专利名称：数据安全保护终端的制作方法
数据安全保护终端技术领域
本发明属于云计算技术领域，具体涉及公共云计算环境中，数据安全保护系统。
背景技术：
早在1983年,sunMicrosystems就提出了“网络即计算机”的概念。受益分布式计算和互联网的发展，人们逐渐开始关注互联网闲置的存储和计算能力，希望通过建立一个具有无限延展能力的资源池，为人们提供一个内容更丰富，速度更快的超级计算机，这就是我们一直在讨论的云。从硬件角度，云是一个多对一的概念，整个互联网的资源被整合起来用于满足个人和企业的需求，云对个人终端要求更低，可以有效地降低个人及企业的IT支出；从服务角度，云是一个一对多的概念，一个应用被分拆至多个服务器并行运算，网络的无线延展性让这种运算能力充满吸引力。
云安全包括首先，用户数据的私密性，保护用户数据不被窃取；其次，保护程序不被篡改，按照用户的意图正确执行；第三，云架构的稳定性，保证服务质量。但是，由于数据的存储和执行不在本地进行，云平台下的安全问题变得更加复杂。如果假设通过网络传输数据的过程是安全的，云计算与个人电脑最大的区别就在服务终端，即需要保护客户数据在服务终端的安全。
本发明提出了一种数据安全保护系统，保护服务终端中的数据安全。发明内容
本发明提供一种数据安全保护终端，包括数据私密性保护和完整性保护；其中数据私密性保护模块采用AES算 法对片外数据和程序提供私密性保护；数据完整性保护模块通过引入加密摘要保护数据的完整性。对分组明文进行特殊处理，并对加密过程进行充分优化。采用MlSR产生摘要，通过AES加密摘要。采用本安全终端，可以大大降低缓存中数据的缺失率。
图1为安全终端私密性保护硬件框图。
图2为安全终端完整性保护硬件框图。
具体实施方式
终端常常需要面对多种安全挑战。第一类攻击假设攻击者不能直接接触到终端， 他们可以在终端上运行恶意代码，通过改变程序的执行顺序，使得攻击程序获得系统权限或者其他进程的访问权限，窃取数据甚至破坏程序的正常进行。其中常常被提及的一类攻击称为buffer overflow.由于各个进程以及操作系统共享数据栈，它们在地址上不实施隔离，buffer overflow通过访问其他进程或操作系统的数据栈，并用恶意程序的地址替代其它进程的返回地址。从而改变受害程序的执行顺序。第二类攻击方式称作格式化字符窜攻击。攻击者将精心设计的字符串作为输入交由标准输出函数(如PrintfO)进行解析处理，就可以泄露甚至修改任何地址空间的数据，达到影响程序执行的目的。
如果控制了服务终端，攻击者可以调用一切资源对来自客户的数据和应用进行破坏，攻击者甚至可以发起攻击控制操作系统，使用系统权限更改数据，改变软件执行进程。 普遍认为恶意终端发起的攻击不可能完全防御，但通过提供更强的安全机制，有可能大大增加攻击的代价，保护数据安全。
本发明提出了一种安全终端。采用AES算法对片外数据和程序提供私密性保护， 并通过弓I入加密摘要保护数据的完整性。
如图1所示,如果发生1-Cache读缺失,1-Cache会通过连续的读操作从片外存储器读取一个由AES加密过的数据块，加密数据通过总线到达1-Cache之前，首先通过AES加解密模块进行解密，AES密钥由密钥寄存器堆提供，可以通过安全指令进行修改。数据的读操作过程完全类似，写操作过程对于不同的写策略操作过程有一些不同。如果采用直写策略，写命中情况下，更新D-Cache数据的同时，对数据进行加密，更新外围存储器；当发生写缺失时，不能立即更新外围存储器，需要先将数据读入缓存，修改后，重新加密后写回外部存储器。采用回写策略，写入D — Cache的数据并不需要马上更新外围存储器，只有修改过的数据被替换出缓存时，才需要更新外部存储器，引起一次数据加密操作。
假设1-Cache 和 D — Cache 得缺失率分别为 imiss-rate% 和 dmiss_rate%, load 和 store 指令出现的概率为1/3，在原有的系统中，所有缺失引起的性能损失为Cpenelty，引入私密性保护，假设每次缺失都会弓I入一次AES操作，且一次AES加密/解密需要CAE个时钟周期， 则引入数据私密性保护。
