CN110661621A - 一种基于hmac、aes、rsa的混合加解密方法 - Google Patents

一种基于hmac、aes、rsa的混合加解密方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于HMAC、AES、RSA的混合加解密方法，包括：随机生成HMAC密钥，利用HMAC SHA‑256算法生成HMAC消息摘要，将所述HMAC密钥和HMAC消息摘要写入明文文件，得到明文认证文件；利用AES算法对所述明文认证文件进行加密，生成密文文件；利用RSA算法对所述密文文件进行数字签名，生成加密目标文件。本发明可以反编译，防范明文文件被窃取，防止未经过认证的目标码运行攻击***，保障***的安全运行，并且能够大限度的保证数据的完整性和可靠性。

Description

一种基于HMAC、AES、RSA的混合加解密方法
技术领域
本发明涉及信息安全技术领域，尤其涉及一种基于HMAC、AES、RSA的混合加解密方法。
背景技术
软件开发工程师每年会编写大量的软件，这些软件会通过二进制目标码形式流向制造部门和调试、售后部门。由于流通的环节是开放的，可能会造成二进制目标码的窃取并被反向编译或被盗用，造成公司财产的流失。并且***如果运行未经过认证的软件，会受到恶意攻击，运行环境被篡改，会造成整个***的崩溃，对于实时的控制平台会直接导致重大事故的发生。为此对软件的加密以及对***运行的软件进行认证成为一项十分紧迫的任务。
在网络信息传输过程中，信息安全是一项重要的课题。信息安全内容中主要有两大基本攻击：被动攻击和主动攻击。被动攻击是获取信息的内容或对业务流分析，对付被动攻击的主要方法是对消息使用加密和解密技术。数据加密技术是保证网络信息安全的重要技术。加密算法将信息从明文变换为密文，在信息的传播中使用密文传输，使窃听者难以获得有用的信息。对传输的信息以密文方式传递以防止第三方对信息窃取，从而保护信息的机密性，防止信息被篡改。主动攻击是假冒篡改信息，预防主动攻击的方法是使用认证技术。
为了实现信息传输的安全，亟待开发一种使用加解密技术和认证技术的混合加解密技术。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种基于HMAC、AES、RSA的混合加密方法，包括以下步骤：
随机生成HMAC密钥，利用HMAC SHA-256算法生成HMAC消息摘要，将所述HMAC密钥和HMAC消息摘要写入明文文件，得到明文认证文件；
利用AES算法对所述明文认证文件进行加密，生成密文文件；
利用RSA算法对所述密文文件进行数字签名，生成加密目标文件。
在一个实施例中，利用RSA算法对所述密文文件进行数字签名，生成加密目标文件，包括以下步骤：
利用RSA算法对所述密文文件进行数字签名，得到RSA数字签名；
将所述RSA数字签名写入所述密文文件，并在所述密文文件的起始位置写入文件头，得到加密目标文件；
其中，所述文件头包括HMAC、AES和RSA的加密认证类型、所述HMAC密钥在所述明文认证文件中的位置偏移量和所述HMAC密钥的字节长度，以及所述RSA数字签名在所述加密目标文件中的位置偏移量和所述RSA数字签名的字节长度。
在一个实施例中，所述HMAC密钥包括时间和随机数。
本发明还提供了一种基于HMAC、AES、RSA的混合解密方法，包括以下步骤：
获取RSA公钥，对加密目标文件中的RSA数字签名进行认证；
当所述RSA数字签名通过认证时，获取AES密钥，对所述加密目标文件中的密文文件进行解密，得到明文认证文件；
获取HMAC密钥，利用HMAC SHA-256算法对所述明文认证文件中的HMAC消息摘要进行认证；
当所述HMAC消息摘要通过认证时，得到所述明文认证文件中的明文文件。
在一个实施例中，获取RSA公钥，对加密目标文件中的RSA数字签名进行认证，包括以下步骤：
获取RSA公钥，利用RSA算法计算RSA签名；
从所述加密目标文件的文件头中获取所述RSA数字签名在所述加密目标文件中的位置偏移量和所述RSA数字签名的字节长度；
根据所述RSA数字签名在所述加密目标文件中的位置偏移量和所述RSA数字签名的字节长度，从所述加密目标文件中获取所述RSA数字签名；
将计算所得的RSA签名与所述RSA数字签名进行对比认证。
在一个实施例中，获取HMAC密钥，利用HMAC SHA-256算法对所述明文认证文件中的HMAC消息摘要进行认证，包括以下步骤：
