数据加密技术在计算机网络通信安全中的应用研究

摘要：在计算机网络通信安全领域，数据加密技术的应用研究一直是关注的焦点。通过采用先进的加密算法和协议，数据加密技术在公共网络中发挥着至关重要的作用，确保信息传输的机密性和完整性。深入分析加密算法的选择、密钥管理、身份验证、隧道建立等问题，为构建安全、可信任的网络通信提供了保障。密钥的有效管理和加密算法强度是数据加密技术研究的核心，保证密钥的生成、存储和更新的安全性，以及及时适应密码分析技术的发展，是实现长期数据安全的重要方面。同时，数据加密技术的研究不仅仅关注传统的网络通信，还需要适应新兴技术和应用场景的挑战，如物联网、边缘计算等。未来数据加密技术需要不断创新，通过更为强大的密钥管理机制为人们提供更好的网络通信安全服务。

关键词：数据加密；加密技术；计算机网络；网络通信；通信安全

一、引言

目前计算机网络通信在人们日常生活和商业活动中扮演着越来越重要的角色，网络通信中的数据往往需要在开放性环境中传输，因此容易受到窃听、篡改和恶意攻击。数据加密技术通过对传输中的信息进行转换和编码，使得未经授权的访问者难以理解和篡改通信内容，这种技术既能应用于局域网内的通信，也广泛应用于互联网上的数据传输。加密技术的广泛应用为用户提供了更加安全和可靠的网络通信环境，保护了个人隐私、商业机密以及国家安全。本文深入探讨数据加密技术在计算机网络通信安全中的应用[1]。通过对加密原理、基础算法的分析，全面了解数据加密技术在应对通信安全挑战中的作用。

二、计算机网络通信安全挑战

（一）数据窃听和篡改的风险

在计算机网络通信安全中，数据窃听和篡改的风险对于通信机密性和完整性会造成严重威胁。攻击者通过窃听网络通信，获取到用户的敏感信息，例如登录凭据、信用卡信息、个人身份证明等。截获电子邮件、即时消息、文件传输等关键通信内容，导致隐私泄露。在窃听通信后，攻击者利用获取到的个人身份信息，篡改在线交易中的支付信息，导致资金被转移到不同的账户或修改购买的商品价格[2]。篡改通信内容，导致误导性的信息传递，损害通信的真实性和可信度。在文件传输过程中，攻击者也很有可能篡改文件内容，引入恶意代码、虚假信息或破坏文件完整性，并将恶意软件注入用户设备中，以实施进一步的攻击。

（二）恶意攻击和网络威胁

近年来，病毒、蠕虫、木马等恶意软件种类越来越多，可以通过感染计算机系统来窃取信息、损坏数据，甚至危及整个网络的安全。在攻击过程中，攻击者会伪装成可信任实体，通过欺骗、诱导、迷惑等手段，获取用户的敏感信息，诱导用户提供敏感信息。例如用户名、密码、信用卡信息等，通过发送大量请求，使目标系统或网络不可用，导致服务中断。攻击者善于寻找并利用软件或系统中的漏洞，通过这些漏洞进入系统，执行恶意操作，对无线网络进行攻击。例如窃听、伪造Wi-Fi热点、拒绝服务等。IoT设备的普及增加了网络攻击面，攻击者会利用弱点攻击连接的设备，造成不安全的后果。

三、数据加密基础

（一）加密算法和密钥管理

加密算法和密钥管理共同确保在计算机网络通信中实现数据的机密性和安全性。在对称加密中，同一个密钥被用于加密和解密数据，常见的对称加密算法有DES算法和、AES算法。非对称加密使用一对密钥，即公钥和私钥，数据被公钥加密后只能使用相应的私钥解密，非对称加密算法用于密钥协商和数字签名。哈希函数是一种单向函数，它将输入数据映射为固定长度的哈希值，常用于数据完整性验证和数字签名[3]。

在对称加密中，需要生成并分发密钥。密钥生成应该是随机的，且足够强大，以防止被猜测或破解。对称密钥需要在通信双方之间安全地传递。密钥的安全分发是关键的一环，如果密钥在传输过程中被攻击者截获，整个加密系统的安全性都会受到威胁，公钥加密通常用于在不安全的通信通道上安全地传递对称密钥。密钥的轮换和定期更换能够增加系统的安全性，确保密钥存储在安全的环境中，只有授权的实体能够访问。在某些情况下，需要能够迅速撤销失效的密钥，防止被泄露或滥用。综合考虑加密算法和密钥管理，可以建立一个强大的加密系统，确保计算机网络通信的机密性和安全性，这对于保护敏感数据、防范网络攻击和确保隐私至关重要。

