改進(jìn)的AES算法在智慧住區(qū)門戶中的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)①

謝秀穎 ,王 敏 ,王少林 ,唐 威

1(讓東建筑大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院,濟(jì)南 250101)2(讓東建筑大學(xué) 讓東省智能建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,濟(jì)南 250101)

改進(jìn)的AES算法在智慧住區(qū)門戶中的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)①

謝秀穎1,2,王 敏2,王少林1,2,唐 威2

1(讓東建筑大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院,濟(jì)南 250101)2(讓東建筑大學(xué) 讓東省智能建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,濟(jì)南 250101)

智慧住區(qū)信息門戶系統(tǒng)中包含著大量及涉及居民生命財(cái)產(chǎn)安全的敏感數(shù)據(jù),為了保證這些數(shù)據(jù)的保密性,采用優(yōu)化的AES加密算法對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行加密,在保證數(shù)據(jù)安全的同時(shí),減少了加密時(shí)間,從而減少了通信延時(shí),提高了系統(tǒng)的性能.分析了高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)AES的原理和加解密流程,針對(duì)AES算法加解密過(guò)程耗時(shí)相差較大的問(wèn)題,在列混合和逆列混合運(yùn)算時(shí)采用有限域GF(2^8)上最簡(jiǎn)形式的矩陣,減少了解密過(guò)程的運(yùn)算量,使加解密過(guò)程耗時(shí)差減少了.在此基礎(chǔ)上對(duì)加解密過(guò)程進(jìn)行了合并優(yōu)化,在保證加密速度的同時(shí),減少了算法所占用的存儲(chǔ)空間.在Visual Studio 2010平臺(tái)上,使用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了幾種AES優(yōu)化算法在智能家居中的應(yīng)用,結(jié)果顯示,所提的優(yōu)化算法有較高的執(zhí)行效率,并占較少的存儲(chǔ)空間.

智慧住區(qū); AES 算法; 加解密時(shí)差; 最簡(jiǎn)矩陣; 合并優(yōu)化

隨著人們物質(zhì)生活水平的提高,物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)的發(fā)展,智慧地球、智慧城市和智慧住區(qū)等概念先后被提出,旨在為人民提供更加安全、舒適、便捷的服務(wù)[1].智慧住區(qū)是智慧城市和智慧地球建設(shè)的基礎(chǔ),是集城市管理、公共服務(wù)、社會(huì)服務(wù)、居民自治和互助服務(wù)于一體的新技術(shù)的應(yīng)用[2].智慧住區(qū)是新形勢(shì)下住區(qū)服務(wù)管理創(chuàng)新的一種新模式,為住區(qū)居民提供現(xiàn)代化、智慧化的生活環(huán)境,從而形成基于智能化、信息化社會(huì)服務(wù)與管理的一種全新的住區(qū)[3].

智慧住區(qū)信息門戶是基于Web的一種應(yīng)用程序或信息平臺(tái),可以整合區(qū)域人、地、物、情、事、組織和房屋等信息,統(tǒng)籌公共管理、公共服務(wù)和商業(yè)服務(wù)等資源[4],通過(guò)單一的訪問(wèn)入口,能夠?yàn)殚T戶內(nèi)部和外部的用戶提供個(gè)性化服務(wù),方便用戶在不同時(shí)間地點(diǎn)獲得其所需的信息和服務(wù),從而提升住區(qū)治理和管理現(xiàn)代化,促進(jìn)公共服務(wù)和便民利民服務(wù)智能化.智慧住區(qū)信息門戶提供智能家居、智慧物業(yè)、智慧醫(yī)療等應(yīng)用,涉及有關(guān)居民的各種敏感私密信息,一旦泄露,將嚴(yán)重威脅居民的生命財(cái)產(chǎn)安全.如何保證這些信息在信息門戶系統(tǒng)中安全,是智慧住區(qū)信息建設(shè)中不能避免的問(wèn)題.而數(shù)據(jù)加密就是這樣一種技術(shù),對(duì)敏感信息進(jìn)行加密,實(shí)現(xiàn)信息隱藏,為敏感信息提供了從發(fā)送者到接收者之間最安全的傳輸方式,保證了這些敏感信息對(duì)接收者以外的人是不可讀的[5].

