CN104636276A - 一种保护内存存储器数据机密性和完整性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种内存数据机密性和完整性保护方案。它的实现方法是：将系统为数据块分配的counter_assigned和数据块的地址作为带密钥的MAC函数的输入，计算加解密过程中使用的counter_use，根据计算得出的counter_use计算本次加解密使用的密钥key_use。本发明方法与传统的计数器模式加密方法相比，可以平滑的消除counter溢出对系统计算资源占用的影响，允许系统为数据块分配较短的counter，减少counter占用的存储空间，同时保留计数器模式加密方法在系统性能方面的优势，并且保护内存数据的完整性。

Description

一种保护内存存储器数据机密性和完整性的方法

技术领域

本发明属于计算机数据存储保护技术领域，涉及一种保护内存存储器数据机密性和完整性的方法。

背景技术

随着科学技术的发展，存储在计算机内存中的数据越来越多、越来越重要，内存也由此遭到越来越多的攻击，所以需要对其机密性进行保护，防止信息泄露。内存数据机密性保护领域最常使用的加密方法是计数器模式加密，因为在不考虑counter溢出的情况下，计数器模式加密只会在数据的关键路径上添加一个异或操作引起的延迟。但是counter溢出会使得系统暂停正在进行的任务，分配新的密钥和counter，进行重新加密，占用非常多的系统计算资源。

发明内容

本发明的目的在于提供一种加解密使用的counter的构建方法，改进计数器模式加密方法，消除counter溢出对系统性能的影响，保留计数器模式加密在性能方面的优势，同时保护系统内存数据的完整性。

本发明的技术方案包括以下两个部分：

当CPU将数据块写回内存时：

1.1.1系统为需要写回的数据块分配新的counter_assigned，counter_assigned可以这样产生，其初始为0，每次产生则自身加(1)，可以保证其在溢出之前不重复；

1.1.2使用counter_assigned计算用于加解密的counter_use，如式(1)，其中||为连接运算，addr_block为数据块的地址；

counter_use＝Hash_key(addr_block||counter_assigned)      (1) 

1.1.3使用计算的counter_use计算本次加密使用的密钥key_use；

1.1.4应用计数器模式加密方法对数据块加密；

1.1.5检查是否可以将counter_use存储在片上缓存中。如果可以存储在片上缓存中，则存储在片上缓存中；否则，丢弃。

1.1.6将数据块和counter_assigned写回内存。

当CPU从内存读取数据块时：

1.2.1首先从内存读取数据块；

1.2.2检查这个数据块的counter_use是否存储在片上。如果不在片上缓存中，从

内存中读取这个数据块的counter_assigned，将counter_assigned和数据块的地址作为带密

钥的MAC函数的输入计算counter_use，如式(1)；

1.2.3应用计数器模式加密方法解密这个数据块；存储在counter缓存中的是计算的得到的counter_use，而不是系统为数据块分配的counter_assigned。

系统可以预先分配多个密钥在片上存储，使用计算得到的counter_use对系统中可用的密钥的数量求余，确定需要使用哪个密钥key_use对数据块进行加解密，如式(2)，其中mod是取摸运算。

key_use＝key_i,i＝counter_use mod n      (2) 

可以在式(1)中添加另一个非常短的输入counter_i，其产生方式同counter_assigned，counter_i可以在内存中单独存储，如式(3)或式(4)，其中addr_block为数据块的地址。

counter_use＝Hash_key(addr_block||counter_assigned||counter_i)      (3) 

Counter_use＝Hash_key(Hash_key(addr_block||counter_assigned)||counter_i)      (4) 

可以在式(2)中添加另一个非常短的输入counter_i参与密钥key的选择，counter_i可以在内存中单独存储，如式(5)，其中||为连接运算，mod是取摸运算。

key_use＝key_i,i＝(Hash_key(counter_use||counter_i))mod n(5) 

本发明可以平滑的消除counter溢出对系统性能的影响。系统为数据块分配的counter_assigned发生溢出，并不意味这系统实际使用的counter_use发生溢出，而且counter_use发生溢出的可能性以及攻击者找到溢出发生的可能性都非常小。

本发明允许系统为数据块分配较小的counter，降低counter导致的存储空间消耗。

本发明可以显著的降低机密性保护对系统性能的影响。与现存的使用全局counter的计数器模式相比，本发明实质上消除了counter溢出的问题，不需要进行大消耗的counter溢出处理。当需要从内存中读取需要的counter时，只会在数据的关键路径上添加进行hash计算的延迟，而根据程序的局部性原理，需要从内存中读取counter_assigned来计算counter_use的次数是较少的，所以从总体来看，引起的性能消耗远比使用全局counter的小。

