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Ｃｏｍｐｕｔｅｒ

Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ

ａｎｄ

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ计算机工程与应用

２００８，４４（１９）

１２９

网络考试系统加密技术研究

陈果ｌ’２

ＣＨＥＮ

Ｇｕ０１·２

１．重庆师范大学现代教育技术系，重庆４０００４７

２．重庆大学计算机学院，重庆４０００４４

１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ

ｏｆ

Ｍｏｄｅｍ

Ｅｄｕｃａｔｉｏｎａｌ

Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ

Ｎｏｒｍａｌ

Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ

４０００４７，Ｃｈｉｎａ

２．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ

ｏｆ

Ｃｏｍｐｕｔｅｒ

Ｓｃｉｅｎｃｅ

ａｎｄ

Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ

Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ

４０００４４，Ｃｈｉｎａ

Ｅ—ｍａｉｌ：ａｎｄｙｃｈｅｎｎｅｔ＠１６３。ｃｏｒｎ

ＣＨＥＮ

Ｇｕｏ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ

ｏｆ

ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ

ｉｎ

ｎｅｔｗｏｒｋ

ｔｅｓｔ

ｓｙｓｔｅｍｓ．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ

Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｌｌｇ

ａｎｄ

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２００８。４４（１９）：１２９－１３１．

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ

ｐａｐｅｒ

ｐｒｏｐｏｓｅｓ

ａ

ｓａｆｅ

ｓｃｈｅｍｅ

ｆｏｒ

ｎｅｔｗｏｒｋ

ｔｅｓｔ

ｓｙｓｔｅｍｓ

ｂａｓｅｄ

ｏｎ

ｃａｍｐｕｓ

ｎｅｔｗｏｒｋ．Ｐｕｂｌｉｃ—ｋｅｙ

ａｕｔｈｏｒｉｔｙ（ｂａｓｅｄ

ｏｎ

ＥＥＣ）．Ｋｅｙ

Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅ

Ｃｅｎｔｅｒ（ＫＤＣ）ａｎｄ’Ａｄｖａｎｃｅｄ

Ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ

Ｓｔａｎｄａｒｄ（ＡＥＳ）ａｒｅ

ａｄｏｐｔｅｄ

ｔｏｓｏｌｖｅ

ｉｄｅｎｔｉｔｙ

ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ，ｋｅｙ

ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ

ａｎｄ

ｄａｔａ

ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ

ｃａｎ

ｇｕａｒａｎｔｅｅ

ｄａｔａ

ｉｎ

ｓｅｃｒｅｔ，ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ，ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ

ａｎｄ

ｎｏｎ—ｒｅｐｕｄｉａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ

ｔｈｅ

ｗｈｏｌｅ

ｓｙｓｔｅｍ

ｉｓ

ｓａｆｅ．

Ｋｅｙ

ｗｏｒｄｓ：ｐｕｂｌｉｃ－ｋｅｙ

ａｕｔｈｏｒｉｔｙ；ＥＥＣ；Ｋｅｙ

Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅ

Ｃｅｎｔｅｒ（ＫＤＣ）；Ａｄｖａｎｃｅｄ

Ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ

Ｓｔａｎｄａｒｄ（ＡＥＳ）；Ｇａｌｏｉｓ—ｆｉｅｌｄ；ｉｎｆｏｒｍａ—

ｔｉｏｎ

ｓｅｃｕｒｉｔｙ

摘要：从信息安全的角度，运用了公钥认证（采用椭圆曲线密码算法），密钥分配中心（ＫＤＣ），和最新的高级加密标准（ＡＥＳ），根据

实际需要提出了一种新的加密方案，解决了基于校园网考试系统中各终端机身份认证，密钥分配，数据加密等问题。以上问题的解

决能够保证传输数据的机密性、完整性、可鉴定性、不可否认性，从而整个系统是安全的。

。

关键词：公钥认证；椭圆曲线密码算法；密钥分配中心；高级加密标准；伽罗华域；信息安全

ＤＯＩ：１０．３７７８／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２—８３３１．２００８．１９．０３９