數(shù)據(jù)加密又分為對(duì)稱加密和不對(duì)稱加密,由于對(duì)稱加密技術(shù)加解密速度快而得到廣泛應(yīng)用.傳統(tǒng)的對(duì)稱加密技術(shù)DES密鑰長(zhǎng)度較短,其安全性已不能滿足分布式開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)對(duì)信息安全的要求,于是美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所(National institute of standards and technology,簡(jiǎn)稱ANSI)在1997年發(fā)起了征集AES(Advanced encryption standard,簡(jiǎn)稱 AES)的活動(dòng),尋找一種新的對(duì)稱加密算法替代當(dāng)前使用的DES加密算法.AES要求候選加密算法的明文分組長(zhǎng)度為128 bits,密鑰長(zhǎng)度為 128、192 或者 256 bits[6].經(jīng)過(guò) 3 年多的討論,Rijndae 脫穎而出,NIST 于 2000 年宣布Rijndael將作為新的AES,AES的相關(guān)參數(shù)如表1所示,Nk的值為密鑰的位數(shù)除以32.

表1 AES 參數(shù)表

1 AES 算法研究現(xiàn)狀

AES(Advanced encryption standerd,高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn))是美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所在2001年發(fā)布的一種迭代對(duì)稱分組密碼算法,旨在取代DES成為廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn).從此,AES的軟硬件實(shí)現(xiàn)受到了前所未有的關(guān)注[7].不同于它的前任標(biāo)準(zhǔn) DES,Rijndael使用的是代換-置換網(wǎng)絡(luò),而非 Feistel架構(gòu),具有高安全性.在軟件實(shí)現(xiàn)中,算法的執(zhí)行速度和占用內(nèi)存的大小是是衡量AES軟件實(shí)現(xiàn)方式優(yōu)劣的重要因素.因此,很多人提出了對(duì)AES不同方面的優(yōu)化.如Santa Clara大學(xué)的Edward Schaefer教授和他的學(xué)生開(kāi)發(fā)出來(lái)的S-AES[8],該算法使用明文、密鑰和密文均為16 bits,加密輪數(shù)為2,簡(jiǎn)化了AES算法.文獻(xiàn)[9]針對(duì)AES算法的解密過(guò)程比加解密過(guò)程耗時(shí)長(zhǎng)的問(wèn)題,分析了加解密過(guò)程耗時(shí)不對(duì)等的原因,對(duì)列混合矩陣進(jìn)行了改進(jìn),減少了解密運(yùn)算的時(shí)間.文獻(xiàn)[10]對(duì)AES算法在matlab中進(jìn)行了編程實(shí)現(xiàn),采用2張256 Bytes的表格分別存儲(chǔ)S盒和逆S盒的數(shù)據(jù),雖然該方法占用的內(nèi)存小,但是實(shí)現(xiàn)過(guò)程復(fù)雜,加密速度慢.文獻(xiàn)[11]提出采用事先計(jì)算好的8張256個(gè)4 Bytes表,通過(guò)簡(jiǎn)單的查表操作和異或運(yùn)算實(shí)現(xiàn)輪變換過(guò)程,提高了加解密的速度.但是這種方法需要8 KB的內(nèi)存空間,在一些資源受限的情況下,這種方法并不實(shí)用.文獻(xiàn)[12]又提出了使用8張256 Byets的表,利用表格復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn) AES 算法,使用的存儲(chǔ)空間減少了 6 KB,當(dāng)分組為 128 bits 時(shí),執(zhí)行效率相差不大.文獻(xiàn)[13]對(duì)加解密過(guò)程進(jìn)行了合并優(yōu)化,并在文獻(xiàn)[12]的基礎(chǔ)上做了輕量化,采用6張256 Bytes的表(加密過(guò)程 2 張,解密過(guò)程使用 4 張),在保證算法執(zhí)行速度的同時(shí),一定程度上減少了所需內(nèi)存,但是其解密運(yùn)算的操做量比加密運(yùn)算的操作量大了很多,算法的性能仍有待提高,不適用于某些要求較高的場(chǎng)合.本文將在文獻(xiàn)[13]的基礎(chǔ)上,采用文獻(xiàn)[9]所提出的矩陣對(duì)AES-128進(jìn)行優(yōu)化,對(duì)于矩陣變換過(guò)程,采用有限域上的最簡(jiǎn)矩陣代替原始矩陣,減少了解密過(guò)程的運(yùn)算量,解決了加密耗時(shí)不對(duì)稱的問(wèn)題,提高了算法的運(yùn)行速度,然后對(duì)算法進(jìn)行輕量化,減少了算法實(shí)現(xiàn)所占的內(nèi)存,提高了算法的性能,使之適用于某些要求較高的場(chǎng)合.最后以智能家居中數(shù)據(jù)的加密為例進(jìn)行說(shuō)明,采用優(yōu)化的加密算法對(duì)數(shù)據(jù)加密,與文獻(xiàn)[13]所采用的方法相比,算法所占的內(nèi)存減少了37.5%,加密速度快了14.5%,解密速度快了11.3%.

