AES 加密在嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLite 中的應用

翟 禹，武黎明，王 祥，王淑娟，董祺寧

（北方自動控制技術研究所，太原 030006）

0 引言

隨著坦克裝甲車輛的信息化發(fā)展，其各個分系統(tǒng)及嵌入式設備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量越來越大。以火控系統(tǒng)為例，包括武器狀態(tài)信息、發(fā)控信息、目標信息等。這些大量數(shù)據(jù)需要專門的嵌入式數(shù)據(jù)庫進行管理。SQLite 作為嵌入式平臺數(shù)據(jù)儲存的主要方式，具有體量小、可移植性高、管理簡單、狀態(tài)回滾方便等特點。然而SQLite 沒有用戶管理與加密功能，這意味著數(shù)據(jù)庫文件對所有人開放，都可以輕松用工具查看。對于重要的軍用設備，這種開放的文件存在信息安全隱患。加密一直是最受歡迎的信息安全解決方案之一，在數(shù)據(jù)安全中發(fā)揮著重要作用，加密算法研究具有重要意義。

DAEMEN J 和RIJMEN V 創(chuàng)建了Rijndael 算法。Rijndael 算法于2001 年被美國國家標準與技術研究院（NIST）選為高級加密標準（advanced encryption standard，AES）［1］。AES 方法是一種對稱分組密碼，使用替換-排列網(wǎng)絡（SPN）具有速度快，安全級別高的優(yōu)勢［2］。PATIL S，PATIL R 并行應用了AES算法［3］。對于計算成本高昂的數(shù)據(jù)加密，例如音頻、視頻和圖像數(shù)據(jù)加密，AES 算法運行緩慢。因此，通過采用并行處理，能夠克服處理緩慢的缺點。TAHIR A S 為圖像加密開發(fā)了修改版AES，通過更改行移位階段，以提高安全性［4］。修改版AES 更安全，并且在測試后實現(xiàn)了針對統(tǒng)計攻擊的安全結果。JUREMI J 等提出了一個名為行列式旋轉的新階段，通過使用行列式矩陣計算為每輪生成不同的S盒來實現(xiàn)AES 的S 盒位置的旋轉［5］。通過隨機性試驗和雪崩試驗，證明了此方法獲得了高隨機性和高安全性。RIYALDHIA R 等提出了一種通過修改S 盒和行移位來改進AES 算法的方法［6］。經(jīng)過測試，所提出的改進AES 算法比原來的AES 減少了3 μs 的執(zhí)行時間。NAZIRI 等在S 盒架構中設計了乘法逆，限制了儲存器減輕了儲存占用［7］。何文才等在安卓平臺開啟多線程與計算器模式，使得SQLite 的加密速率提升了23.5%［8］。冷飛等提出融合RSA 與AES算法，降低了密鑰的管理復雜度［9］。費雄偉等引入統(tǒng)一計算架構平臺，實現(xiàn)AES 并行計算，提高了加密速度［10］。張詩永等提出256 位分組來構造新算法，增強了AES 算法的計算性能［11］。

嵌入式設備計算資源有限、存儲空間狹小，若使用標準的AES 存在處理速度慢、數(shù)據(jù)傳輸時間長等缺陷?；谝陨戏治?，對AES 算法進行了輕量化的改進策略，在保證安全性的同時，加快AES 算法的進程。實驗結果表明，本文設計的輕量化AES 算法高效輕便，在SQLite 文件加密中表現(xiàn)優(yōu)秀。

1 標準AES

AES 是一種分組密碼，使用對稱密鑰進行加密和解密過程。明文大小等于128 位（相當于16 字節(jié)），而密鑰大小可以分為128、192 或256 位。AES算法中有輪次（迭代），總回合數(shù)由密鑰的大小決定，如表1 所示。

表1 AES 算法規(guī)范Table 1 Specification of AES algorithm

具體由4 個階段組成，分別是字節(jié)代替（Sub-Byte），行移位（ShiftRow），列混淆（MixColumn）和輪密鑰加（AddRoundKey）階段。這些階段以順序形式執(zhí)行，并在狀態(tài)數(shù)組（4×4 字節(jié)）上作為輪次運行。明文在加密過程中作為參數(shù)通過這些輪次傳遞，如圖1 所示的4 個階段［12-13］。

