基于嵌入式平臺(tái)的分布式密鑰加解密加載數(shù)據(jù)的方法

◇中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所 羅熹

在電子設(shè)備上PowerPC與可拆卸存儲(chǔ)設(shè)備互聯(lián)的硬件構(gòu)型下，本文提出合理的加載數(shù)據(jù)的加解密方法。該方法的核心是密鑰分布式存儲(chǔ)。通過(guò)密鑰管理機(jī)使用一級(jí)密鑰加密隨機(jī)二級(jí)密鑰得到三級(jí)密鑰。使用二級(jí)密鑰加密加載數(shù)據(jù)。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將加載的數(shù)據(jù)，三級(jí)密鑰均分布在可拆卸存儲(chǔ)設(shè)備上不同分區(qū)。PowerPc通過(guò)讀取加密的數(shù)據(jù)、三級(jí)密鑰，使用一級(jí)密鑰及對(duì)稱解密算法對(duì)加密的三級(jí)密鑰進(jìn)行解密得到二級(jí)密鑰，再使用二級(jí)密鑰對(duì)加載的數(shù)據(jù)進(jìn)行解密。使用的加解密算法為256位的AES。

1 引言

隨著電子設(shè)備技術(shù)的迅猛發(fā)展，基于嵌入式平臺(tái)開(kāi)發(fā)的應(yīng)用逐年增多，而這些應(yīng)用在存儲(chǔ)設(shè)備上讀取加載數(shù)據(jù)是正常運(yùn)行必要步驟。常見(jiàn)的應(yīng)用包括數(shù)據(jù)鏈[5]，無(wú)人機(jī)加密應(yīng)用等。數(shù)據(jù)加密技術(shù)對(duì)于保護(hù)用戶加載數(shù)據(jù)的隱私有著不可替代作用。所謂數(shù)據(jù)加密技術(shù)是指將信息（或稱明文）經(jīng)過(guò)加密鑰匙（密鑰）及加密函數(shù)轉(zhuǎn)換，變成無(wú)意義的密文，而接收方將此密文經(jīng)過(guò)解密函數(shù)，解密鑰匙還原成明文的技術(shù)[1]。各種不同的加解密方法包括混合加密算法[2]， 數(shù)字混沌加密加密系統(tǒng)[3]，多種加密體制混合加密[4]，通過(guò)增加加解密算法的復(fù)雜度從而提高了破解加解密系統(tǒng)的難度。但上述加解密算法僅從軟件角度考慮了加密算法的復(fù)雜度，未考慮數(shù)據(jù)密鑰分布式硬件存儲(chǔ)。同時(shí)，加密密鑰為固定密鑰，無(wú)法靈活修改。

2 常見(jiàn)的嵌入式加密解密方法分析

常見(jiàn)的嵌入式加解密的架構(gòu)為：加密終端通過(guò)對(duì)加載數(shù)據(jù)進(jìn)行加密的得到密文數(shù)據(jù)，密文數(shù)據(jù)通過(guò)信道進(jìn)行傳輸至可拆卸存儲(chǔ)設(shè)備，終端電子設(shè)備的計(jì)算機(jī)功能單元駐留PowerPC讀取可拆卸存儲(chǔ)設(shè)備的加載數(shù)據(jù)，使用解密算法對(duì)密文數(shù)據(jù)進(jìn)行解密得到明文加載數(shù)據(jù)，如圖1所示。

圖1 常見(jiàn)嵌入式加解密方法的架構(gòu)圖

在常見(jiàn)的嵌入式加解密方法中，該方法優(yōu)點(diǎn)為由于密鑰存在于密鑰管理機(jī)的程序中、計(jì)算機(jī)單元的嵌入式軟件中，同時(shí)在信道部分傳輸也是使用的密文進(jìn)行傳輸和存儲(chǔ)，惡意的用戶在獲取可拆卸存儲(chǔ)設(shè)備后無(wú)法得到加載數(shù)據(jù)。

該方法的確缺點(diǎn)為密鑰固定，使用對(duì)稱加密算法來(lái)進(jìn)行加密加載數(shù)據(jù)，如DES、3DES、AES等，加解密需要使用相同的密鑰解密。因此，若存于密鑰管理機(jī)及計(jì)算機(jī)單元的嵌入式軟件的密鑰被泄露，所有的按照上述加解密方法的加載數(shù)據(jù)均被破解。設(shè)計(jì)一種每次加載密鑰均不同，同時(shí)密鑰分布式存儲(chǔ)的嵌入式加解密方法便可解決單次密鑰泄露，不會(huì)影響所有加載數(shù)據(jù)的問(wèn)題。

3 基于嵌入式平臺(tái)的分布式密鑰加解密加載數(shù)據(jù)的方法實(shí)現(xiàn)

基于嵌入式平臺(tái)的分布式密鑰加解密加載數(shù)據(jù)的方法實(shí)現(xiàn)采用下面兩個(gè)部分進(jìn)行闡述：選用數(shù)據(jù)加解密算法[6]和基于嵌入式平臺(tái)分布式密鑰的加解密加載數(shù)據(jù)方法整體流程。

3.1 AES加解密算法與實(shí)現(xiàn)流程

AES（Advanced Encryption Standard）高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)是以Rijndael算法為基礎(chǔ)發(fā)展而來(lái)。AES加密算法在數(shù)據(jù)處理上以字為基礎(chǔ)單位。常見(jiàn)的AES密鑰長(zhǎng)度、分組大小及加密輪數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。本方法采用的是AES256。