2 AES 算法的理論背景

AES是標(biāo)準(zhǔn)的分組加密算法,應(yīng)用范圍廣泛.算法主要由密鑰擴(kuò)展、數(shù)據(jù)加密和數(shù)據(jù)解密三大塊構(gòu)成.算法的加密過(guò)程由字節(jié)替代、行移位、列混淆和輪密鑰加四種變換構(gòu)成,解密過(guò)程由相應(yīng)的逆變換構(gòu)成.這些所有的操作都是在一個(gè)4×4的二維字節(jié)矩陣上以字節(jié)位最小單位進(jìn)行的,這個(gè)矩陣又稱為狀態(tài)矩陣(State),矩陣中的每一個(gè)元素是一個(gè)1字節(jié)的十六進(jìn)制數(shù).

2.1 密鑰擴(kuò)展

密鑰擴(kuò)展過(guò)程如圖1(a)所示,將輸入的一個(gè)128 bits的密鑰擴(kuò)展成44個(gè)字組成的擴(kuò)展密鑰數(shù)組w[i](一維線型數(shù)組),為加解密過(guò)程提供輪密鑰.輸入密鑰直接構(gòu)成了擴(kuò)展密鑰數(shù)組的前16個(gè)字節(jié),然后每次使用4個(gè)新的字填充余下部分,每一個(gè)新增的字由它前面一個(gè)字和前面第四個(gè)字進(jìn)行異或操作得到,當(dāng)w數(shù)組中的元素的下表為四的倍數(shù)時(shí),它由前面一字節(jié)經(jīng)過(guò)g變換然后和前面第四個(gè)字進(jìn)行異或操作得到.g變換的過(guò)程如圖1(b)所示,包括一下三種變換:

(1)循環(huán)移位:將輸入的 4 個(gè)字節(jié)(一個(gè)字)向右循環(huán)移動(dòng)移位.

(2)字節(jié)替代:對(duì)對(duì)步驟(1)處理過(guò)的每個(gè)字節(jié)進(jìn)行S盒字節(jié)替代.

(3)將步驟(2)的結(jié)果與常量 RC[j]相異或,RC={0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20,0x40,0x80,0x1b,0x36},下標(biāo) j對(duì)應(yīng)相應(yīng)的加密輪數(shù).

圖1 密鑰擴(kuò)展示意圖

2.2 數(shù)據(jù)加解密

加解密過(guò)程如圖2所示,由字節(jié)代替、行移位、列混淆和輪密鑰加四種基本變換構(gòu)成; 對(duì)于加密過(guò)程,算法由輪密鑰加變換開(kāi)始,經(jīng)過(guò)10輪迭代運(yùn)算,生成生成相應(yīng)的密文,前9輪運(yùn)算由四種基本變換構(gòu)成,最后一輪僅進(jìn)行字節(jié)替代、行移位和輪密鑰行移位和輪密鑰加三種操作.解密過(guò)程和加密過(guò)程相似,只是將加密過(guò)程中的操作用相應(yīng)的逆運(yùn)算代替.

圖2 AES 加密流程圖

(1)字節(jié)代替:分正向字節(jié)替代(SB)和逆向字節(jié)替代(ISB)是一個(gè)簡(jiǎn)單的查表操作,加密時(shí)用S盒,解密時(shí)使用逆S盒,用表示正向字節(jié)替代變換,用表示逆向字節(jié)代替,S盒和逆S盒的生成見(jiàn)文獻(xiàn)[11].

(2)行移位:分正向行移位和逆向行移位,兩種移位中狀態(tài)矩陣的第一行均保持不變,對(duì)于正向行移位,第二行向左循環(huán)移動(dòng)一位,第三行向左循環(huán)移動(dòng)兩位,第四行向左循環(huán)移動(dòng)三位,對(duì)于逆向行移位每一行移動(dòng)的方向與正向行移位相反,移動(dòng)位數(shù)一樣.對(duì)于加密過(guò)程正向行移位(SR)用式(1)表示,解密過(guò)程逆向行移位(ISR)用式(2)表示,列下表需要模4.

