余成波，錢澤文，閆亞恒
(重慶理工大學(xué) 遠程測試與控制技術(shù)研究所，重慶 400054)
摘要：針對AES密鑰管理中存在的安全性不高和RSA不適合大數(shù)據(jù)量加/解密的缺陷，為保障用戶的敏感信息以及BLE門禁設(shè)備的重要數(shù)據(jù)，本文提出了采用AES與RSA混合的加密體制。利用AES算法來加/解密敏感數(shù)據(jù)，RSA算法來加/解密AES算法的密鑰。然后，采用DBMS外層加密方式和字段級的加密粒度，在BLE門禁管理系統(tǒng)中實現(xiàn)對“敏感數(shù)據(jù)”的加/解密處理，以及混合加密體制下密鑰的管理，保證了數(shù)據(jù)的安全性與可靠性。
關(guān)鍵詞：AES；RSA；BLE；混合加密；加密粒度
中圖分類號：TP391.1文獻標識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.02.006
引用格式：余成波，錢澤文，閆亞恒.基于AES與RSA的BLE門禁管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)加密［J］.微型機與應(yīng)用，2017,36（2）：17-19.
在信息技術(shù)和計算機技術(shù)快速發(fā)展的今天，尤其“互聯(lián)網(wǎng)+”和“智慧城市”概念的提出，信息化程度在各行各業(yè)都得到了顯著的提高，隨之而來的便是數(shù)據(jù)安全問題，數(shù)據(jù)泄露不但影響人們的生活質(zhì)量，有時候往往伴隨著巨大的經(jīng)濟損失。數(shù)據(jù)庫加密技術(shù)是解決這一問題的重要方法之一，它是密碼學(xué)與數(shù)據(jù)庫技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。
根據(jù)加密算法與解密算法所使用的密鑰是否相同，數(shù)據(jù)加密技術(shù)可分為兩大類，一是對稱加密技術(shù)，例如DES算法和AES算法等，其中DES算法由于自身密鑰長度較短，其安全性已經(jīng)得不到保證，在國內(nèi)外的應(yīng)用上已經(jīng)被AES所取代，AES運算速度快、算法簡單可靠，但密鑰管理上安全性不高，為了進一步增強它的安全性，國內(nèi)外很多學(xué)者對其進行了更深入的研究與優(yōu)化，比如對密鑰擴展算法的改進［1］，對S盒構(gòu)造方法進行優(yōu)化［2］以及提出適合硬件實現(xiàn)的一種可重構(gòu)的設(shè)計方式等［3］。二是非對稱加密技術(shù)，例如RSA算法和ECC算法等，ECC算法也叫橢圓加密算法，處理速度快，占用空間小，但實現(xiàn)起來比較困難。RSA算法安全性高，易于理解，但不適合大數(shù)據(jù)量的加/解密，為了提高運算效率，有人提出了融入中國剩余定理的RSA算法［4］。對稱加密算法加/解密使用的是同一密鑰，加/解密速度快。非對稱加密算法加密和解密使用不同的密鑰，一個是公鑰，用來加密數(shù)據(jù)，另一個是私鑰，用來解密數(shù)據(jù)［5］。
本文采用對稱加密算法與非對稱加密算法相結(jié)合的方法，首先用AES算法來加密數(shù)據(jù)庫中的敏感數(shù)據(jù)，然后用RSA算法來加密AES算法的密鑰，加密粒度是數(shù)據(jù)庫加密的最小單位，本文選擇的是字段級。最后，在BLE(Bluetooth Low Energy)門禁管理系統(tǒng)中實現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的加/解密，保證了用戶數(shù)據(jù)與設(shè)備數(shù)據(jù)的安全性。
1AES加密算法