文章编号：１００２—８３３１（２００８）１９—０１２９—０３

文献标识码：Ａ

中图分类号：，ＩＰ３９３

１引言

随着高校的继续扩招，学生剧增，任课教师的改卷工作量

也大幅度增加，此外还要负责计分，成绩录入，试卷装订等一系

列繁琐的工作，工作强度非常大，迫切需要一种新的考试方式

来解决这些ｌ’ｕＪ题。基于计算机网络系统的无纸化测评模式替代

传统的笔试模式，是优化教学管理提高教学质量的重要途径，

也是界定社会教育现代化程度的重要标志。在各种网络考试系

统中，基予校同网模式的考试系统是Ｉ、１前国内外最受推崇的首

选考试模式，在我国也逐渐成为一种发展趋势。与传统考试模

式相比，网络考试具有无可比拟的优越性，它可以将传统考试

过程巾的试卷组织、审定印制、传送收集、登记发放、评判归档

各个环节缩小到卜２个环节，几乎屏蔽了所有人工直接干预考

试活动的可能性，可以大大节约人力、物力与财力。

但与传统考试模式相比，网络考试渗入了更多的技术环

节，对实现安全性的途径方法提出了更高的技术要求。，所谓网

络考试系统的安全性，是指通过必要的组织环节和技术手段，

保障考试过程的流畅性，保证考试成绩的客观性和公正性。本

文通过对基于校园网考试系统的深入分析，提出了一种安全模

式，采用身份鉴别，动态密钥分配以及运用最新的高级加密标

准（ＡＥＳ），全方位的保证了各个终端机与ＷＥＢ服务器之问数

据传输的机密性、完整性、一致性和不可抵赖性。

２安全模式的设汁

基于校园网网络考试的大体网络拓扑结构如图１所示。

学生机１学生机２学生机３

图ｌ考试系统拓扑结构

它可以进一步抽象为图２所示。其中终端机可以是学生

机，教师机或管理员机。

基金项日：国家自然科学基金（ｔｈｅ

Ｎａｔｉｏｎａｌ

Ｎａｔｕｒａｌ

Ｓｃｉｅｎｃｅ

Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ

ｏｆ

ＣｈｉｎａｕｎｄｅｒＧｒａｎｔ

Ｎｏ．６０５７３０４７）；重庆市科委自然科学基金项目

（Ｎｏ．８５０３，Ｎｏ．８５０９）。

作者简介：陈果（１９８０一），男，博七研究生，主要研究领域为信息安全，智能算法。

收稿日期：２００７—０９—２８

修回日期：２００７—１２—１１

万方数据

１３０

２００８，４４（１９）

Ｃｏｍｐｕｔｅｒ

Ｅ，洒船ｅｒｆ增ａｎｄ

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ计算机工程与应用

２．１各终端机的身份鉴别及密钥分配

各终端机通过ＴＣＰ／ＩＰ协议，经校园网与Ｗｅｂ服务器交

互。在这里采用公钥认证技术来对终端机进行身份鉴别，用

ＫＤＣ（Ｋｅｙ

Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ

Ｃｅｎｔｅｒ）密钥分发中心来分配会话密钥。

把Ｗｅｂ服务器分割成身份认证服务器和考试系统服务器。身

份认征服务器主要进行消费终端的身份鉴别和密钥分配；考试

