專利名稱：數(shù)據(jù)安全保護終端的制作方法
數(shù)據(jù)安全保護終端技術領域
本發(fā)明屬于云計算技術領域，具體涉及公共云計算環(huán)境中，數(shù)據(jù)安全保護系統(tǒng)。
背景技術：
早在1983年,sunMicrosystems就提出了“網(wǎng)絡即計算機”的概念。受益分布式計算和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，人們逐漸開始關注互聯(lián)網(wǎng)閑置的存儲和計算能力，希望通過建立一個具有無限延展能力的資源池，為人們提供一個內(nèi)容更豐富，速度更快的超級計算機，這就是我們一直在討論的云。從硬件角度，云是一個多對一的概念，整個互聯(lián)網(wǎng)的資源被整合起來用于滿足個人和企業(yè)的需求，云對個人終端要求更低，可以有效地降低個人及企業(yè)的IT支出；從服務角度，云是一個一對多的概念，一個應用被分拆至多個服務器并行運算，網(wǎng)絡的無線延展性讓這種運算能力充滿吸引力。
云安全包括首先，用戶數(shù)據(jù)的私密性，保護用戶數(shù)據(jù)不被竊?。黄浯?，保護程序不被篡改，按照用戶的意圖正確執(zhí)行；第三，云架構的穩(wěn)定性，保證服務質(zhì)量。但是，由于數(shù)據(jù)的存儲和執(zhí)行不在本地進行，云平臺下的安全問題變得更加復雜。如果假設通過網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)的過程是安全的，云計算與個人電腦最大的區(qū)別就在服務終端，即需要保護客戶數(shù)據(jù)在服務終端的安全。
本發(fā)明提出了一種數(shù)據(jù)安全保護系統(tǒng)，保護服務終端中的數(shù)據(jù)安全。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種數(shù)據(jù)安全保護終端，包括數(shù)據(jù)私密性保護和完整性保護；其中數(shù)據(jù)私密性保護模塊采用AES算 法對片外數(shù)據(jù)和程序提供私密性保護；數(shù)據(jù)完整性保護模塊通過引入加密摘要保護數(shù)據(jù)的完整性。對分組明文進行特殊處理，并對加密過程進行充分優(yōu)化。采用MlSR產(chǎn)生摘要，通過AES加密摘要。采用本安全終端，可以大大降低緩存中數(shù)據(jù)的缺失率。


圖1為安全終端私密性保護硬件框圖。
圖2為安全終端完整性保護硬件框圖。
具體實施方式
終端常常需要面對多種安全挑戰(zhàn)。第一類攻擊假設攻擊者不能直接接觸到終端， 他們可以在終端上運行惡意代碼，通過改變程序的執(zhí)行順序，使得攻擊程序獲得系統(tǒng)權限或者其他進程的訪問權限，竊取數(shù)據(jù)甚至破壞程序的正常進行。其中常常被提及的一類攻擊稱為buffer overflow.由于各個進程以及操作系統(tǒng)共享數(shù)據(jù)棧，它們在地址上不實施隔離，buffer overflow通過訪問其他進程或操作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)棧，并用惡意程序的地址替代其它進程的返回地址。從而改變受害程序的執(zhí)行順序。第二類攻擊方式稱作格式化字符竄攻擊。攻擊者將精心設計的字符串作為輸入交由標準輸出函數(shù)(如PrintfO)進行解析處理，就可以泄露甚至修改任何地址空間的數(shù)據(jù)，達到影響程序執(zhí)行的目的。