从所述加密目标文件的文件头中获取所述HMAC密钥在所述明文认证文件中的位置偏移量和所述HMAC密钥的字节长度；
根据所述HMAC密钥在所述明文认证文件中的位置偏移量和所述HMAC密钥的字节长度，从所述明文认证文件中获取所述HMAC密钥，利用HMACSHA-256算法计算HMAC摘要；
将计算所得的HMAC摘要与所述明文认证文件中的HMAC消息摘要进行对比认证。
在一个实施例中，还包括以下步骤：
从所述加密目标文件的文件头中获取加密认证类型；
当判断出所述加密认证类型为HMAC、AES和RSA时，对所述加密目标文件中的RSA数字签名进行认证。
在一个实施例中，当判断出所述加密认证类型缺少HMAC、AES和RSA中的任一加密认证类型时，退出解密过程。
在一个实施例中，当所述RSA数字签名未通过认证时，退出解密过程。
在一个实施例中，当所述HMAC消息摘要未通过认证时，退出解密过程。
与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点：
1)采用本发明的加解密混合方法可以将明文文件进行加密，在加密目标文件被窃取后，窃取者无法通过逆向工程进行反汇编，从而可以防范明文文件被窃取。
2)采用本发明的加解密混合方法可以对加密目标文件进行RSA签名认证和对解密后的明文文件进行认证，能够防止未经过认证的目标码运行攻击***，保障***的安全运行。
3)在本发明的加解密混合方法中，对明文文件和密文文件都进行认证能够大限度的保证数据的完整性和可靠性。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明实施例一的加密***的组成示意图；
图2为本发明实施例一的基于HMAC、AES、RSA的混合加密方法的流程图；
图3为本发明实施例一的程序目标码混合加密过程的示意图；
图4为本发明实施例一的基于HMAC、AES、RSA的混合解密方法的流程图；
图5为本发明实施例二的PC机端加密软件的界面示意图；
图6为本发明实施例二的基于HMAC、AES、RSA的混合解密方法的流程图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
实施例一
图1为本发明实施例一的加密***的组成示意图。
如图1所示，该加密***主要包括PC机端的加密软件和嵌入式***端的***。该加密***的工作流程如下所示。
首先，利用PC机端的加密软件对程序目标码进行加密和生成消息认证码，最终生成加密目标码。
其次，将加密目标码存入外部存储器并通过总线刷写到嵌入式***中。
需要说明的是，加密目标码刷写到嵌入式***中的嵌入式控制器的方式可以由具体的控制器刷写程序的方法确定。本发明实施例提出了HMAC、AES、RSA三种算法的组合使用。HMAC密钥是随被加密文件传递的。AES密钥、RSA公钥传递方式未做限制，传递方式可以是1)通过配置文件给PC机端的加密软件和嵌入式***端的***配置；2)在PC机端的加密软件和嵌入式***端的***中固化AES密钥、RSA公钥。
最后，利用嵌入式***端的***对加密目标码进行消息认证和解密，并根据认证结果决定是否运行程序。
下面首先介绍PC机端的加密软件的工作流程。
图2为本发明实施例一的基于HMAC、AES、RSA的混合加密方法的流程图。如图2所示，可以包括如下步骤S201-S203。
在步骤S201中，随机生成HMAC密钥，利用HMAC SHA-256算法生成HMAC消息摘要，将HMAC密钥和HMAC消息摘要写入明文文件，得到明文认证文件。其中，HMAC密钥包括时间和随机数。在具体实施中，HMAC密钥的长度不作限定，可以根据实际需要来确定。并且，生成HMAC密钥的随机方式也不作限定，根据实际需要来确定。
在步骤S202中，利用AES算法对明文认证文件进行加密，生成密文文件。
在步骤S203中，利用RSA算法对密文文件进行数字签名，生成加密目标文件。
具体地，首先，利用RSA算法对密文文件进行数字签名，得到RSA数字签名。其次，将RSA数字签名写入密文文件，并在密文文件的起始位置写入文件头，得到加密目标文件。
其中，文件头包括HMAC、AES和RSA的加密认证类型、HMAC密钥在明文认证文件中的位置偏移量和HMAC密钥的字节长度，以及RSA数字签名在加密目标文件中的位置偏移量和RSA数字签名的字节长度。
需要说明的是，明文文件可以为嵌入式控制器程序(也即程序目标码)文件，但不仅限于嵌入式控制器程序文件，还可以为其他的文件，例如音视频文件、图片、文字等等。
