CN105184187A - 一种计算机存储器的加密方法和解密方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种计算机存储器的加密和解密方法，加密包括步骤：1、将需要加密的数据划分为多个数据块；2、对每个数据小块进行hash运算，对得到的结果做加密运算，得到数据块对应的中间变量（标记为PAD）；3、判断要写入的数据的地址是否非易失性存储器中频繁写的热区；4、将热区数据块的PAD值放在缓存中；5、通过把数据块的内容与其对应的PAD值做异或运算得到加密后的数据；解密包括步骤：1、读取要解密的数据块；2、判断要读取的数据块是否为热区数据，如是，热区数据则从缓存里读取其对应的中间变量（PAD）；否则，按加密过程的方法，计算PAD值；3、通过把数据块的内容与其对应的PAD值做异或运算得到最初的数据。本发明具有如下的优点：实现了系统功耗的节约，降低系统时延。

Description

一种计算机存储器的加密方法和解密方法

技术领域

本发明属于计算机存储安全技术领域，具体涉及一种非易失存储器的加密方法和解密方法。

背景技术

非易失性存储器（NonVolatileMemory）是最有前景取代传统存储器件（比如SRAM和DRAM）的存储媒介，它有着集成度高、漏电功耗低、访问速度快、非易失等特性，并已开始替代传统的DRAM存储器应用在移动设备系统中。虽然非易失性存储器比DRAM的寿命要持久、漏电功耗低，但它的非易失特性使得其很容易受到外围恶意程序的攻击。非易失性存储器在断电后数据仍然保存，针对非易失性存储器的一个很典型的攻击就是物理攻击，攻击者很容易获取存储器里面的用户机密信息，这就为非易失性存储器在移动系统中的使用带来了很大的挑战。近年来非易失性存储器得到学术界和工业界的广泛关注，研究人员针对其性能改进做了大量优化工作，未来非易失性存储器将在存储器领域中占据主要角色，而存储数据的安全性便成为人们关注的要点。

智能手机等移动设备日益普及，大量的用户私密信息存储在设备里，存储信息的安全性急待解决。提高移动设备的数据安全性尤为重要。针对非易失性存储器在移动系统中的安全性研究已经展开，S.ChhabraandD.Solihin,“i-nvmm:asecurenon-volatilemainmemorysystemwithincrementalencryption”,The38thAnnualInternationalSymposiumoninComputerArchitecture(ISCA),pp.177–188,IEEE,2011（S.ChhabraandD.Solihin，i-nvmm:一种基于增量加密的安全非易失内存系统，第38借计算机系统结构国际研讨会2011，第177-188页）于2011年提出名为i-NVMM的基于AES的加密算法。该技术采用AES算法加密在NVM的冷区数据，在结束应用程序是菜加密所有的数据。虽然i-NVMM加密技术能最小化延迟和能量开销，而比冷区数据更敏感的热区数据却不受保护，存在很大的安全隐患。J.KongandH.Zhou,“Improvingprivacyandlifetimeofpcm-basedmainmemory,”

InternationalConferenceonDependableSystemsandNetworks(DSN),pp.333–342,IEEE,2010（J.KongandH.Zhou，改善基于相变存储器内存的私密性和寿命，可靠性系统和网络的国际会议2010，第333-342页）介绍一个基于counter-modeXOR加密技术，为每个内存数据块计算crypto-PAD代替直接与AES加密数据，然而该算法却增加存储代价。目前，现有技术并没有考虑到移动系统中数据的访存和数据特性，主要采用直接加密算法或者加密部分数据，但降低了系统的整体性能，如增加了功耗和增加了时延。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是从操作系统中资源管理的层面，提供一种计算机存储器的加密方法，它能降低存储器数据加密所需的功耗；相应地，还提供一种计算机存储器的解密方法，它降低系统的时延，保证系统快速响应。