服务器进行考试相关数据处理，它与终端机传输的数据采用

ＡＥＳ加密。其结构图如图３所示。

图２考试系统抽象拓扑结构

图３

Ｗｅｂ服务器结构图

２．２考试系统通信协议

考试系统所基于的环境假设为：校园网上的通信包可被读

取，修改以及任意插入。在终端机和身份认证服务器之问采用

公开密钥体制（这里使用椭圆曲线加密）来进行身份认征和密

钥分配。一个基本的流程为：终端机在重新启动时到身份认证

服务器签到（进行认证，确定其为学生机，教师机还是管理员

机，并重新分配会话密钥）。身份认征服务器与它进行两次交互

后确定其身份，并为其分配与考ｉ武眼务器通信的会话密钥。具

体步骤描述为：

（１）终端机用身份认证服务器的公钥加密自己的ＩＤ（ｉｄｅｎ—

ｔｉｔｙ身份）号，发送给身份认证服务器，请求认’征。

（２）身份认证服务器用自己的私钥解密，并在其数据库中

查找终端机，确认为合法的ＩＤ号后，生成一个票据（包括终端

机的标识，一个时间戳及其它信息），然后分别用自己的公钥和

终端机的公钥加密，并把这两条消息发送给终端机。

（３）终端机收到后，用自己的私钥解密其中一个，并加上一

个标识，再用身份｝人汪服务器的公钥加密，然后，把这两份票据

发送给身份认证服务器。

（４）身份认证服务器分别解密这两份票据并对照，若相同，

则通过验证，并在数据库中查询确定出这台终端机为学生机，

教师机还是管理员机。并使用随机密钥生成器产生终端机与考

试服务器通信的密钥，存入本地数据库供考试服务器查用，然

后用终端机的公钥加密此密钥后发送给终端机。

（５）考试服务器和终端机就在此会话密钥下，用ＡＥＳ算法

进行数据的加解密。

２．３公开密钥算法

在进行终端机的身份认证和密钥分配时，使用了公开密钥

算法，公开密钥是这样设汁的：用作加密的密钥不同于用作解

密的密钥，而且解密密钥不能根据加密密钥计算出来（至少在

合理假定的长时问内）。之所以叫做公开密钥算法，是因为加密

密钥（公钥）能够公开，即陌生者能用加密密钥加密信息，但只

有相应的解密密钥（私钥）才能解密信息１２１。在设计的系统中采

用椭圆曲线加密算法（ＥＥＣ）。椭圆曲线跟ＲＳＡ算法比起来有

短的密钥长度和计算时间开销少等特点【３ｌ，所以非常适合考试

系统这种对时实性要求较高的系统。它基于的原理为：椭圆曲

线可以定义在任意的有限域上，主要在有限域磊（ｐ为素数）和

特征为２的有限域上。椭圆曲线密码体制的加密原理基于有限

域上椭圆曲线离散对数问题（ＥＣＤＬＰ）的闲难性。下面以定义在

奇特征域上的椭圆曲线为例，说明椭圆曲线密码体制的加密原

理。设ＧＦ（ｐ）是一个Ｐ≠２，３的奇特征有限域，定义在ｃＰ（ｐ）上

的椭圆曲线是指满足Ｗｅｉｅｍｔｒａｓｓ方程：加３＋似＋６（Ⅱ，ｂ∈Ｇ以ｐ），

且满足４ａ３＋２７ｂ：≠０）的所有解，（ｚ，Ｙ）∈ＣＦ（ｐ）％ＧＦ（ｐ）与无穷远

点Ｄ构成的非空集合。设尺是椭圆曲线Ｅ（ａ，ｂ）（ＧＦ（ｐ））上的

一个点，则Ｅ上的椭圆曲线离散对数问题为：给定一点Ｑ∈

Ｅ（ａ，ｂ）（Ｇ兀ｐ）），求解整数ｘ（ｘ∈ＣＦ（ｐ）），使ｘ＊Ｒ＝Ｑ。如果这样