为了更清楚地理解本发明实施例的基于HMAC、AES、RSA的混合加密方法，下面以程序目标码为例进行详细说明。
图3为本发明实施例一的程序目标码混合加密过程的示意图。
如图3所示，首先，在加密前对程序目标码(明文)进行HMAC认证。具体地，利用PC机端的加密软件随机生成HMAC密钥，并利用HMAC SHA-256算法对程序目标码生成HMAC消息摘要，并将HMAC密钥和HMAC消息摘要写到程序目标码文件中，形成程序目标码认证文件。
其中，随机HMAC密钥的数据格式为时间+随机数，具体如表1所示：
表1 HMAC密钥数据格式
字节序号 内容
0 年
1 月
2 日
3 时
4 分
5 秒
6～7 毫秒
8～31 PC机生成的随机数
表1仅用于示例HMAC密钥的数据格式。在具体实施中，HMAC密钥的长度不仅限于31位字节数，HMAC密钥的长度不作限定，可以根据实际需要来确定。并且，生成HMAC密钥的随机方式也不仅限于表1所示的方式，生成HMAC密钥的随机方式不作限定，根据实际需要来确定。
其次，采用AES算法对程序目标码(明文)、HMAC密钥和HMAC消息摘要所形成的程序目标码认证文件进行整体加密，生成程序密文。
最后，利用RSA算法对程序密文进行数字签名，将RSA数字签名写入程序密文文件中，并在程序密文文件起始位置写入文件头，生成加密目标码。
文件头主要包含(1)HMAC、AES和RSA的加密认证类型；(2)HMAC密钥在程序目标码认证文件中的位置偏移量和HMAC密钥的字节长度；(3)RSA数字签名在加密目标码文件中的位置偏移量和RSA数字签名的字节长度。
采用本发明实施例的加密混合方法可以将程序目标码进行加密，在加密目标码被窃取后，窃取者无法通过逆向工程进行反汇编，从而可以程序目标码被窃取。
接下来介绍嵌入式***端的***的工作流程。
图4为本发明实施例一的基于HMAC、AES、RSA的混合解密方法的流程图。如图4所示，可以包括如下步骤S401-S409。
在步骤S401中，从加密目标文件的文件头中获取加密认证类型。加密目标文件可以为加密目标码。
在步骤S402中，判断加密认证类型是否为HMAC、AES和RSA，若是，转入步骤S403，若否，转入步骤S409。
在步骤S403中，获取RSA公钥，对加密目标文件中的RSA数字签名进行认证。具体地，步骤S403可以包括以下子步骤：获取RSA公钥，利用RSA算法计算RSA签名；从加密目标文件的文件头中获取RSA数字签名在加密目标文件中的位置偏移量和RSA数字签名的字节长度；根据RSA数字签名在加密目标文件中的位置偏移量和RSA数字签名的字节长度，从加密目标文件中获取RSA数字签名；将计算所得的RSA签名与RSA数字签名进行对比认证。
在步骤S404中，判断RSA数字签名是否通过认证，若是，转入步骤S405，若否，转入步骤S409。
在步骤S405中，获取AES密钥，对加密目标文件中的密文文件进行解密，得到明文认证文件。
在步骤S406中，获取HMAC密钥，利用HMAC SHA-256算法对明文认证文件中的HMAC消息摘要进行认证。具体地，步骤S406可以包括以下子步骤：从加密目标文件的文件头中获取HMAC密钥在明文认证文件中的位置偏移量和HMAC密钥的字节长度；根据HMAC密钥在明文认证文件中的位置偏移量和HMAC密钥的字节长度，从明文认证文件中获取HMAC密钥，利用HMACSHA-256算法计算HMAC摘要；将计算所得的HMAC摘要与明文认证文件中的HMAC消息摘要进行对比认证。
在步骤S407中，判断HMAC消息摘要是否通过认证，若是，转入步骤S408，若否，转入步骤S409。
在步骤S408中，获得明文认证文件中的明文文件。
在步骤S409中，退出解密过程。
采用本发明的解密混合方法可以对加密目标文件进行RSA签名认证和对解密后的明文文件进行认证，能够防止未经过认证的目标码运行攻击***，保障***的安全运行。而且，对明文文件和密文文件都进行认证能够大限度的保证数据的完整性和可靠性。
实施例二
本发明实施例二提供了一种针对不同计算能力的处理器的混合加解密方法。
图5为本发明实施例二的PC机端加密软件的界面示意图。如图5所示，用户可以根据不同计算能力的处理器来选择HMAC、AES和RSA中的至少一种加密认证类型。然后点击“浏览”按键选择需要加密的明文文件，点击“加密”按键即可生成加密目标文件。