要解决上述技术问题，本发明提供的一种计算机存储器的加密方法，包括有以下步骤：

步骤1、将需要加密的数据划分为多个数据块；

步骤2、对每个数据小块进行hash运算，对得到的结果做加密运算，得到数据块对应的中间变量值（记为PAD值）；

步骤3、判断要写入的数据的地址是否非易失性存储器中频繁写的热区；

步骤4、将热区数据块的PAD值放在缓存中；

步骤5、通过把数据块的内容与其对应的PAD值做异或运算得到加密后的数据；

步骤6、将加密后的数据写入非易失性存储器的存储单元。

本发明还提供的一种计算机存储器的解密方法，包括有以下步骤：

步骤1、读取要解密的数据块；

步骤2、判断要读取的数据块是否为热区数据，如是，热区数据则从缓存里读取其对应的PAD值；否则，按加密过程的方法，去重新计算PAD值；

步骤3、通过把数据块的内容与其对应的PAD值做异或运算得到最初的数据。

由于本发明的加密方法通过步骤4不断地把属于热区的数据块的PAD值缓存起来，避免了大量解密过程中PAD值的重计算操作，从而降低了系统功耗，延长了系统电池的寿命。由于本发明提出的加密算法的解密过程在步骤2中获取PAD值时，与非易失性存储器访问数据能并行执行，减少了系统解密的时间，缩短系统响应的时延。

本发明具有如下的优点：避免了频繁被写的热区数据块PAD值的重计算操作，实现了系统功耗的节约；另外，PAD值的获取与数据块的访问可以并行执行，实现了系统时延的降低即延长设备的寿命，能保证系统快速响应。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1为本发明数据加密的流程图；

图2为本发明数据解密的流程图；

图3本发明的数据存储状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1所示，本发明的数据加密流程如下：程序开始于步骤101；

在步骤102，根据具体应用程序，初始化热区的起始逻辑地址、热区长度，保存热区起始物理地址的初始化；

在步骤103，数据分块，将要写入的数据分成大小相同的块，数据块可以设置为不同的大小尺寸，比如128Bits，256Bits，512Bits，1024Bits等；

在步骤104，判定要写入的数据块是否完成全部加密，若已完成，则执行步骤112，否则，执行步骤105；

在步骤105，对将要写入的数据块采用目前最广泛使用的hash算法SHA(SecureHashAlgorithm，译作安全杂凑算法)，得到hash操作的输出结果（记为Mid）；

Hash函数属于很成熟的信息安全领域的加密算法，“AnOverviewofIncrementalHashFunctionBasedonPairBlockChaining”.Yunling,S.,&Xianghua,M.InformationTechnologyandApplications,(2010)，InternationalForumon(Vol.3,pp.332-335).IEEE.（“一个基于双块连接的增量hash函数综述”，Yunling,S.,&Xianghua,M，国际信息技术和应用研讨会2010，第332-335页）于2010年7月做了一个基于双链接的增量hash函数的综述，也就是对hash函数做了理论，有效性，安全和应用方面的整体分析。

在步骤106，依据数据块的逻辑地址，将hash函数的输出结果Mid保存在hash表里；

在步骤107，用高级加密算法AES对数据块的hash函数输出结果做加密操作，其对应输出命名为PAD；

AES高级加密标准已经是存在的技术，已被多方分析且广为全世界所使用，“Energyefficientin-memoryAESencryptionbasedonnonvolatiledomain-wallnanowire.Wang,Y.,Yu,H.,Sylvester,D.,&Kong,P.(2014)Design,Automation&TestinEuropeConference&Exhibition(pp.1-4).IEEE.”（一直能量有效性的基于非易失电畴壁纳米线的内存AES加密算法，Wang,Y.,Yu,H.,Sylvester,D，欧洲设计自动化与测试研讨会2012，第1-4页）于2014年5月推出了一种能量有效性的AES加密算法，并详细介绍了各种部分的实现过程和功能。

在步骤108，判定写入的数据块的逻辑地址是否属于热区，若是，则执行步骤109，否则，执行步骤110；

在非易失性存储器中，针对具体应用程序有一个频繁写操作的区域，简称为“热区”，而存在“热区”上的数据块对应的PAD，在加密方案中缓存起来；其他大量的区域很少有写操作，甚至没有写操作，这部分区域简称“冷区”。