假设缺失引起的性能损失为100个时钟周期。一方面，系统的性能损失随着Caes的降低线性降低；另一方面，性能损失随缓存缺失率的降低而降低，但幅度越来越小。
数据私密性保护模式可以保护关键数据和重要算法不被攻击者理解，却不能防御攻击者篡改代码和数据。通过软件方法实现的数据完整性保护主要包括文件修改跟踪、 Hash摘要和数字签名等方法。其中，文件修改跟踪通过检查文件的时间信息和修改信息，确认文件是否被非法修改，目前已有一些攻击方法，通过修改文件的时间信息，隐藏文件的修改记录，非法篡改程序，这一类方法存在明显的安全漏洞。后两种方法虽然可以提供良好的安全性，但频繁的调用软件进行完整性验证会严重影响系统性能。以AES为例，通过对分组明文进行特殊处理，并对加密过程进行充分优化，仍需要超过170个时钟周期完成一次AES 加密操作。摘要算法和公钥加密算法的吞吐率甚至更低。
本发明提供一种实现安全算法的系统，如图2所示，为安全终端完整性验证硬件框图，采用MlSR产生摘要，通过AES加密摘要，对指令提供数据完整保护。在发生读缺失时，首先读取摘要，在加密摘要的同时读取指令，可以大大降低系统性能损失。对Basic Block(不包括跳转指令的一系列连续指令)中最后一个数据块提供完整性验证能显著降低完整性验证的次数，提高系统性能。增加了摘要缓存，通过硬件方法实现的安全机制对系统性能的影响可以进一步被降低。根据摘要与数据是否分开存储，可以将完整性验证分为摘要嵌入和摘要独立两种类型。采用摘要嵌入式的完整性保护方法，程序与摘要存储在连续的地址空间，不严格区分程序和摘要的物理地址。程序执行过程中，使用MMU管理地址， 区分数据与摘要。本发明采用数据摘要独立的实现方法，仅通过硬件上的简单映射，方便的实现数据和摘要的对应。同时，采用不同的地址存放数据和摘要，数据管理更清晰，更容易维护数据安全。
当发生数据缺失时，并不马上访问外存取数据。控制单元首先查询被访问数据的摘要是否在摘要缓存(HashCache)中，如果摘要已经在缓存中，则指令/数据缓存访问外部存储器取数据，数据取回后使用摘要运算单元计算摘要；如果摘要缓存缺失，摘要缓存访问外部存储器，读取摘要，使用解密单元解密摘要的同时，数据/指令缓存申请总线读取数据。数据/指令返回后流水线继续工作的同时，采用摘要计算模块计算数据/指令块的摘要。比较摘要计算模块和加解密模块送出的摘要，如果相同，说明数据/指令和摘要没有被篡改，如果结果不同，产生异常，由操作系统内核处理异常。
假设引入摘要Cache,当指令Cache发生读缺失时,指令Cache会通过总线从外部存储器读取数据块，摘要Cache同时从外部存储器读取摘要。如果指令替换出Cache，假设指令Cache和摘要Cache大小相同，且使用相同的替换算法，与指令对应的摘要会同时替换出摘要Cache，下一次访问该指令仍需要验证摘并没有带来性能的提高。因此，采用的摘要 Cache大小仅为128比特，只储最新被使用到的摘要，同时，由于128_bit摘要对应4个数据块，可有效减少摘要访问次数，改善系统性能。
本发明提供一种私密性保护、完整性保护模式，大大增加攻击的代价，保护数据安全。
权利要求
1.一种数据安全保护终端，包括数据私密性保护模块和完整性保护模块，其特征在于， 数据私密性保护模块采用AES算法对片外数据和程序提供私密性保护。
2.如权利要求1所述的数据安全保护终端，数据完整性保护模块通过引入加密摘要保护数据的完整性。
3.如权利要求2所述的数据安全保护终端，对分组明文进行特殊处理，并对加密过程进行充分优化。
4.如权利要求3所述的数据安全保护终端，采用MlSR产生摘要，通过AES加密摘要。
全文摘要
本发明提供一种数据安全保护终端，包括数据私密性保护和完整性保护；其中数据私密性保护模块采用AES算法对片外数据和程序提供私密性保护；数据完整性保护模块通过引入加密摘要保护数据的完整性。采用本发明的安全终端，可以大大降低缓存中数据的缺失率。
文档编号H04L9/32GK103001772SQ201210490020
公开日2013年3月27日 申请日期2012年11月27日 优先权日2012年11月27日
发明者宗竞 申请人:江苏乐买到网络科技有限公司