圖1 AES 算法結構Fig.1 Structure of AES algorithm

1）字節(jié)代替：是一個非線性字節(jié)替換函數(shù)，獨立地對狀態(tài)數(shù)組的每個字節(jié)進行操作，并基于有限域GF（28）中的乘法反轉。即查S 盒，替換字節(jié)，S 盒如圖2 所示。

圖2 S 盒Fig.2 S-box

2）行移位：狀態(tài)中有4 行。第1 行不受影響（未移位），第2 行向左移動1 個字節(jié)，第3 行向左移動2 個字節(jié)，第4 行向左移動3 個字節(jié)。

3）列混淆：此階段使用逐列操作狀態(tài)，每列被視為GF（28）上的4 項多項式，并乘以固定多項式a（x）x4+1。列混淆使用式（1）計算：

4）輪密鑰加：對128 位的狀態(tài)按位與128 的輪密鑰XOR 操作，即按位異或［14-15］。

2 改進的輕量級AES 算法

本文所提出的輕量化AES 算法改進了前兩個階段：字節(jié)代替和行移位階段，從而改善了加密和解密過程。此外，回合數(shù)縮短至4 輪。

2.1 輕量化字節(jié)代替

改進的字節(jié)代替階段使用替換表而不是標準AES 算法的S 盒。替換表由兩個條目組成；第1 個條目具有以0 值開頭并以F 值結束的升序形式的十六進制數(shù)字，第2 個條目具有以F 值開頭并以0值結束的降序形式的十六進制數(shù)字，如表2 所示。

表2 輕量化替換表Table 2 Lightweight replacement table

狀態(tài)數(shù)組中的每個字節(jié)分為兩位數(shù)（每個數(shù)字用十六進制表示）。在字節(jié)代替階段，字節(jié)的每個數(shù)字取決于替換表，該替換表在第1 個條目中搜索狀態(tài)的第1 個字節(jié)（字節(jié)由兩位數(shù)組成），并從第2 個條目中獲取相應的字節(jié)。例如，假設以下狀態(tài)數(shù)組，狀態(tài)的第1 個字節(jié)等于（FF），則替換為（00）。經(jīng)過輕量化替代后結果如下，如圖3 所示。

圖3 輕量化字節(jié)代替Fig.3 Replacement with lightweight byte

此外，由于輕量化替換表存在線性關系，其逆操作逆字節(jié)代替也用同一張表，加密解密均節(jié)省了存儲空間，替換表的大小為2×16，等于32 字節(jié)，S盒由16×16 字節(jié)組成，等于256 字節(jié)。此外，在搜索過程中更快（僅搜索16 個條目）。算法1 解釋了輕量化字節(jié)代替階段的步驟。

2.2 輕量化行移位

在標準AES 中，行移位階段每次移位按特定編號執(zhí)行，由狀態(tài)數(shù)組中的行號確定的移動編號。輕量化后的行移位階段通過隨機移位數(shù)對每一行執(zhí)行循環(huán)移位。一維無序邏輯映射系統(tǒng)產(chǎn)生的隨機移位數(shù)由等式（2）表示：

算法1：輕量化字節(jié)代替階段輸入：狀態(tài)數(shù)組、替換表輸出：新狀態(tài)數(shù)組開始For i=1 to 4 For j=1 to 4字節(jié)塊T=狀態(tài)［i］［j］；數(shù)值1=字節(jié)塊T 左邊值；數(shù)值2=字節(jié)塊T 右邊值；新數(shù)值1=代替（輕量化替換表，數(shù)值1）；新數(shù)值2=代替（輕量化替換表，數(shù)值2）；新字節(jié)塊T=結合（新數(shù)值1，新數(shù)值2）；新狀態(tài)［i］［j］=新字節(jié)塊T；Next j；Next i；結束

其中，X0表示起始狀態(tài)，i 表示迭代次數(shù)，是系統(tǒng)控制參數(shù)。對于所有i，Xi+1的值是介于0 和1 之間的數(shù)字，而控制參數(shù)的值在（0，3）范圍內，具體取決于狀態(tài)數(shù)組中的行數(shù)。由無序系統(tǒng)隨機生成并排列在一個稱為“移位數(shù)”的一維數(shù)組中，如表3 所示。

表3 行移位前狀態(tài)Table 3 Status before shift row

狀態(tài)數(shù)組中的每一行都向左移動，不同的移位值取決于隨機移位數(shù)而不是標準AES 算法中的固定移位值（行號）。輕量化行移位階段如圖4 所示。