高級加密標準AES，也叫做Rijndael加密法，是目前最常用的對稱加密算法，它以替換DES和3DES的身份出現(xiàn)。AES是一種帶有可變塊長和可變密鑰長度的迭代分組加密方法［6］，最基本的運算單位是字節(jié)，即一個8 bit串，其數(shù)據(jù)塊(明文)的分組長度被指定為128 bit，密鑰長度為128 bit、192 bit或256 bit，相應(yīng)的迭代輪數(shù)分別為10、12和14。
在AES算法中，128 bit的明文數(shù)據(jù)可以劃分為16 B，所以可以依據(jù)順序?qū)⑵渥止?jié)依次復(fù)制到一個4×4的矩陣中，四個字節(jié)一組，這個矩陣叫做狀態(tài)矩陣，AES算法的一系列變換都是在這個狀態(tài)矩陣(state)上進行的［7］。同樣，密鑰也可以用字節(jié)的矩陣形式來表示，矩陣的行數(shù)定為4，不同的密鑰長度對應(yīng)的列數(shù)分別為4、6和8［8］。具體如表1所示。
AES算法每一輪的迭代結(jié)構(gòu)都一樣，每一輪都使用了4個變換：字節(jié)替代變換、行移位變換、列混合變換和輪密鑰加變換。
(1)字節(jié)替代變換(S盒變換)
字節(jié)替代變換是AES算法中唯一的非線性變換，即用S盒對狀態(tài)矩陣中的每一個字節(jié)進行相應(yīng)的替換。S盒是一個替換表，一個16×16的矩陣，替換時，分別取狀態(tài)矩陣中字節(jié)的高4位和低4位作為行值和列值，在S盒中找到對應(yīng)的字節(jié)進行替換，相當(dāng)于一個查表的過稱［9］。S盒的構(gòu)造是AES算法是否安全的關(guān)鍵，S盒由有限域GF(28)上的元素乘法取逆(模多項式為m(x)=x8+x4+x3+x+1)然后做GF(2)上的仿射變換兩步組成。仿射變換遵循如下運算規(guī)則：
其中x0,x1，…，x7是有限域GF(28)上的元素乘法取逆的結(jié)果，對其做仿射變換，則y0,y1，…，y7為變換后的結(jié)果。
(2)行移位變換
行移位是對S盒替換后的狀態(tài)矩陣的進一步操作，對每一行進行循環(huán)左移，其中第一行保持不變，第二行循環(huán)左移1個字節(jié)，第三行循環(huán)左移2個字節(jié)，第四行循環(huán)左移3個字節(jié)［10］，如圖1所示。
(3)列混合變換
將行移位后的狀態(tài)矩陣的每一列看做是有限域GF(28)上的一個4維向量，然后將其與一個固定的多項式a(x)進行模多項式m(x)=x4+1的乘法運算。在AES算法中，a(x)={03}x3+{01}x2+{01}x+{02}，這個多項式與x4+1互質(zhì)，具有可逆性［9］。
(4)輪密鑰加變換
輪密鑰加變換就是將狀態(tài)矩陣與子密鑰矩陣的對應(yīng)字節(jié)進行異或操作。其中，每一輪的子密鑰都由初始密鑰通過固定變換得到。
AES算法流程如圖2所示。
2RSA加密算法
RSA是非對稱加密算法，也是目前應(yīng)用最廣泛的公鑰密碼體制。RSA算法基于一個數(shù)論中的事實——分解大整數(shù)的困難性:計算兩個大素數(shù)的乘積很容易，但要對其進行分解卻很困難［11］。RSA算法密鑰長度可變，目前使用的密鑰長度一般不小于1 024 bit，加密時先將明文進行分組，每個分組的數(shù)據(jù)長度不允許超出密鑰長度［12］。密鑰長度與安全性成正比關(guān)系，密鑰越長則安全性越高，相應(yīng)地，密鑰越長則其加密與解密效率就越低，處理速度越慢［13］。所以，RSA不適合大數(shù)據(jù)量的加/解密。
RSA算法描述如下：
(1)密鑰生成
①選取兩個保密的大素數(shù)p和q。
?、谟嬎鉵=pq，φ(n)=(p－1)(q－1)，其中φ(n)是n的歐拉函數(shù)值。
