密碼算法如何保護嵌入式設(shè)計

密碼學(xué)與用于實現(xiàn)它的算法一樣強大。在現(xiàn)代密碼學(xué)中，我們擁有基本的 XOR 函數(shù)，以及當今許多應(yīng)用程序中使用的更復(fù)雜的算法。在這篇博文中，我將概述一些關(guān)鍵算法，包括安全哈希算法和 AES 算法。

讓我們通過定義 XOR（異或）開始我們的討論，這是一種在許多（如果不是全部）密碼算法中用于各種能力的重要邏輯運算。圖 1顯示了此功能的工作原理。在深入研究算法之前，您需要了解此功能。

圖 1. 該圖顯示了 XOR 函數(shù)的工作原理。

由于 XOR 的特性，一個輸入可以用作數(shù)據(jù)進入另一個輸入的鍵。例如，如果 A 是加密密鑰的單個位，如果 A 為 1，則與來自 B 的數(shù)據(jù)位的 XOR 會翻轉(zhuǎn)該位。這可以通過再次將加密結(jié)果與密鑰進行按位異或來反轉(zhuǎn)。

現(xiàn)在，讓我們更詳細地了解安全哈希算法或 SHA。安全散列函數(shù)獲取可變大小的數(shù)據(jù)并將其壓縮為固定大小的位串輸出——這個概念稱為散列。SHA 函數(shù)是一系列哈希算法，通過 NIST（美國國家標準與技術(shù)研究院）的監(jiān)督隨著時間的推移而開發(fā)。SHA-3 函數(shù)是最新的。

在接下來的部分中，我們將探討 SHA 函數(shù)的工作原理，重點是 SHA-2 和 SHA-3。（SHA-1 正在逐步淘汰，不推薦用于任何新設(shè)計。）

SHA-2 函數(shù)根據(jù)輸出位長有四種主要類型：

SHA-224 – 哈希是 224 位長。

SHA-256 – 哈希是 256 位長。

SHA-384 – 散列長度為 384 位。

SHA-512 – 哈希是 512 位長。

SHA-3 函數(shù)沒有預(yù)定義的輸出長度。輸入和輸出長度也沒有最大值。但是為了與 SHA-2 進行比較，讓我們根據(jù)輸出位長度定義四種主要類型。這些是：

SHA3-224 – 哈希是 224 位長。

SHA3-256 – 哈希是 256 位長。

SHA3-384 – 散列長度為 384 位。

SHA3-512 – 哈希是 512 位長。

讓我們以 SHA3-256 為例。SHA-3 使用 Keccak 海綿函數(shù)。就像海綿一樣，第一步會吸收或吸收輸入的信息。在下一階段，輸出哈希被擠出。圖 2是 SHA3-256 函數(shù)的框圖。

圖 2. 該圖顯示了用于安全散列生成的 SHA3-256 函數(shù)的框圖。

圖 2 中的迭代函數(shù)接收 1600 位數(shù)據(jù)，然后使用特定算法對其進行 24 輪置換，然后將其作為 1600 位塊傳遞到下一個階段。這一直持續(xù)到吸收階段完成。

吸收階段完成后，最后一個 1600 位塊被傳遞到擠壓階段。在這種情況下，由于 SHA3-256 輸出哈希長度小于 1088 位，因此壓縮階段不需要任何迭代函數(shù)。我們從最后階段獲取前 256 位，這就是輸出哈希。

例如，如果所需的散列長度為 2500 位，我們將需要三個以上迭代函數(shù)實例來獲得所需長度的散列。

還有一些基于加密標準的算法，例如高級加密標準算法。AES 算法根據(jù)輸入密鑰的值以可逆的方式對輸入數(shù)據(jù)進行加擾和替換，從而產(chǎn)生所謂的密文。由于 AES 算法是一種固定寬度的加密算法，因此首先填充輸入消息以確保它完全適合“n”個 128 位塊。

每個 128 位塊與加密密鑰一起輸入加密算法。根據(jù)加密密鑰中的位數(shù)，AES 算法會執(zhí)行一定輪數(shù)的模糊輸入塊位。這種模糊化是通過混洗數(shù)據(jù)位、獲取部分數(shù)據(jù)并用查找表（如解碼輪）中的值替換它們以及執(zhí)行 XOR 操作以根據(jù)一組中的位值將位從 0 翻轉(zhuǎn)到 1 來實現(xiàn)的從輸入加密密鑰生成的“輪密鑰”。輪密鑰用于其中一個模糊輪，它是通過復(fù)制位并在其他位之間插入副本來“擴展”加密密鑰的一部分來創(chuàng)建的。

AES 解密函數(shù)使用相同的加密密鑰簡單地執(zhí)行加密函數(shù)中的操作的相反操作，以便對原始輸入塊數(shù)據(jù)進行解密。

這些只是為提供設(shè)計安全性而出現(xiàn)的一些加密算法。通過閱讀改編本博文的教程“密碼學(xué)：深入了解算法”，了解有關(guān)其他人的更多信息（包括 RSA 公鑰密碼系統(tǒng)、橢圓曲線數(shù)字簽名算法和橢圓曲線 Diffie-Hellman 密鑰交換協(xié)議）。

審核編輯：郭婷