CN101582760A - 一种基于树结构的密钥加密存储方法 - Google Patents

Abstract

一种基于树结构的密钥加密存储方法，属可信计算技术领域；其采用了二叉树分层加密技术，把对许多数据加密密钥的保护转变成了对一个主密钥的保护，包括二叉树初始化以及数据加密密钥插入、删除和读取四个部分；二叉树的根节点代表主密钥，存放在可信密码模块中，其余节点代表的密钥存放在外存中，其中，叶节点代表数据加密密钥；非根节点存放时总是用上层父节点对其进行加密，因此，数据加密密钥被使用时必须还原；该方法节省了可信密码模块的存储空间，又能存储大量密钥，可广泛应用于高安全等级的计算机信息系统中。

Description

一种基于树结构的密钥加密存储方法

(一)技术领域

用于对称密钥加密存储的方法属于可信计算技术领域，是信息安全的核心技术之一。

(二)背景技术

在可信计算领域中，对称密钥的安全存储是一个关键问题，因为如果对称密钥一旦泄密，则相关密文就不安全。

目前，普遍采用的存储方法是把对称密钥分别存储到软盘或闪存中，由用户随身携带或存放在一个安全的地方。但是，这样做很不方便。一是这种方式需要大量的软盘或闪存；二是这种方式需要用户总是守在计算机旁边；三是这种内外交互的方式降低了应用程序的运行速度。

随着密码技术在计算机系统和通信系统中的大量使用，应用程序总是频繁地在做加密、解密、数字签名或身份验证运算。因此，传统的对称密钥存储方法已不适应新时代的要求。另一方面，可信计算技术为在硬盘、闪存等外存中大量实时存储对称密钥提供了可能。

(三)发明内容

在可信计算中，经常需要用到密码体制，尤其是对称密码体制。其特点是运行速度快。当加密、解密在同一台计算机中进行时，对称密钥不需要传递。但需要存储在硬盘或闪存(介质)中，以便应用系统对其进行实时访问。

为了防止对称密钥泄密，在存储到介质前，应先对其进行加密。相应地，当对称密钥被从介质读取到内存时，应对其进行解密。

本发明实现了对称密钥在应用信息系统中的安全、快速、方便访问，为构造大型、复杂、安全的应用信息系统提供了保障。在电子商务、电子政务和电子金融等信息系统中有着广泛而重要的应用。

3.1几个基本概念

二叉树：计算机程序中的一种数据结构，由节点构成。有唯一的根节点，每个节点最多有两个子节点。没有子节点的节点称为叶节点。

二叉树犹如一棵倒长的分层次的树，根节点可视为零层，其次是第一层、第二层等等。显然，第一层最多有2个节点，第二层最多有4个节点，...，第h层最多有2^h个节点。整个树最多有2^h+1-1个节点。

可信密码模块：可信平台控制模块中的一个子模块，可以当作硬件的一部分，用来产生密钥和存储有限密钥，由于采用物理保护方式，它们不可能被外界窃取和非法获得。简称为TCM(Trusted Cipher Module)。由于可信密码模块存储空间很小，因此，只能存储少数非常重要的密钥。

数据加密密钥：用来加密数据的对称密钥。对应于二叉树中的中间节点。

密钥加密密钥：用来加密密钥的对称密钥。对应于二叉树中的根节点。

系统主密钥：可信密码模块产生的一个对称密钥，并存储在可信密码模块中，用来加密其它的对称密钥，它位于二叉树根节点上。简称SMK(System Main Key)。

显然，系统主密钥也是一个密钥加密密钥。

密钥路径：从叶节点到根节点的一串节点，可根据节点中的父指针依次往上追溯。

设symCrypt为一个对称算法，加密调用形式为symCrypt(plain，key，0)，返回加密后的plain值，为密文；解密调用形式为symCrypt(cipher，key，1)，返回解密后的cipher值，为明文。

令‘←’表示把右边的值赋给左边的变量。

令Null表示空值。

3.2二叉树的初始化

定义一个含5个域的结构体类型BiTreeNode{keyV，keyN，parent，lChild，rChild}。

其中，keyV用来存放对称密钥值；keyN用来存放对称密钥编号，用于应用程序访问相应的数据加密密钥，从1开始编号，若其值为0，则表示keyV为密钥加密密钥；parent用来存放节点的父指针；lChild用来存放左孩子指针；rChild用来存放右孩子指针。

