每字节的第8位通常用作奇偶校验位。DES算法的细节都是公开的，所以用DES加密时，安全性依赖于密钥。 　　分组加密算法，以64-位为分组，为一对称算法，加密和解密用的是同一种算法，但加密和解密时所采用的密钥并不相同 　　DES采用的运算只用到标准的算术和逻辑运算。DES是混乱和扩散的组合，一次加密或解密总共有16轮，也就是要完成一次加密（解密）过程，必须在明文（密文）分组上实施16次相同的组合技术。 　　DES的安全性长期受到人们的怀疑，因为它对密钥依赖性很强，而且美国国家安全局（NSA）曾对算法进行过改动。随着计算机技术的发展，56位长的密钥对于保密价值高的数据不够安全。有专家在1993年声称DES的寿命将在20世纪90年代末期结束，然而，现在该标准仍然被广泛使用。 　　2. 公钥加密技术 　　非对称加密技术中，公开密钥密码技术是较为成熟的一种。1976年，美国密码学家Diffie和Helleman提出了公钥密码加密的基本思想，这是密码学上重要的里程碑。这一思想的主要内容为：在不降低保密的基础上，在采用加密技术进行通信的过程中，不仅加密算法本身可以公开，甚至加密用的密钥也可以公开。 　　使用公钥密码体制对数据进行加密与解密时，使用一个密码对，其中一个用来加密，称为加密密钥，又称公钥；另一个用于解密，称为解密密钥，又称私钥。公钥和私钥在数学上相互关联。公钥可以对外界公开，而私钥自己保管，必须严格保密。 　　(1) 公钥加密的通讯过程 　　这里以一个例子说明公钥加密的通讯过程：假设张三想要从李四处接收资料，在采用公钥加密体制时，张三用某种算法产生一对公钥和私钥。然后把公钥公开发布，李四得到公钥后，把资料加密，传送给张三。张三用自己的私钥解密，得到明文。 　　(2) RSA算法描述 　　在许多符合这种思想的算法中，RSA算法是第一个成熟的，理论上最成功的公钥加密算法，基于数论中的大数分解的难度。其公开密钥和私人密钥是一对100位以上的十进制的大素数的函数。从一个公开密钥和密文中恢复出明文的难度等价于分解两个大素数之积。而分解两个大素数之积的问题又称为大数的因式分解问题，是数论中古老的难题，目前还没有解答出来。其安全性是较高的。 　　RSA算法：选取两个长度相同的大素数p和q。计算n＝pq，随机选取公钥e，使得e和(p-1)(q-1)互素。根据d = e-1 (mod((p-1)(q-1)))计算出d。注意d和e也互素，e和n是公钥，d是私钥。两个大素数p和q不再需要，可以被丢弃，但是不能泄漏。RSA算法可以用表6.3概括。 　　3. 密钥加密技术和公钥加密技术的比较

数据压缩

数据压缩是通过减少计算机中所存储数据或者通信传播中数据的冗余度，达到增大数据密度，最终使数据的存储空间减少的技术。 　　数据压缩在文件存储和分布式系统领域有着十分广泛的应用。数据压缩也代表着尺寸媒介容量的增大和网络带宽的扩展。 　　数据压缩就是将字符串的一种表示方式转换为另一种表示方式，新的表示方式包含相同的信息量，但是长度比原来的方式尽可能的短。 　　1. 数据压缩与编码 　　数据压缩跟编码技术联系紧密，压缩的实质就是根据数据的内在联系将数据从一种编码映射为另一种编码。压缩前的数据要被划分为一个一个的基本单元。基本单元既可以是单个字符，也可以是多个字符组成的字符串。称这些基本单元为源消息，所有的源消息构成源消息集。源消息集映射的结果为码字集。可见，压缩前的数据是源消息序列，压缩后的数据是码字序列。 　　若定义块为固定长度的字符或字符串，可变长为长度可变的字符或字符串，则编码可分为块到块编码、块到可变长编码、可变长到块编码、可变长到可变长编码等。应用最广泛的ASCII编码就是块到块编码。 　　2. 数据压缩的分类 　　数据压缩按照映射是否固定可分为静态数据压缩和动态数据压缩。静态数据压缩是指压缩前源消息集到码字集之间的映射是固定的，出现在被压缩数据中的源消息每次都被映射为同一码字。动态数据压缩是指源消息集到码字集的映射会随着压缩进度的变化而变化。静态压缩编码需要两步，先计算出源消息出现的频率，确定源消息到码字之间的映射；然后完成映射。动态数据压缩则只需一步就能完成，它在压缩过程中只对源消息集扫描一次。有些数据压缩算法是混合型的，综合应用了静态数据压缩和动态数据压缩技术。 　　3. 评价数据压缩的标准 　　从实际应用来说，数据压缩可从两方面来衡量：数据压缩速度和数据压缩率。当数据压缩应用于网络传输时，主要考虑速度快慢；当数据压缩应用于数据存储中，主要考虑压缩率，即压缩后数据的大小。当然这两方面是相辅相成的。 　　常用的评价标准有冗余度、平均源信息长度、压缩率等。对于一种编码方式是否为较好的编码，主要看该编码的冗余度是否最小。 　　4. 常见的数据压缩工具 　　现在操作简单，使用方便，功能强大的数据压缩工具有很多。最常见的是WinZip和WinRAR。

数据备份

数据压缩通过减少数据的冗余度来减少数据在存储介质上的存储空间，而数据备份则通过增加数据的冗余度来达到保护数据安全的目的。两者在实际应用中常常结合起来使用。通常将要备份的数据进行压缩处理，然后将压缩后的数据用备份进行保护。当需要恢复数据时，先将备份数据恢复，再解压缩。 　　由于计算机中的数据十分宝贵又比较脆弱，数据备份无论对国家、企业和个人来说都非常重要。数据备份能在较短的时间内用很小的代价，将有价值的数据存放到与初始创建的存储位置相异的地方；当数据被破坏时，用较短的时间和较小的花费将数据全部恢复或部分恢复。 　　1. 对备份系统的要求 　　不同的应用环境有不同的备份需求，一般来说，备份系统应该有以下特性。 　  ☆　稳定性：备份系统本身要很稳定和可靠。 　  ☆　兼容性：备份系统要能支持各种操作系统、数据库和典型应用软件。 　  ☆　自动化：备份系统要有自动备份功能，并且要有日志记录。 　  ☆　高性能：备份的效率要高，速度要尽可能的快。 　  ☆　操作简单：以适应不同层次的工作人员的要求，减轻工作人员负担。 　  ☆　实时性：对于某些不能停机备份的数据，要可以实时备份，以确保数据正确。 　  ☆　容错性：若有可能，最好有多个备份，确保数据安全可靠。 　　2. 数据备份的种类 　　数据备份按所备份数据的特点可分为完全备份、增量备份和系统备份。 　　完全备份是指对指定位置的所有数据都备份，它占用较大的空间，备份过程的时间也较长。增量备份是指数据有变化时对变化的部分进行备份，它占用空间小，时间短。完全备份一般在系统第一次使用时进行，而增量备份则经常进行。系统备份是指对整个系统进行备份。它一般定期进行，占用空间较大，时间较长。 　　3. 数据备份的常用方法 　　数据备份根据使用的存储介质种类可分为软盘备份、磁带备份、光盘备份、优盘备份、移动硬盘备份、本机多个硬盘备份和网络备份。用户可以根据数据大小和存储介质的大小是否匹配进行选择。 　　数据备份是被动的保护数据的方法，用户应根据不同的应用环境来选择备份系统、备份设备和备份策略。