如果控制了服務終端，攻擊者可以調(diào)用一切資源對來自客戶的數(shù)據(jù)和應用進行破壞，攻擊者甚至可以發(fā)起攻擊控制操作系統(tǒng)，使用系統(tǒng)權限更改數(shù)據(jù)，改變軟件執(zhí)行進程。 普遍認為惡意終端發(fā)起的攻擊不可能完全防御，但通過提供更強的安全機制，有可能大大增加攻擊的代價，保護數(shù)據(jù)安全。
本發(fā)明提出了一種安全終端。采用AES算法對片外數(shù)據(jù)和程序提供私密性保護， 并通過弓I入加密摘要保護數(shù)據(jù)的完整性。
如圖1所示,如果發(fā)生1-Cache讀缺失,1-Cache會通過連續(xù)的讀操作從片外存儲器讀取一個由AES加密過的數(shù)據(jù)塊，加密數(shù)據(jù)通過總線到達1-Cache之前，首先通過AES加解密模塊進行解密，AES密鑰由密鑰寄存器堆提供，可以通過安全指令進行修改。數(shù)據(jù)的讀操作過程完全類似，寫操作過程對于不同的寫策略操作過程有一些不同。如果采用直寫策略，寫命中情況下，更新D-Cache數(shù)據(jù)的同時，對數(shù)據(jù)進行加密，更新外圍存儲器；當發(fā)生寫缺失時，不能立即更新外圍存儲器，需要先將數(shù)據(jù)讀入緩存，修改后，重新加密后寫回外部存儲器。采用回寫策略，寫入D — Cache的數(shù)據(jù)并不需要馬上更新外圍存儲器，只有修改過的數(shù)據(jù)被替換出緩存時，才需要更新外部存儲器，引起一次數(shù)據(jù)加密操作。
假設1-Cache 和 D — Cache 得缺失率分別為 imiss-rate% 和 dmiss_rate%, load 和 store 指令出現(xiàn)的概率為1/3，在原有的系統(tǒng)中，所有缺失引起的性能損失為Cpenelty，引入私密性保護，假設每次缺失都會弓I入一次AES操作，且一次AES加密/解密需要CAE個時鐘周期， 則引入數(shù)據(jù)私密性保護。
假設缺失引起的性能損失為100個時鐘周期。一方面，系統(tǒng)的性能損失隨著Caes的降低線性降低；另一方面，性能損失隨緩存缺失率的降低而降低，但幅度越來越小。
數(shù)據(jù)私密性保護模式可以保護關鍵數(shù)據(jù)和重要算法不被攻擊者理解，卻不能防御攻擊者篡改代碼和數(shù)據(jù)。通過軟件方法實現(xiàn)的數(shù)據(jù)完整性保護主要包括文件修改跟蹤、 Hash摘要和數(shù)字簽名等方法。其中，文件修改跟蹤通過檢查文件的時間信息和修改信息，確認文件是否被非法修改，目前已有一些攻擊方法，通過修改文件的時間信息，隱藏文件的修改記錄，非法篡改程序，這一類方法存在明顯的安全漏洞。后兩種方法雖然可以提供良好的安全性，但頻繁的調(diào)用軟件進行完整性驗證會嚴重影響系統(tǒng)性能。以AES為例，通過對分組明文進行特殊處理，并對加密過程進行充分優(yōu)化，仍需要超過170個時鐘周期完成一次AES 加密操作。摘要算法和公鑰加密算法的吞吐率甚至更低。
本發(fā)明提供一種實現(xiàn)安全算法的系統(tǒng)，如圖2所示，為安全終端完整性驗證硬件框圖，采用MlSR產(chǎn)生摘要，通過AES加密摘要，對指令提供數(shù)據(jù)完整保護。在發(fā)生讀缺失時，首先讀取摘要，在加密摘要的同時讀取指令，可以大大降低系統(tǒng)性能損失。對Basic Block(不包括跳轉(zhuǎn)指令的一系列連續(xù)指令)中最后一個數(shù)據(jù)塊提供完整性驗證能顯著降低完整性驗證的次數(shù)，提高系統(tǒng)性能。增加了摘要緩存，通過硬件方法實現(xiàn)的安全機制對系統(tǒng)性能的影響可以進一步被降低。根據(jù)摘要與數(shù)據(jù)是否分開存儲，可以將完整性驗證分為摘要嵌入和摘要獨立兩種類型。采用摘要嵌入式的完整性保護方法，程序與摘要存儲在連續(xù)的地址空間，不嚴格區(qū)分程序和摘要的物理地址。程序執(zhí)行過程中，使用MMU管理地址， 區(qū)分數(shù)據(jù)與摘要。本發(fā)明采用數(shù)據(jù)摘要獨立的實現(xiàn)方法，僅通過硬件上的簡單映射，方便的實現(xiàn)數(shù)據(jù)和摘要的對應。同時，采用不同的地址存放數(shù)據(jù)和摘要，數(shù)據(jù)管理更清晰，更容易維護數(shù)據(jù)安全。