表1 AES密鑰長(zhǎng)度、分組大小、及加密輪數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系

AES算法主要分為四個(gè)步驟分別為字節(jié)代換，行移位，列混合，輪密鑰四個(gè)步驟。加密為順操作，解密操作與解密操作相同采用逆變換替代原來(lái)的變換。

（1）字節(jié)代換。AES的字節(jié)代換就是一個(gè)簡(jiǎn)單的查表操作。AES定義了一個(gè)S盒和逆S盒。S盒用來(lái)加密，逆S盒用來(lái)解密。S盒的變換舉例如下所示。

（2）行變換。AES的行變換是一個(gè)簡(jiǎn)單的左循環(huán)移位操作。狀態(tài)矩陣的第0行左移0字節(jié)，第1行左移1字節(jié)，第2行左移2字節(jié)，第3行左移3字節(jié)，如圖2所示。

圖2 行變換示意圖

（3）列混合。AES的列混合是指從狀態(tài)中選擇出一列，在將器轉(zhuǎn)變?yōu)槎囗?xiàng)式的基礎(chǔ)上，以固定多項(xiàng)式a(x)進(jìn)行相乘，取其相乘的結(jié)果，以結(jié)果進(jìn)行取模運(yùn)算操作。代表狀態(tài)多項(xiàng)式。具體如下所示：

（4）輪密鑰。AES的輪密鑰是指將256位輪密鑰 同狀態(tài)矩陣中的數(shù)據(jù)進(jìn)行逐位異或操作。

3.2 分布式密鑰加解密整體流程

基于嵌入式平臺(tái)的分布式密鑰加解密加載數(shù)據(jù)的方法的系統(tǒng)架構(gòu)如下圖3所示。密鑰的分布式體現(xiàn)為密鑰分為三個(gè)不同的等級(jí)。這三個(gè)不同等級(jí)的密鑰分布在不同的物理設(shè)備上，同時(shí)具有物理隔絕的特點(diǎn)。

圖3 基于嵌入式平臺(tái)的分布式密鑰加解密加載數(shù)據(jù)的方法架構(gòu)圖

一級(jí)密鑰：使用計(jì)算機(jī)單元的PowerPc生成的一級(jí)密鑰僅存在自身的動(dòng)態(tài)內(nèi)存和存儲(chǔ)在密鑰管理機(jī)的程序中。

二級(jí)密鑰：由用戶在對(duì)加載數(shù)據(jù)加密時(shí)隨機(jī)生成的二級(jí)密鑰。具有隨機(jī)性，同時(shí)該密鑰不會(huì)保存。

三級(jí)密鑰：密鑰管理機(jī)使用一級(jí)密鑰加密二級(jí)密鑰得到。存儲(chǔ)于可拆卸存儲(chǔ)設(shè)備中。

該方法的實(shí)現(xiàn)步驟如下所示。

（1）PowerPC通過(guò)內(nèi)嵌程序動(dòng)態(tài)生成一級(jí)密鑰。PowerPC的內(nèi)嵌程序使用隨機(jī)數(shù)、行變換，列轉(zhuǎn)秩，數(shù)字替換等方法得到一級(jí)密鑰，核心思想為內(nèi)嵌程序中不能出現(xiàn)一級(jí)密鑰的明文數(shù)字。

（2）PowerPC生成一級(jí)密鑰后告知密鑰管理人員。

（3）密鑰管理機(jī)隨機(jī)生成二級(jí)密鑰。

（4）密鑰管理機(jī)使用一級(jí)密鑰，使用AES（256位）加密算法，對(duì)隨機(jī)二級(jí)密鑰進(jìn)行加密得到三級(jí)密鑰。

（5）密鑰管理機(jī)使用二級(jí)密鑰對(duì)加載數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。

（6）通過(guò)總線傳輸將加載數(shù)據(jù)及三級(jí)密鑰進(jìn)行上傳置可卸載存儲(chǔ)設(shè)備上。

（7）可卸載存儲(chǔ)設(shè)備對(duì)加載數(shù)據(jù)及三級(jí)密鑰進(jìn)行校驗(yàn)和驗(yàn)證，如果通過(guò)則加載成功，如果不通過(guò)則加載失敗。

（8）可卸載存儲(chǔ)設(shè)備將加載數(shù)據(jù)及三級(jí)密鑰進(jìn)行物理分區(qū)隔離放置。

（9）PowerPC內(nèi)嵌程序通過(guò)與可拆卸設(shè)備互聯(lián)讀取上面的加載數(shù)據(jù)及三級(jí)密鑰。

（10）PowerPC內(nèi)嵌程序在運(yùn)行中使用一級(jí)密鑰解密三級(jí)密鑰得到二級(jí)密鑰。

（11）PowerPC內(nèi)嵌程序在運(yùn)行中使用二級(jí)密鑰解密加載數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了基于嵌入式平臺(tái)的分布式密鑰加解密加載數(shù)據(jù)的方法，并將該方法用于與國(guó)外合作研究的某電子設(shè)備。相關(guān)實(shí)驗(yàn)及相關(guān)理論表明，本文提出的方法可以較大的提升加載數(shù)據(jù)加密的方便性、可靠性。該方法采用的加解密算法后續(xù)可考慮采用其他方法進(jìn)行替換，并作進(jìn)一步研究。