Sun's Blog
加密算法简介
刘武光，Business Manager Wuguang.Liu@MaximIntegrated.com
加密算法模型
$Y = f(x_1,x_2,...,x_n,Secret)$其中$x_1,x_2,...x_n$为输入明文数据，第三方可见； Secret为密码，第三方不可见加密算法通常包含逻辑运算（异或，以为，不带进位求和等）、求余， 某些特殊函数(如欧拉函数)等
2种算法输出结果类型Y
产生密文Ye，通过对应的解密算法可以还原为原文$x_1,x_2,…,x_n$,用于内容加密和安全身份认证 生成摘要码（Digest Code），亦可称为数字签名信息（DSA）、认证信息码（MAX），用于安全身份认证
flowchart LR
A[X1] --> C[算法函数];
B[X2] --> C;
E[...] --> C;
F[Xn] --> C;
G[Secret] --> C;
C --> D[算法输出Y];
style C fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:4px;
- 加密算法类型
对称加密算法：MD5 SHA-1 SHA-256 AES DES 3DES 非对称加密算法：EC ECDSA RSA等
- 对称加密算法：
- 收发采用相同密码运算
- 存放的密码需要安全保管
- 同安全等级下，加密算法较非对称算法简单从而更少的运算时间
- 非对称加密算法：
- 收发采用不同密码进行运算（发送方使用公匙加密，接收方私匙解密；或接收方用私匙加密，发送方用公匙解密）
- 由私匙生成公匙或由公匙生成私匙
- 私匙需要妥善保管，公匙为公开信息，无需安全保存
SHA-x(SHA-1 … SHA-512)
flowchart LR
A[data] --> C[SHA];
B[Secret] --> C;
C --> D[MAC];
style A fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:4px;
style B fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:4px;
非对称加密算法ECDSA P-192（Puk 签名 认证方程 域参数 G(x,y),p,n）
- 公匙（Puk）
- 先确定私匙（随机生成）=
$d$ - 计算出公匙Puk:
$Q(x, y) = G(x, y) * d$
- ECDSA器件签名信息（计算结果）：r,s
- 主机输入数据源 = m
- ECDSA从器件产生的随机数 = k
$x_1,y_1 = [G(x,y)*k*]\mod\ p$$r = x_1\mod\ n$$s = [k^{-1}*(m+d*r)]\mod\ n$
- 主机认证ECDSA器件的签名信息
- ECDSA器件的签名结果：r,s
$ w = s^{-1}\ mod \ n$$ u1 = [m * w]\ mod \ n$$ u2 = [r * w]\ mod \ n$$ (x_2,y_2) = [(u_1 * G(x,y)) + (u_2)*Q(x,y)]\ mod \ n$如果计算粗的$x_2 = r$, 则签名信息通过主机认证
ECDSA P-192加密算法
- 椭圆形曲线
$F_p: \ y^2 = x^3 + ax + b$ - 算法参数定义：
| 算法参数名称 | 符号 | ECDSA P-192加密算法 hex数 |
|---|---|---|
| 素模 | p | FFFFFFFF FFFFFFFF FFFFFFFF FFFFFFFE FFFFFFFF FFFFFFFF |
| 素域 | n | FFFFFFFF FFFFFFFF FFFFFFFF 99DEF836 146BC9B1 B4D22831 |
| 椭圆曲线系数a | a | FFFFFFFF FFFFFFFF FFFFFFFF FFFFFFFE FFFFFFFF FFFFFFFC |
| 椭圆曲线系数b | b | 64210519 E59C80E7 0FA7E9AB 72243049 FEB8DEEC C146B9B1 |
| 基点 x | Gx | 188DA80E B03090F6 7CBF20EB 43A18800 F4FF0AFD 82FF1012 |
| 基点 y | Gy | 07192B95 FFC8DA78 631011ED 6B24CDD5 73F977A1 1E794811 |
- remark： 主机和加密器件采用相同的算法参数
加密算法要求
- 不可逆运算
- 算法是公开的，标准的，便于广泛使用及第三方算法安全评估
- 采用“穷举”算法攻击密码几乎不可能
- 算法计算时要适度的资源和计算时间
加密算法实际应用
- 数据加密和解密：
- 常用算法：AES RSA 3DES
- 典型应用：数据安全传输&存储等
- 安全身份认证：
- 常用算法：所有加密算法均可用于认证，MD5 SHA-x EC ECDSA
- 典型应用：要求安全身份识别的应用，如防伪，ID识别，系统配件识别
- 采用对称加密算法（Eg. AES-128）进行加密/解密流程
Remark:收发双方的使用的相同密码
flowchart TD
A(发送方:128bits原文数据) --> B[加密算法AES-128];