圖4 輕量化行移位Fig.4 Lightweight shift row

從圖4 中可以看出，移位數(shù)是變量值（不是固定值），排列由無序系統(tǒng)隨機實現(xiàn)，以增加狀態(tài)數(shù)組的排列。此外，在解密過程中，輕量化后的逆行移位階段是通過使用相同的隨機移位數(shù)向右移位狀態(tài)數(shù)組來實現(xiàn)的。算法2 解釋的是修改移位行（MSR）階段的步驟。

3 實驗結果及分析

算法2：輕量化行移位階段輸入：狀態(tài)數(shù)組、無序移位數(shù)輸出：新狀態(tài)數(shù)組開始For i=1 to 4新狀態(tài)數(shù)組［i］=左移位（狀態(tài)數(shù)組［i］，無序移位數(shù)［i］）；Next i；結束

本文在內存有限制的Ubuntu 虛擬機上進行實驗，模擬了嵌入式設備運行環(huán)境。創(chuàng)建了mysqlite.db數(shù)據(jù)庫文件，插入數(shù)據(jù)后，可用sqlite3 命令行打開文件進行查看。在加密后，再次用sqlite3 打開則有“File is not adatabase”的提示不能查閱。此實驗表明了本系統(tǒng)對sqlite 數(shù)據(jù)庫加密有效。

下面將通過3 種標準進行評估：加密時間，存儲空間和雪崩效應。為展示輕量化AES 性能，實驗還加入了標準AES 和3DES 算法進行對比。表4 展示了5 條十六進制密文的示例。

表4 十六進制密文示例Table 4 Example of hexadecimal ciphertext

3.1 加密時間

利用時間函數(shù)對3 種算法的加密時間進行測試研究。在SQLite 中插入不同大小的信息，測試不同條件下加密算法的加密時間。表5 展示了加密相同SQLite 文件所花費的時間，輕量化AES 比標準AES 快約8%，比3DES 快約17%。因為輕量化AES具有比標準AES 更快捷的字節(jié)替換階段，比3DES迭代輪數(shù)更少。經(jīng)實驗證明，輕量化AES 在加密速度上表現(xiàn)優(yōu)于另兩種方法。

表5 加密時間測試Table 5 Encryption time test

3.2 存儲空間

對3 種算法進行內存占用統(tǒng)計，結果如表6 所示。輕量化AES 比標準AES 小17.8%，比3DES 小約27%。因為加密算法的工作取決于S 盒和逆S盒，輕量化AES 具有比標準AES 和3DES 更小的S盒。標準S 盒由8 個小S 盒（4x16）組成，而輕量化S盒由2x16 組成。經(jīng)統(tǒng)計，輕量化AES 在內存占用上表現(xiàn)優(yōu)于另兩種方法

表6 內存測試Table 6 Memory test

3.3 雪崩效應

雪崩效應是加密算法的一種理想擴散屬性，是指當密碼發(fā)生微小改變時，導致輸出的不可區(qū)分性改變。雪崩效應可以通過式（3）計算

雪崩效應=密文反轉字節(jié)數(shù)/密文總字節(jié)數(shù)（3）

每個輸入消息的大小由16 個字符組成，代表一個塊，更改是在明文塊和密文塊之間進行的。通過在密文中使用幾個翻轉位來計算表4 中的示例得。

由表7 可得，AES 在雪崩效應上優(yōu)于3DES，輕量化AES 略優(yōu)于標準AES。這意味輕量化AES 獲得更安全的加密SQLite 文件，不會輕易受到攻擊者的攻擊。輕量化AES 算法實現(xiàn)了較優(yōu)的數(shù)據(jù)擴散，即理論安全性。

表7 雪崩效應Table 7 Avalanche effects

4 結論

武器平臺上的諸多嵌入式設備計算能力有限，儲存狹小。本文針對這一特點對AES 加密算法進行輕量化改進，并將其應用在嵌入式SQLite 中。所提出的算法通過修改加密過程中的兩個階段：字節(jié)代替和行移位來修改排列和加密時間，同時將迭代次數(shù)縮短至4 輪。經(jīng)測試，輕量化AES 比標準AES 快8%，比3DES 快17%，內存占用比標準AES 輕17.8%，比3DES 輕27%，雪崩效應略優(yōu)于另兩種算法。輕量化AES 在SQLite 中的性能表現(xiàn)良好，達到了預期研究目標。