(3)列混淆:分正向列混淆和逆列混淆,均是對(duì)狀態(tài)矩陣的各列單獨(dú)操作.正向列混淆用式(3)表示,逆向列混淆用式(4)表示,兩種變換中使用的矩陣是互逆的.

(4)輪密鑰加變換:不管是正向輪密鑰加(ADK)變換還是逆向輪密鑰加(IADK)變換,都是將狀態(tài)矩陣和相應(yīng)的輪密鑰進(jìn)行異或,其原理是一個(gè)數(shù)與其本身異或?yàn)?.

3 AES 算法的優(yōu)化

智慧住區(qū)應(yīng)用服務(wù)涉及到居民生活的方方面面,比如醫(yī)療、安防和智能家居等,信息的泄露將給人們的生活造成極大的困擾.特別是在智能家居的應(yīng)用中,智能家居系統(tǒng)包括醫(yī)療保健系統(tǒng)、家庭安防系統(tǒng)和家電控制系統(tǒng)等,這些都是事關(guān)居民生命財(cái)產(chǎn)安全的系統(tǒng),對(duì)門戶系統(tǒng)的通信安全和通信延時(shí)有非常高的要求.下文將對(duì)AES加密算法進(jìn)行優(yōu)化,減少算法加解密的階執(zhí)行時(shí)間,同時(shí)減少算法所占用的存儲(chǔ)空間,保證算法在條件惡劣的情況下也能執(zhí)行.

3.1 列混淆矩陣的優(yōu)化

由第二部分的算法分析可以看出,正向列混淆變換比逆向列混淆變換所使用的矩陣簡(jiǎn)單得多,在做正向列混合變換時(shí)需進(jìn)行2次Xtime乘法運(yùn)算和4次Xor加法運(yùn)算,而進(jìn)行逆向列混合運(yùn)算時(shí)需進(jìn)行12次Xtime乘法運(yùn)算和9次Xor加法運(yùn)算[14],這將導(dǎo)致AES算法加密運(yùn)算與解密運(yùn)算耗時(shí)不對(duì)等的問(wèn)題[9],文獻(xiàn)[9]找出了具有最簡(jiǎn)形式的列混淆運(yùn)算和逆列混淆運(yùn)算,對(duì)應(yīng)的矩陣如下:

可以算出,矩陣B在有限域GF(2^8)上的逆矩陣就是它本身,這樣在進(jìn)行列混合運(yùn)算時(shí),加解密運(yùn)算的簡(jiǎn)單程度是一樣的,都將只需進(jìn)行2次Xtime乘法運(yùn)算和4次Xor加法運(yùn)算.

3.2 加解密過(guò)程的合并優(yōu)化

在加密過(guò)程中,對(duì)每一輪運(yùn)算的過(guò)程進(jìn)行和并,前9輪運(yùn)算過(guò)程的合并如式5所示,這樣可以省去AES算法軟件實(shí)現(xiàn)很多的中間環(huán)節(jié),使每一輪的每個(gè)輸出字節(jié)可以一步得到,由于最后一輪加密沒(méi)有列混淆,在合并中我們直接去掉前面的列混淆矩陣即可.

在解密過(guò)程中,對(duì)每一輪中逆向行移位、逆向字節(jié)替代和輪密鑰加三步操作進(jìn)行和并,如式(6)所示,在前9輪解密中,再將所得的結(jié)果做逆列混淆運(yùn)算,在最后1輪解密中則無(wú)需再做逆列混淆運(yùn)算.

3.3 AES算法的運(yùn)算優(yōu)化及輕量化

由式(5)可得:

經(jīng)過(guò)上面的優(yōu)化,在加解密過(guò)程中共需要5張256字節(jié)的表(還有一張存儲(chǔ)逆S盒的表),將算法中原來(lái)需要在有限域中做乘法運(yùn)算的列混淆操作變成了簡(jiǎn)單的查表操作,大大節(jié)省的算法的執(zhí)行時(shí)間.

4 數(shù)據(jù)加密的實(shí)現(xiàn)

選擇 Intel i3 3.30 GHz,2.00 GB RAM PC 機(jī),對(duì)采集到的智能家居中的部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試,以Windows 7 系統(tǒng)為平臺(tái),使用 Visual Studio 2010 實(shí)現(xiàn)幾種AES加密算法,測(cè)試結(jié)果如表2所示.方法一代表文獻(xiàn)[10]中才用兩張256字節(jié)的表實(shí)現(xiàn)AES加密的方法,方法二表示文獻(xiàn)[11]中用8張1kb的表實(shí)現(xiàn)AES的方法,方法三表示文獻(xiàn)[12]用八張256字節(jié)的表實(shí)現(xiàn)AES的方法,方法四是本文所采用的方法.