③隨機選一個整數(shù)e，1<e<φ(n)，滿足(e,φ(n))=1，即e與φ(n)互質(zhì)。
④計算e的乘法逆元d，滿足ed≡1modφ(n)。
?、莨€為(e,n)，私鑰為(d,n)。
(2)加密
c=memodn，其中m是待加密明文，c是明文。
(3)解密
m=cdmodn，將密文轉(zhuǎn)換為明文。
由解密可以看出，RSA算法依賴于私鑰(d,n)，只有將n正確分解，得出p和q，才能得出d，從而破解RSA算法。
3混合加密體制
AES算法以及RSA算法在數(shù)據(jù)加/解密上都有各自的特點，AES是目前最常用的一種對稱加密算法，其密鑰長度最長只有256 bit，相較于RSA算法更短，所以有很強大的數(shù)據(jù)處理能力，加/解密效率高［14］。但AES數(shù)據(jù)加密和解密使用的是同一密鑰，所以密鑰管理的安全性要求較高。RSA算法加密和解密使用不同的密鑰，密鑰長度相較于AES算法提高很多，所以加/解密效率不高，不適合大數(shù)量的操作。但RSA算法的密鑰管理很方便。針對這兩種算法各自的特點，本文采取AES與RSA相結(jié)合的混合加密體制。AES用來加/解密BLE門禁管理系統(tǒng)中敏感字段的數(shù)據(jù)，而RSA用來保護AES的密鑰。具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。
(1)混合加密體制的數(shù)據(jù)加密
?、偈褂妹荑€為K的AES加密算法，假設(shè)其為E1，那么明文(data)經(jīng)加密后為E1(data,k)，即密文數(shù)據(jù)。
?、诩僭O(shè)RSA算法為E2，使用RSA算法的公鑰PK對密鑰K進行加密，則加密后的K為E2(K,PK)。
(2)混合加密體制的數(shù)據(jù)解密
?、倮肦SA算法的私鑰SK對E2(K,PK)進行解密，得到AES算法的密鑰K。
?、谟妹荑€K進行數(shù)據(jù)解密，從而得到數(shù)據(jù)的明文(data)形式。
4混合加密體制在BLE門禁管理系統(tǒng)中的實現(xiàn)
BLE門禁管理系統(tǒng)是主要針對BLE設(shè)備及用戶的一個管理軟件。該管理軟件主要由管理員信息管理模塊、設(shè)備信息管理模塊、用戶信息管理模塊以及加密系統(tǒng)管理模塊四部分組成。加密系統(tǒng)管理模塊主要負責(zé)AES與RSA密鑰的產(chǎn)生與更新，是完成數(shù)據(jù)加/解密的核心。
本文在BLE門禁管理系統(tǒng)中采用AES與RSA混合加密體制完成了對數(shù)據(jù)庫中管理用戶信息的用戶信息表的加密，加密的字段是用戶的家庭住址。
當(dāng)管理員沒有對用戶信息表的更改權(quán)限時，得到的是數(shù)據(jù)庫中被加密字段的密文形式。
當(dāng)管理員對表有更改權(quán)限時，得到的則是家庭住址字段解密后的明文信息。
5結(jié)論
本文分別介紹了AES與RSA算法，在進行分析之后，充分利用兩種算法的優(yōu)點，提出采用AES與RSA混合加密體制，完成了混合加密體制在BLE門禁管理系統(tǒng)中的應(yīng)用與實現(xiàn)，解決了混合加密體制中密鑰管理的問題，最終保證了后臺數(shù)據(jù)庫中敏感數(shù)據(jù)的安全。不僅如此，隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及以及信息化程度的提高，本文所做的工作也為數(shù)據(jù)加密技術(shù)將來在其他領(lǐng)域的應(yīng)用（比如“智能家居”領(lǐng)域）提供了一些新的思路。
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