附图说明

图1是改进的计数器模式加密方法的框架图。

图2是CPU从内存中读取数据块的流程图。

图3是CPU将数据块写回内存的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。具体实现过程如下，结合图1、2和3：

当CPU从内存中读取一个数据块时：

①CPU从内存中读取需要的数据块；

②检查这个数据块对应的counter_use是否在counter缓存中；

③如果counter_use在counter缓存中，转到⑥；

④如果counter_use不在counter缓存中，从内存中读取系统为这个数据块分配的counter_assigned；

⑤使用取到的counter_assigned和数据块的物理地址作为带密钥的MAC函数的输入，计算counter_use；

⑥使用计算得到的counter_use对系统中可用的密钥数量求余，确定进行加解密操作使用的key_use；

⑦应用计数器模式加密方法对数据块进行解密操作；

⑧程序结束。

当CPU将一个数据块写回内存时：

①系统为这个数据块分配最新的counter_assigned；

②使用分配的counter_assigned和这个数据块的物理地址作为带密钥的MAC函数的输入，产生用于加解密的counter_use；

③使用计算得到的counter_use对系统中可用的密钥数量求余，确定进行加解密操作使用的key_use；

④应用计数器模式加密方法对数据块进行解密操作；

⑤将加密后的数据块和counter_assigned写回到内存；

⑥检查是否可以将counter_use存储在片上的counter缓存中；

⑦如果可以存储在counter缓存中，则存储；

⑧如果不可以存储在counter缓存中，则丢弃；

⑨程序结束。

如上面描述的那样，新方法是用系统分配的counter_assigned和数据块的物理地址的连接作为带密钥的MAC函数的输入计算实际使用的counter_use，配合其他的一些机制，平滑的消除了counter溢出对系统性能的影响，允许系统为数据块分配较小的counter。

Claims (4)

1.一种保护内存存储器数据机密性和完整性的方法，其特征在于在CPU中设置n个密钥，key₁，…，key_n，使用系统为数据块分配的counter_assigned计算用于加解密这个数据块的counter_use，并且根据计算得到的counter_use选择使用哪个密钥key_use进行加解密；具体包括以下两个部分：

当CPU将数据块写回内存时：首先，系统为需要写回的数据块分配新的counter_assigned，counter_assigned可以这样产生，其初始为0，每次产生则自身加(1)，保证其在溢出之前不重复；然后使用counter_assigned计算用于加解密的counter_use，如式(1)：

counter_use＝Hash_key(addr_block||counter_assigned)    (1) 

其中||为连接运算，addr_block为数据块的地址，Hash_key为CPU中预分配的带密钥的Hash函数；使用计算的counter_use选择本次加密使用的密钥key_use；应用计数器模式加密方法对数据块加密；检查是否可以将counter_use存储在片上缓存中；如果可以存储在片上缓存中，则存储在片上缓存中；否则，丢弃；最后将数据块和counter_assigned写回内存；

当CPU从内存读取数据块时：首先从内存读取数据块；然后检查这个数据块的counter_use是否存储在片上；如果不在片上缓存中，从内存中读取这个数据块的counter_assigned，将counter_assigned和数据块的地址作为带密钥的Hash函数的输入计算counter_use，如式(1)；最后应用计数器模式加密方法解密这个数据块。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于系统预先分配多个密钥在片上存储，使用计算得到的counter_use对系统中可用的密钥的数量求余，确定需要使用哪个密钥key_use对数据块进行加解密，如式(2)：

key_use＝key_i,i＝counter_use mod n    (2)

其中mod是取摸运算。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于在式1中添加另一个输入counter_i，其产生方式同counter_assigned，counter_i在内存中单独存储，如式(3)或式(4)：

counter_use＝Hash_key(addr_block||counter_assigned||counter_i)    (3) 

Counter_use＝Hash_key(Hash_key(addr_block||counter_assigned)||counter_i)    (4) 

其中addr_block为数据块的地址。

4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于在式(2)中添加另一个输入counter_i参与密钥key的选择，counter_i在内存中单独存储，如式(5)：

key_use＝key_i,i＝(Hash_key(counter_use||counter_i))mod n    (5) 

其中||为连接运算，mod是取摸运算。