（二）散列函数和数字签名

散列函数是一种单向函数，将任意长度的输入数据转换为固定长度的输出，通常称为哈希值，其主要作用是验证数据的完整性。散列函数主要用于验证数据完整性、密码存储和数字签名等方面，发送方在传输数据之前使用散列函数生成数据的哈希值，并将哈希值附加到传输的数据中，接收方收到数据后，再次应用散列函数生成哈希值，并与接收到的哈希值进行比较，如果哈希值一致，说明数据在传输过程中没有被篡改。在存储用户密码时，通常不会直接存储明文密码，而是存储其散列值[4]。当用户登录时，系统将输入的密码进行散列并与存储的散列值进行比较，而不是直接比较明文密码。散列函数也用于数字签名中，确保签名的数据在传输过程中未被篡改。数字签名是一种用于确保数据的完整性、身份验证和不可否认性的技术，它使用非对称加密算法结合散列函数实现。数字签名主要身份验证和完整性验证，数字签名可以确保接收方知道数据的确切来源，只有使用私钥的一方才能生成与其公钥匹配的数字签名，因此数字签名可以用于验证数据的来源。数字签名只能由私钥持有者生成，私钥持有者不能否认与其相关联的数字签名。数字签名结合散列函数用于验证数据的完整性，发送方使用私钥对数据的散列值进行签名，接收方使用发送方的公钥验证签名，如果签名验证成功，说明数据未被篡改。散列函数和数字签名在数据加密中的应用有助于确保数据的完整性、身份验证和防止否认，这些技术在网络通信、电子商务和信息安全领域中广泛应用，为数据传输和存储提供了强大的安全性保障。

（三）密钥生成与交换机制

在对称密钥算法中，通信双方共享同一把密钥，该密钥用于加密和解密，通信双方需要生成一个相同的随机密钥，确保双方在交换密钥的过程中，不会被攻击者截获或篡改。使用一对密钥，分别是公钥和私钥。公钥用于加密，私钥用于解密，通信双方各自生成一对公私钥，公钥可以公开分享，而私钥必须保密，通信双方可以通过公钥加密的方式，安全地交换彼此的公钥，一旦对方收到公钥，就可以使用它来加密要发送的信息，而只有拥有相应私钥的一方才能解密有时候，加密系统会采用混合密钥机制，结合对称密钥和非对称密钥的优势。例如，使用非对称密钥进行初始的安全密钥交换，然后在通信过程中使用对称密钥加密实际的数据。密钥管理是确保密钥在传输和存储过程中安全的关键，这包括密钥生成、分发、存储、更新和撤销，密钥管理涉及建立安全的密钥管理系统，防止密钥泄漏或被攻击者滥用。

四、数据加密技术在计算机网络通信安全中的应用

（一）SSL/TLS协议在Web通信中的应用

数据加密技术在计算机网络通信安全中起到关键作用，它可以保护数据在传输过程中不被未经授权的人访问或篡改。SSL（Secure Sockets Layer）和其后继者TLS（Transport Layer Security）是常用的加密协议，它们用于在Web通信中建立安全的加密通道。SSL/TLS协议在Web通信中的应用主要体现在握手过程，客户端向服务器发送一个Hello消息，其中包含支持的SSL/TLS版本、加密算法、压缩方法等信息，服务器选择与客户端相匹配的SSL/TLS版本，加密算法，然后向客户端发送Hello消息，通过使用非对称加密算法，服务器将一个公钥发送给客户端，以便客户端后续使用该公钥加密数据，服务器发送数字证书，客户端验证证书的有效性，确保与预期的服务器通信。客户端生成Pre-Master Secret，并使用服务器的公钥进行加密，然后将其发送给服务器，服务器使用其私钥解密客户端发送的Pre-Master Secret，双方使用客户端和服务器的Pre-Master Secret共同生成Master Secret[5]。双方使用Master Secret通过密钥派生函数生成用于对称加密密钥，通过协商好的对称加密算法和密钥对通信进行加密，确保数据的保密性，使用协商好的MAC算法和密钥对数据进行认证，确保数据的完整性。通过这一握手过程和密钥交换，SSL/TLS协议通过身份验证、密钥交换、数据加密和认证确保了安全通信，这种加密通道的建立保护了在Web通信中传输的敏感信息，如登录凭证、个人数据等，充分应对了网络通信中的安全挑战。