與其它方法相比,通過(guò)優(yōu)化之后本文所采用的加密方法性能有很大的提高,相對(duì)于方法三,所占的內(nèi)存減少了37.5%,加密速度快了14.5%,解密速度快了11.3%.本文在AES算法的實(shí)現(xiàn)時(shí)不但對(duì)輪變換過(guò)程行了合并,減少了輪函數(shù)中的一些中間轉(zhuǎn)換步驟,同時(shí)將列混淆變換的乘法運(yùn)算轉(zhuǎn)換成簡(jiǎn)單的查表運(yùn)算,提高了加解密的效率; 而且對(duì)列混淆矩陣做了變化,采用有限域GF(2^8)上最簡(jiǎn)形式的矩陣作為列混淆矩陣,在簡(jiǎn)化了逆列混淆矩陣的同時(shí),簡(jiǎn)化了逆列混淆運(yùn)算,列混合和逆列混合運(yùn)算耗時(shí)相差較大的問(wèn)題.

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 總結(jié)

在在智慧住區(qū)信息門戶系統(tǒng)中,網(wǎng)絡(luò)安全是一個(gè)很重要的問(wèn)題,使用高級(jí)加密算法加密智慧住區(qū)信息門戶中的敏感信息,大大提高了門戶系統(tǒng)通信的安全性.由于在門戶系統(tǒng)中部分信息需要快速安全的傳輸,本文對(duì)AES加密算法進(jìn)行了改進(jìn),采用有限域GF(2^8)上最簡(jiǎn)形式的列混合矩陣,減少了逆混淆運(yùn)算的運(yùn)算量,在此基礎(chǔ)上對(duì)AES加解密過(guò)程進(jìn)行了合并,提高了算法的執(zhí)行速度,從而減少了通信時(shí)傳輸時(shí)數(shù)據(jù)的處理時(shí)間,減少了延時(shí),并進(jìn)行了算法進(jìn)行了輕量化,減少了算法所占用的內(nèi)存空間,保證了算法在內(nèi)存環(huán)境惡劣的情況下也能應(yīng)用.

1李宇翔,費(fèi)世英,李端明.智慧社區(qū)系統(tǒng)架構(gòu)研究.圖書(shū)情報(bào)工作網(wǎng)刊,2012,(12):39–44.

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Application and Implementation of Improved AES Algorithm in Smart Residential Areas Web Portal

XIE Xiu-Ying1,2,WANG Min2,WANG Shao-Lin1,2,TANG Wei2

1(School of Information and Electrical Engineering,Shandong Jianzhu University,Jinan 250101,China)2(Shandong Provincial Key Laboratory of Intelligent Buildings Technology,Shandong Jianzhu University,Jinan 250101,China)

Smart residential areas information portal system contains a large number of sensitive data related to the residential life and property security.In order to ensure the confidentiality of the data,optimized AES encryption algorithm is used to encrypt the data to reduce the encryption time,thereby reducing the communication time delay,which improves the performance of the system a lot.The principle,as well as the flow of encryption and decryption of AES algorithm,is analyzed in the following sections.In order to overcome the problem that the time used in decryption is longer than in encryption,a simplest matrix in the Galois field GF(2^8)is going to be adopted in MixColumn and inverse MixColumn operation to reduce the computation and time consumption in decryption.And then based on this,the steps in encryption and decryption process is merged and optimized in some degree,reducing the storage space,at the same time it can keep the execution efficiency.In the Visual Studio 2010 platform,several optimized AES algorithms are implemented in intelligentHome by adopting C language.It shows that the proposed optimized algorithm has higher efficiency and occupies less storage space.

smart residential areas; advanced encryption standerd(AES); time difference; simplest matrix; merge and optimization

謝秀穎,王敏,王少林,唐威.改進(jìn)的AES算法在智慧住區(qū)門戶中的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn).計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用,2017,26(10):290–295.http://www.c-sa.org.cn/1003-3254/5888.html

讓東省墻材革新與建筑節(jié)能科研開(kāi)發(fā)項(xiàng)目(QG021); 2016年度讓東省省級(jí)建筑節(jié)能與綠色建筑示范項(xiàng)目(第二批)(魯建節(jié)科函[2016]22號(hào))

2016-12-06; 采用時(shí)間:2016-12-26