判定储器热区和冷区的方法属于现有技术，"Bloomfilter-baseddynamicwearlevelingforphase-changeRAM",JoosungYun;SungguLee;SungjooYoo,Design,Automation&TestinEuropeConference&Exhibition(DATE)，2012，Page(s)1513-1518，ISSN：1530-1591（“基于布隆过滤器的相变存储器动态损耗均衡方法”，JoosungYun；SungguLee；SungjooYoo，欧洲设计自动化与测试研讨会2012，第1513-1518页，国际标准连续出版物编号ISSN：1530-1591）于2012年3月公开了一种用布隆过滤器（bloomfilter）识别热地址的方法，该方法是先给每个布隆过滤器设置一个计数器，然后使用与布隆过滤器数量相同的hash函数对每个有写操作的地址进行散列，hash函数能将写操作的次数映射到与地址相关的计数器，增加计数器的值，通过计数器确定热区地址。

在步骤109，如果要写入的数据的地址属于热区地址，将对应数据块的PAD值保存在缓存里，如果要写入的数据的地址属于冷区地址，将对应数据块的PAD值保存在内存里，然后执行步骤110；

在步骤110，将数据块的原始内容与其对应的PAD值做异或运算，得到密文；

在步骤111，将密文数据块写入非易失性存储器对应的存储单元，然后返回步骤104；

在步骤112，程序结束。

如图2所示，本发明的解密流程如下：程序开始于步骤201，

在步骤202，接收到读取数据的指令，统计要读入的数据块；

在步骤203，判定要读取的数据块是否已经解密完，若是，则执行步骤209；否则，执行步骤204；

在步骤204，判断要读取的数据块的逻辑地址是否属于热区，若是，则执行步骤205；否则执行步骤206；

在步骤205，如果数据的逻辑地址属于热区地址，从缓存里读取数据块对应的PAD值，然后执行步骤208；

在步骤206，如果数据的逻辑地址属于冷区地址，从hash表里读数据块对应Mid值，执行步骤207；

在步骤207，用高级加密算法对Mid进行加密，得到冷区地址对应数据块的PAD值；然后执行步骤208；

在步骤208，将从非易失性存储单元里读数的数据块内容与其对应的PAD值做逻辑运算异或操作，得到要读入的数据，然后返回步骤203；

在步骤209，程序结束。

如图3所示，本发明的数据存储状态如下：

图中（a）为数据分块，把要写入的数据或者加密的数据划分为大小相同的数据块。

图中（b）为非易失性存储器的内存结构，该存储器空间分为热区和冷区，图中，热区包含0，1和2三个小块，冷区包含3、4、5以及其余小块；图（a）中的数据块0将写入热区0、数据块1将写入冷区4、数据块2将写入热区1。

图中（c）为缓存所保存的数据，将热区数据块0的PAD值存储在缓存物理地址0，热区数据块1的PAD值存储在缓存物理地址1；冷区数据块的PAD值不存入缓存中。

Claims (2)

1.一种计算机存储器的加密方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1、将需要加密的数据划分为多个数据块；

步骤2、对每个数据小块进行hash运算，对得到的结果做加密运算，得到数据块对应中间变量（标记为PAD值）；

步骤3、判断要写入的数据的地址是否非易失性存储器中频繁写的热区；

步骤4、将热区数据块的对应存储的PAD值放在缓存中；

步骤5、通过把数据块的内容与其计算得到的对应的PAD值做异或运算得到加密后的数据；

步骤6、将加密后的数据写入非易失性存储器的存储单元。

2.一种计算机存储器的加密方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1、读取要解密的数据块；

步骤2、判断要读取的数据块是否为热区数据，如是，热区数据则从缓存里读取其对应的PAD值；否则，按加密过程的方法，去重新计算PAD值；

步骤3、通过把数据块的内容与其对应的PAD值做异或运算得到最初的数据。