专利名称：一种基于树结构的密钥加密存储方法
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/ 层最多有2^个节点。整个 树最多有2"i-l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(Tmsted 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symQypt(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, 1Child， 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；1Child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仨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.lChiH 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，贝lj 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仨dlNode的地址， 置oldLeaf.lCMd <~ Null ， oldLeaf.rCMd <~ Null ， 置oldLeaf.keyN — dlNode.keyN， dlNode.keyN仨0，
(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 <~角牟密的dlNode.parent.keyV，
j故oldKey <~ symCrypt(dlNode.keyV， pKey， 1)， 随机生成一个用于symCrypt的对称密钥rKey， 做oldLeaf.keyV仨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.parenUChild = dNode的地址， 贝廿dNode.parentlChild = 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，
若找到个叶节点有fNode.keyN = fKeyN，那么
(1.1) 根据Wode的密钥路径，利用SMK分层次解密路径上的各密钥，
(1.2) 令pKey仨角早密的fNode.parent.keyV，
(1.3) 做plainKey仨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PJ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。
具体实施例方式
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。
权利要求
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’。
全文摘要
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。
文档编号G06F21/00GK101582760SQ20081009791
公开日2009年11月18日 申请日期2008年5月16日 优先权日2008年5月16日
发明者刘威鹏, 庄俊玺, 兴 张, 沈昌祥, 俊 胡 申请人:中国科学院研究生院