（二）VPN技术和加密隧道的实现

VPN技术通过在公共网络上创建一个加密的隧道，使得通过该隧道传输的数据能够安全、保密地传输。这样，用户可以在公共网络上安全地传输敏感信息，同时实现远程访问、隐私保护等功能。VPN可以使用多种协议来建立安全的隧道，提供网络层的安全信息，支持加密、身份验证和完整性保护。将L2TP和IPsec结合使用，提供更安全的通信。VPN连接通常要求用户进行身份验证，以确保只有授权用户能够访问网络资源，在建立VPN连接之前，通过协商、使用预共享密钥或进行公钥加密等方式进行密钥交换，确保双方都拥有相同的密钥用于加密和解密数据。VPN客户端和服务器之间的通信需要先建立一个隧道，通常使用隧道协议进行，例如握手、密钥交换和建立安全连接的步骤。一旦隧道建立，数据在传输过程中需要加密以确保机密性。通过IPsec等协议使用对称加密算法，如AES来对通信进行加密。为了防止数据在传输过程中被篡改，VPN使用完整性保护机制，通常通过使用MAC来实现。VPN隧道需要持续维护，以确保连接的稳定性和安全性，分析监控连接状态、重新协商密钥、处理断开连接等。VPN通过分流或修改路由表，将特定流量通过加密隧道传输，而其他流量直接访问公共网络。通过这些步骤，VPN技术和加密隧道能够提供安全的网络通信，使得用户能够在公共网络上访问私有网络资源，同时保护数据的隐私和完整性。

（三）数据库加密保护敏感信息

数据库加密是一种常见的数据安全措施，用于保护敏感信息免受未经授权的访问。引用数据库加密算法后，即使数据库被攻破，攻击者也难以获取可读的敏感数据。对数据库表中的特定列进行加密，而不是对整个数据库进行加密，对敏感数据进行有选择性的加密，同时保持其他非敏感数据的可用性。整个数据库的数据文件都被加密，这包括数据、日志文件等。TDE在数据库引擎级别进行操作，对应用程序而言是透明的，而且不需要对现有应用程序进行修改。通过使用加密算法（如AES）和适当的密钥管理在应用程序层面对敏感数据进行加密，确保数据在传输过程中和存储时都是加密的。有效的密钥管理是数据库加密的核心，设置细粒度的访问控制，限制对敏感数据的访问，只有经过授权的用户或应用程序才能够解密和访问加密的数据。定期审计数据库的访问和操作，监控异常活动，如果发现异常或可疑的行为，可以及时采取措施保护敏感信息。一些先进的数据库加密技术支持在加密的数据上进行搜索操作，而不需要先解密，这有助于维持数据库功能的同时保护敏感信息。选择安全的加密算法，例如AES，确保对抗现代密码分析技术。定期评估加密算法的强度，并在需要时进行升级。使用安全的传输协议，如TLS/SSL，确保在数据库和应用程序之间的通信是加密的，防止在传输中被窃听或篡改。综合使用这些数据库加密技术和方法，可以有效地保护敏感信息，提高数据库系统的整体安全性，同时，密钥管理和合适的访问控制也是保障数据库加密有效性的关键要素。

五、结束语

在计算机网络通信安全中，数据加密技术的应用是保障信息传输安全和隐私的关键步骤。通过使用先进的加密算法和协议，能够在公共网络上实现安全、可靠的通信，有效地防范各种恶意攻击和网络威胁。数据加密技术不仅仅是一种技术手段，更是信息社会中对隐私和数据完整性的一种坚定承诺，它为用户和组织提供了强大的安全保障，使得在全球范围内进行信息交流和业务操作成为可能。在数据加密技术的应用研究中，不仅要关注加密算法的强度和效率，还需要考虑密钥管理、身份验证、隧道建立等方面的综合性问题。密钥的安全性、适时地更新，以及对各种攻击手段的防范措施，都是保持加密系统长期稳定的重要因素。总之，数据加密技术的应用是网络通信安全不可或缺的一环，为人们构建安全可信的数字世界提供了坚实的基础。通过持续的研究和创新，能够不断提高网络通信的安全水平，为用户提供更安心、更便捷的数字化体验。

作者单位：闫利军 北京市消防救援总队西城区消防救援支队

参考文献

[1]于继华.数据加密技术在计算机网络通信安全中的应用[J].无线互联科技， 2022， 19（17）：101-103.

[2]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，（07）：22-23.

[3]刘仁和.数据加密技术在计算机网络安全中的应用价值[J].移动信息， 2023， 45（09）：135-138.

[4]陈新来，李涛.基于雾计算的地理社交网络多级聚合方案[J].计算机工程与设计， 2022， 43（07）：1832-1838.

[5]陆治向.数据加密技术在计算机网络通信安全中的应用[J].小小说月刊（下半月）， 2022，（08）：95-97.