X(128位加密密码) --> B;
B --> C[128bits密文数据到接收方];
C -.-> D[来自发送方的128bits密文数据];
D --> E[解密算法AES-128];
E --> F[接收方:获得128bits原文数据];
Y[128位解密密码] --> E;
style B fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:4px;
style E fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:4px;
- 采用非对称加密算法（Eg. RSA-1024）进行加密/解密流程
Remark:
- 长度N < 1024
- 只有接收方使用加密方提供的私钥条件下，接收方才能正确的解密出原文
flowchart TD
A(发送方:N bits原文数据) --> B[加密算法RSA-1024];
X(1024位加密公匙) --> B;
B --> C[N bits密文数据到接收方];
C -.-> D[来自发送方的N bits密文数据];
D --> E[解密算法RSA-1024];
E --> F[接收方:获得N bits原文数据];
Y[1024位解密私匙] --> E;
style B fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:4px;
style E fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:4px;
- 采用混合对称&非对称加密算法进行加密/解密流程
flowchart TD
A[发送方:128 bits原文数据] --> B[加密算法AES-128];
U[128位AES加密密码] --> B;
B --> C[128 bits密文数据到接收方];
C -.-> D[来自发送方的128 bits密文数据 & 128位密码密文];
D --> E[解密算法AES-128];
E --> F[接收方:获得128 bits原文数据];
V[128位AES解密密码] --> E;
U --> G[加密RSA算法];
W[RSA加密公匙] --> G;
G --> H[128位AES密码密文];
H --> D;
D --> I[解密RSA算法];
I --> V;
X[RSA解密私匙] --> I;
style B fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:4px;
style E fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:4px;
style G fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:4px;
style I fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:4px;
- 采用对称加密算法（Eg. SHA-256）进行身份认证流程
Remark:
- 只有主机&从机密码相等，且输入明文数据被正确传输的条件下， 从机才能通过主机安全认证
flowchart TD
A[256位主机密码] ==> B[安全算法SHA-256];
B --主机计算结果--> C{计算结果一致吗?};
C --是--> D[主机判断从机身份合法];
C --否--> E[主机判断从机身份不合法];
J[认证主机:输入明文数据] --> B;
K[被认证从机:输入明文数据] --> I[安全算法SHA-256];
H[256位从机密码] ==> I;
I --从机计算结果--> C;
J <-.-> K
style B fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:4px;
style I fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:4px;
- 采用非对称加密算法（Eg. ECDSA-192）进行身份认证流程
Remark:
- 只有在主机使用的公匙是由合法从机私匙生成的条件下，从机才能获得主机的安全身份认证
flowchart TD
A[192位主机公密] ==> B[安全算法ECDSA-192];
B --主机计算结果:r',s'--> C{r' == r?};
C --是--> D[主机判断从机身份合法];
C --否--> E[主机判断从机身份不合法];
J[认证主机:输入明文数据] --> B;
K[被认证从机:输入明文数据] --> I[安全算法ECDSA-192];
H[192位从机私钥] ==> I;
I --从机计算结果:r,s--> B;
J <-.-> K
style B fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:4px;
style I fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:4px;
- 美信加密器件
- 安全处理器（DS5250、MAXQ1850）
- 安全认证加密器件（SHA-1 SHA-256 ECDSA三类）