用节点变量名+‘.’+域名来标识节点的域。例如，aSMK.keyN标识根节点的对称密钥编号(见下)。

(1)开辟一个类型为BiTreeNode的存储单元aSMK

(该单元作为二叉树的根节点)，

(2)随机生成用于symCrypt的主密钥，并存入TCM的永久单元SMK中，

置aSMK.keyV←Null，

(3)置aSMK.parent←Null、aSMK.lChild←Null、aSMK.rChild←Null，

置aSMK.keyN←0，

(4)把该树结构存入到一个永久磁盘文件中。

注意，该文件会随着二叉树的长大而长大。应用程序每次运行时，调入二叉树到内存，并调整有关值。结束运行前，把二叉树重新写入磁盘文件中。

磁盘文件中的二叉树，其根节点的密钥值为Null，其余节点(包括叶节点)的密钥值都采用symCrypt和父密钥加密后存放。这样，把对许多数据加密密钥的保护转变成了对SMK的保护。

二叉树调入内存后，根节点为aSMK，根节点的密钥值应该置为SMK，其余节点的指针值可能也要根据内存分布情况做一定调整。

3.3数据加密密钥插入

本部分是把一个用于加密数据的对称密钥加入到二叉树中。

假设二叉树已被应用程序调入内存，根节点为aSMK。

输入：明文形式的对称密钥值iKeyV，对称密钥编号iKeyN。

输出：对称密钥iKeyN的节点地址。

(1)在内存中开辟一个BiTreeNode类型的存储单元newLeaf，

(2)置newLeaf.keyN←iKeyN，newLeaf.lChild←Null、newLeaf.rChild←Null，

(3)按纵向优先搜索二叉树aSMK，

若找到一个中间节点mNode有空指针，那么

(3.1)根据mNode的密钥路径，利用SMK分层解密路径上的各密钥，令pKey←解密的mNode.keyV，

(3.2)若mNode.lChild＝Null，则mNode.lChild←newLeaf的地址，否则mNode.rChild←newLeaf的地址，

(3.3)令newLeaf.parent←mNode的地址，

(3.4)做newLeaf.keyV←symCrypt(iKeyV，pKey，0)，

(4)如果未找到任何中间节点有空指针，则设最左边的叶节点为dlNode，

(4.1)开辟另一个BiTreeNode类型的存储单元oldLeaf，

令dlNode.lChild←oldLeaf的地址，dlNode.rChild←newLeaf的地址，

令oldLeaf.parent←dlNode的地址，newLeaf.parent←dlNode的地址，

置oldLeaf.lChild←Null，oldLeaf.rChild←Null，

置oldLeaf.keyN←dlNode.keyN，dlNode.keyN←0，

(4.2)根据dlNode的密钥路径，利用SMK分层次解密路径上的各密钥，令pKey←解密的dlNode.parent.keyV，

做oldKey←symCrypt(dlNode.keyV，pKey，1)，

随机生成一个用于symCrypt的对称密钥rKey，

做oldLeaf.keyV←symCrypt(oldKey，rKey，0)，

做newLeaf.keyV←symCrypt(iKeyV，rKey，0)，

做dlNode.keyV←symCrypt(rKey，pKey，0)，

(5)返回newLeaf的地址。

3.4数据加密密钥删除

本部分是从二叉树中删除一个叶节点，该叶节点存放有用于加密数据的对称密钥。

假设二叉树已被应用程序调入内存，根节点为aSMK。

输入：对称密钥编号dKeyN。

输出：‘删除成功’或‘未找到相应编号的密钥’。

(1)按纵向优先搜索二叉树aSMK，

若找到一个叶节点有dNode.keyN＝dKeyN，那么

(1.1)如果dNode.parent.lChild＝dNode的地址，

则dNode.parent.lChild＝Null，

否则dNode.parent.rChild＝Null；

(1.2)释放dNode的内存空间，

(1.3)返回‘删除成功’，

(2)否则，返回‘未找到相应编号的密钥’。

3.5数据加密密钥读取

本部分是从二叉树的叶节点中找到相应的对称密钥编号，然后，把密钥值解密成明文形式并返回。

假设二叉树已被应用程序调入内存，根节点为aSMK。

输入：对称密钥编号fKeyN。

输出：解密后的密钥值或‘未找到相应编号的密钥’。

(1)按纵向优先搜索二义树aSMK，

若找到一个叶节点有fNode.keyN＝fKeyN，那么

(1.1)根据fNode的密钥路径，利用SMK分层次解密路径上的各密钥，

(1.2)令pKey←解密的fNode.parent.keyV，

(1.3)做plainKey←symCrypt(fNode.keyV，pKey，1)，

(1.3)返回plainKey，

(2)否则，返回‘未找到相应编号的密钥’。

3.6优点和积极效果

3.6.1安全性较高

采用了可信计算技术，主密钥SMK存储在可信密码模块中，防止了任何人的偷窃和非法访问。

3.6.2效率较高

采用了二叉树分层加密技术，把对许多数据加密密钥的保护转变成了对一个SMK的保护，效率提高较明显。

3.6.3运算速度较快

应用程序启动后，二叉树可调入内存，对某个数据加密密钥的访问直接从内存而不是从外存读取，这样，极大地提高了密钥的访问速度。

(四)具体实施方式

本发明阐述了一种高效的密钥保护与存储方法，它结合了可信计算技术和二叉树存储技术，包括4个部分：二叉树初始化、插入一个数据加密密钥、删除一个数据加密密钥、读取一个数据加密密钥。