當發(fā)生數(shù)據(jù)缺失時，并不馬上訪問外存取數(shù)據(jù)?？刂茊卧紫炔樵儽辉L問數(shù)據(jù)的摘要是否在摘要緩存(HashCache)中，如果摘要已經(jīng)在緩存中，則指令/數(shù)據(jù)緩存訪問外部存儲器取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)取回后使用摘要運算單元計算摘要；如果摘要緩存缺失，摘要緩存訪問外部存儲器，讀取摘要，使用解密單元解密摘要的同時，數(shù)據(jù)/指令緩存申請總線讀取數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)/指令返回后流水線繼續(xù)工作的同時，采用摘要計算模塊計算數(shù)據(jù)/指令塊的摘要。比較摘要計算模塊和加解密模塊送出的摘要，如果相同，說明數(shù)據(jù)/指令和摘要沒有被篡改，如果結果不同，產(chǎn)生異常，由操作系統(tǒng)內(nèi)核處理異常。
假設引入摘要Cache,當指令Cache發(fā)生讀缺失時,指令Cache會通過總線從外部存儲器讀取數(shù)據(jù)塊，摘要Cache同時從外部存儲器讀取摘要。如果指令替換出Cache，假設指令Cache和摘要Cache大小相同，且使用相同的替換算法，與指令對應的摘要會同時替換出摘要Cache，下一次訪問該指令仍需要驗證摘并沒有帶來性能的提高。因此，采用的摘要 Cache大小僅為128比特，只儲最新被使用到的摘要，同時，由于128_bit摘要對應4個數(shù)據(jù)塊，可有效減少摘要訪問次數(shù)，改善系統(tǒng)性能。
本發(fā)明提供一種私密性保護、完整性保護模式，大大增加攻擊的代價，保護數(shù)據(jù)安全。
權利要求
1.一種數(shù)據(jù)安全保護終端，包括數(shù)據(jù)私密性保護模塊和完整性保護模塊，其特征在于， 數(shù)據(jù)私密性保護模塊采用AES算法對片外數(shù)據(jù)和程序提供私密性保護。
2.如權利要求1所述的數(shù)據(jù)安全保護終端，數(shù)據(jù)完整性保護模塊通過引入加密摘要保護數(shù)據(jù)的完整性。
3.如權利要求2所述的數(shù)據(jù)安全保護終端，對分組明文進行特殊處理，并對加密過程進行充分優(yōu)化。
4.如權利要求3所述的數(shù)據(jù)安全保護終端，采用MlSR產(chǎn)生摘要，通過AES加密摘要。
全文摘要
本發(fā)明提供一種數(shù)據(jù)安全保護終端，包括數(shù)據(jù)私密性保護和完整性保護；其中數(shù)據(jù)私密性保護模塊采用AES算法對片外數(shù)據(jù)和程序提供私密性保護；數(shù)據(jù)完整性保護模塊通過引入加密摘要保護數(shù)據(jù)的完整性。采用本發(fā)明的安全終端，可以大大降低緩存中數(shù)據(jù)的缺失率。
文檔編號H04L9/32GK103001772SQ201210490020
公開日2013年3月27日 申請日期2012年11月27日 優(yōu)先權日2012年11月27日
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