的数存在，就是椭圆曲线离散对数。ｒｆＹ＿ＸＣｔ是说选取该椭圆曲线

上的一个点尺作为基点，给定一个整数Ｘ，求解ｘ＊Ｒ＝Ｑ是容易

的。但是要从Ｑ点和尺点推导出整数ｚ，则是非常困难的。，基于

椭圆曲线的密码体制操作都包含由一些椭圆曲线域参数所确

定的有限域上椭圆曲线的算术运算。通常，将有限域上椭圆曲

线域参数ｒ定义为一个六元组：扛（ｐ，ａ，ｂ，Ｇ，ｎ，ｈ

ｏ其中Ｐ，ａ，ｂ

的意义同上；Ｇ是椭圆曲线上的一个基点，Ｇ≠０，使ｎ＊Ｇ＝Ｏ的

最小正整数凡称为点Ｇ的阶，记为ｎ＝ｏｒｄ（Ｇ）。整数ｈ是余因

子，＾：把（ＧＦ（ｐ））ｍ。由以上参数可以唯一地确定一个椭圆曲

线。在ｆ１，ｎ一１】之间随机地确定一个整数ｄ，计算Ｑ－－ｄ＊Ｇ，由此就

确定了密钥对（ｄ，Ｑ），其中（ｆ是私钥，需要保密，Ｑ是公钥，可以

公开。而六元组丁也要完全公开。利用椭圆曲线进行加密通信

的过程如下。

（１）用户Ａ选定一条椭圆曲线印（口，ｂ），并取椭圆曲线上

一点，作为基点Ｇ。

（２）用户／４选择一个私有密钥ｄ，并生成公开密钥Ｑ－－ｄ＊Ｇ。

（３）用户Ａ将却（ａ，ｂ）和点Ｑ，Ｇ传给用户占。

（４）用户曰接到信息后，将待传输的明文编码到励（口，ｂ）

上一点肘，并产生一个随机整数（ｒ咖ｏ

（５）用户口计算点Ｃ１．Ｍ＋ｒ＋ｐ，ｃＦ母Ｇ。

（６）用户Ｂ将ｃ。、ｃ２ｆ擀用户Ａ。

（７）用户Ａ接到信息后，计算ｃ。卅ｔｃ２，结果就是Ｍ，因为

ｃＩ—ｄ｝Ｃ２＝Ｍ＋ｒ＊Ｑ—ｄ％（ｒ＊Ｇ）＝肘＋ｒ４ｐ—ｒ｝（ｄ％Ｇ）＝肘。在这个加密通

信中，如果有一个偷窥者日，他只能看到励（ａ，ｂ）、Ｑ、Ｇ、Ｃ。、Ｃ２

而通过Ｑ、Ｇ求ｄ或通过ｃ。、ｃ２、Ｇ求ｒ都是相当困难的。因此，

Ⅳ无法得到月、疗问传送的明文信息。

２．４高级加密标准（ＡＥＳ）

２０世纪７０年代中期由美国人开创的数据加密标准（ＤＥＳ）

成为一个世界范围内的标准已经２０多年了。由于科学技术的

不断飞速发展，由于在密码分析学领域出现了差分密码分析，

线性密码分析等一系列方法，ＤＥＳ以及它的替代算法３－ＤＥＳ

的安全性正面临严峻的挑战。美国国家标准和技术研究所

（ＮＩＳＴ）于１９９７年初发起并组织了在全世界广泛征集新的加密

标准算法的活动，２００１年最终Ｒｉｊｎｄａｅｌ算法成为２ｌ世纪新的

高级加密算法ＡＥ９”。但许多企业似乎并没有引起高度的重视，

在他们的新产品中还在使用ＤＥＳ或３－ＤＥＳ。对Ｒｉｊｎｄａｅｌ算法

进行了深入的研究，并把这种全新的算法应用到考试系统的数

据加密中来。Ｒｉｊｎｄａｅｌ是具有可变分组长度和可变密钥长度的

密钥迭代分组密码，包含了轮变换对状态的重复作用。其中迭

代轮数依赖于分组长度和密钥长度。为了实现方便和安全性的

考虑，选取分组长度和密钥长度都为固定的１２８

ｂｉｔ，轮数为１０

轮。它加密的伪代码如下。

Ｃｉｐｈｅｒ（Ｓｔａｔｅ，ＣｉｐｈｅｒＫｅｙ）

｛

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