这4部分可以作为子程序分别用逻辑电路芯片或程序语言来实现，同时，为其它应用程序提供调用接口，包括子程序名、调用参数个数、输入参数和返回参数等。

Claims (1)

1、一种基于树结构的密钥加密存储方法，由二叉树初始化、数据加密密钥插入、数据加密密钥删除和数据加密密钥读取四个部分组成，把对许多数据加密密钥的保护转变成了对一个主密钥的保护，主密钥存储在可信密码模块中，其余密钥存储在外存中，其特征在于

·二叉树初始化部分采用了下列步骤：

定义结构体BiTreeNode为{keyV，keyN，parent，lChild，rChild}，做

(1)开辟一个类型为BiTreeNode的存储单元aSMK，

(2)随机生成一个主密钥，存入TCM的单元SMK中，置aSMK.keyV←Null，

(3)置aSMK.parent、aSMK.lChild、aSMK.rChild←Null，置aSMK.keyN←0，

(4)把该树结构存入到一个永久磁盘文件中；

·数据加密密钥插入部分采用了下列步骤：

输入明文形式的对称密钥值iKeyV、对称密钥编号iKeyN，做

(1)在内存中开辟一个BiTreeNode类型的存储单元newLeaf，

(2)置newLeaf.keyN←iKeyN，newLeaf.lChild、newLeaf.rChild ←Null，

(3)按纵向优先搜索二叉树aSMK，

若找到一个中间节点mNode有空指针，那么

(3.1)根据mNode的密钥路径，利用SMK分层解密路径上的各密钥，令pKey←解密的mNode.keyV，

(3.2)若mNode.lChild＝Null，则mNode.lChild←newLeaf的地址，否则mNode.rChild←newLeaf的地址，

(3.3)令newLeaf.parent←mNode的地址，

(3.4)做newLeaf.keyV←symCrypt(iKeyV，pKey，0)，

(4)如果未找到任何中间节点有空指针，则设最左边的叶节点为dlNode，

(4.1)开辟另一个BiTreeNode类型的存储单元oldLeaf，

令dlNode.lChild←oldLeaf的地址，dlNode.rChild←newLeaf的地址，

令oldLeaf.parent←dlNode的地址，newLeaf.parent←dlNode的地址，

置oldLeaf.lChild←Null，oldLeaf.rChild←Null，

置oldLeaf.keyN←dlNode.keyN，dlNode.keyN←0，

(4.2)根据dlNode的密钥路径，利用SMK分层次解密路径上的各密钥，

令pKey←解密的dlNode.parent.keyV，

做oldKey←symCrypt(dlNode.keyV，pKey，1)，

随机生成一个用于symCrypt的对称密钥rKey，

做oldLeaf.keyV←symCrypt(oldKey，rKey，0)，

做newLeaf.keyV←symCrypt(iKeyV，rKey，0)，

做dlNode.keyV←symCrypt(rKey，pKey，0)，

(5)返回newLeaf的地址；

·数据加密密钥删除部分采用了下列步骤：

输入对称密钥编号dKeyN，做

(1)按纵向优先搜索二叉树aSMK，

若找到一个叶节点有dNode.keyN＝dKeyN，那么

(1.1)如果dNode.parent.lChild＝dNode的地址，

则dNode.parent.lChild＝Null，

否则dNode.parent.rChild＝Null，

(1.2)释放dNode的内存空间，

(1.3)返回‘删除成功’，

(2)否则，返回‘未找到相应编号的密钥’；

·数据加密密钥读取部分采用了下列步骤：

输入对称密钥编号fKeyN，做

(1)按纵向优先搜索二叉树aSMK，

若找到一个叶节点有fNode.keyN＝fKeyN，那么

(1.1)根据fNode的密钥路径，利用SMK分层次解密路径上的各密钥，

(1.2)令pKey←解密的fNode.parent.keyV，

(1.3)做plainKey←symCrypt(fNode.keyV，pKey，1)，

(1.3)返回plainKey，

(2)否则，返回‘未找到相应编号的密钥’。