如何使用加密器件，包括2个步骤
- 初始化加密器件–加载器件的密码
- 所有加密器件采用相同密码或公匙&私匙密码对 缺：器件密码就是系统密码，一旦泄露整个系统安全性就崩溃
- 为每个器件加载唯一的密码或密码对 优：器件密码不代表系统的安全性，单个器件密码泄露，但整个系统仍然安全
- 认证环节：在应用程序中嵌入认证程序，以识别加密器件身份合法性
- 基于安全身份认证的加密器件不会对执行程序代码进行加密
- 基于随机数质询-响应机制，为每次认证过程产生的随机的算法结果，防止非法复现
SHA-1/SHA-2器件加载唯一密码流程
flowchart LR
subgraph N[SHA-1/ SHA-2 加密器件]
W[64bits ROM ID];
X[...];
Y[EEPROM];
Z[器件密码];
W --- X;
X --- Y;
Y --- Z;
end
A[系统主密码] --> B[SHA-1/SHA-2算法 or 客户自定义的密码算法];
W --> B;
B --> Z;
style A fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:4px;
style B fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:4px;
利用随机数发生器为每个ECDSA器件加载唯一公匙与私匙对
flowchart LR
subgraph N[ECDSA Engine]
W[P-192 domain paraeters];
end
A[随机数生成器] --> N;
A --192bits--> C[私匙];
N --2*192bits--> D[公匙];
style A fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:4px;
SHA 器件的随机质询-响应认证机制：
- Remark:主机基于器件的ROM ID和系统主密码计算出被认证器件的密码
flowchart TB
subgraph 认证主机
direction LR
subgraph O[处理器]
G[系统主密码] --> H[器件密码];
H --> I[SHA Engine];
J[器件明文数据] --> I;
end
Y[主机产生随机数] --> I;
end
subgraph 被认证器件
direction LR
subgraph Q[SHA加密器件]
U[器件密码] --> V[SHA Engine];
W[器件明文数据] --> V;
end
end
Y --> V;
I --> Z{==?};
V --> Z;
Z --是--> 从机通过认证;
Z --否--> 从机未通过认证;
style Y fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:4px;
style Z fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:4px;
不对称加密ECDSA器件DS28E35的随机质询-响应认证机制：
- Remark:只有在公钥和私钥配对的情况下，被认证的器件才能通过主机的认证
flowchart TB
subgraph 认证主机
direction LR
subgraph O[处理器]
H(器件明文数据) --> I(SHA Engine);
I --> J(ECDSA_Verfiy);
K(器件公匙) --> J;
J --> L{Yes or No};
end
Y(主机产生随机数) --> I;
end
%% dajfkhfdkdahf
subgraph 被认证器件
direction LR
subgraph Q[SHA加密器件]
U(器件明文数据) --> V[SHA Engine];
V --> W(ECDSA_Sign);
RNG --> W;
X(器件私钥) --> W;
end
end
W --> J;
Y --> V;
style Y fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:4px;
style L fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:4px;
加密器件应用领域
- 软件代码（IP）保护
- 软件授权&升级管理
- 配件识别&电子标签
- 网上身份识别
- 低成本USB-key解决方案
- 有源RFID
- 数据传输&媒体文件的加解密
打印机相关等耗材管理（真伪 & 用量）
电池（真伪 & 特性参数）
医疗传感器（真伪 & 校准参数）
FPGA IP保护
低成本 USB-Key 解决方案—基于SHA-1/SHA-256 或者 ECDSA 加密器件，采用USB-UART控制器，无须额外的软件设计 SHA-1 DS28E10/DS28E01-100,SHA-256 DS28E15/22/25或者ECDSA加密算法的DS28E35
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作者：EnzoSun
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