例如，用户仅选择HMAC和AES这两种加密认证类型。在PC机端，随机生成HMAC密钥，利用HMAC SHA-256算法生成HMAC消息摘要，将HMAC密钥和HMAC消息摘要写入明文文件，得到明文认证文件。利用AES算法对明文认证文件进行加密，生成密文文件。在密文文件的起始位置写入文件头，得到加密目标文件。其中，文件头包括HMAC和AES的加密认证类型，以及HMAC密钥在明文认证文件中的位置偏移量和HMAC密钥的字节长度。
或者，用户仅选择AES和RSA这两种加密认证类型。在PC机端，利用AES算法对明文文件进行加密，生成密文文件。利用RSA算法对密文文件进行数字签名，生成加密目标文件。将RSA数字签名写入密文文件，并在密文文件的起始位置写入文件头，得到加密目标文件。其中，文件头包括AES和RSA的加密认证类型，以及RSA数字签名在加密目标文件中的位置偏移量和RSA数字签名的字节长度。
图6为本发明实施例二的基于HMAC、AES、RSA的混合解密方法的流程图。如图6所示，可以包括如下步骤S601-S612。
在步骤S601中，从加密目标文件中的文件头中获取加密认证类型。加密目标文件可以为加密目标码。
在步骤S602中，判断获取的加密认证类型是否包含HMAC、AES和RSA中的至少一种加密认证类型，若是，转入步骤S603，若否，转入步骤S612。
在步骤S603中，判断获取的加密认证类型是否包含RSA，若是，转入步骤S604，若否，转入步骤S606。
在步骤S604中，获取RSA公钥，对加密目标文件进行签名认证。
在步骤S605中，判断RSA签名认证是否通过，若是，转入步骤S606，若否，转入步骤S612。
在步骤S606中，判断获取的加密认证类型是否包含AES，若是，转入步骤S607，若否，转入步骤S608。
在步骤S607中，获取AES密钥，对密文文件进行解密，得到明文认证文件。
在步骤S608中，判断获取的加密类型是否包含HMAC，若是，转入步骤S609，若否，转入步骤S612。
在步骤S609中，获取HMAC密钥，并利用HMAC SHA-256算法对明文认证文件进行认证。具体地，读取HMAC密钥，利用HMAC SHA-256算法计算HMAC摘要，并将计算得到的HMAC摘要与明文认证文件中的HMAC消息摘要进行对比，以对明文认证文件进行认证。
在步骤S610中，判断明文认证文件是否认证通过，若是，转入步骤S611，若否，转入步骤S612。
在步骤S611中，获得明文认证文件中的明文文件，并执行和引导程序。
在步骤S612中，退出解密过程。
采用本发明实施例二的加解密混合方法，可以根据用户的选项来选择HMAC、AES和RSA中的至少一种加密认证类型，能够针对不同计算能力的处理器灵活地进行加解密。
虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种基于HMAC、AES、RSA的混合加密方法，其特征在于，包括以下步骤：
随机生成HMAC密钥，利用HMAC SHA-256算法生成HMAC消息摘要，将所述HMAC密钥和HMAC消息摘要写入明文文件，得到明文认证文件；
利用AES算法对所述明文认证文件进行加密，生成密文文件；
利用RSA算法对所述密文文件进行数字签名，生成加密目标文件。
2.根据权利要求1所述的混合加密方法，其特征在于，利用RSA算法对所述密文文件进行数字签名，生成加密目标文件，包括以下步骤：
利用RSA算法对所述密文文件进行数字签名，得到RSA数字签名；
将所述RSA数字签名写入所述密文文件，并在所述密文文件的起始位置写入文件头，得到加密目标文件；
其中，所述文件头包括HMAC、AES和RSA的加密认证类型、所述HMAC密钥在所述明文认证文件中的位置偏移量和所述HMAC密钥的字节长度，以及所述RSA数字签名在所述加密目标文件中的位置偏移量和所述RSA数字签名的字节长度。
3.根据权利要求1或2所述的混合加密方法，其特征在于，所述HMAC密钥包括时间和随机数。
4.一种基于HMAC、AES、RSA的混合解密方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取RSA公钥，对加密目标文件中的RSA数字签名进行认证；
当所述RSA数字签名通过认证时，获取AES密钥，对所述加密目标文件中的密文文件进行解密，得到明文认证文件；
获取HMAC密钥，利用HMAC SHA-256算法对所述明文认证文件中的HMAC消息摘要进行认证；
当所述HMAC消息摘要通过认证时，得到所述明文认证文件中的明文文件。
5.根据权利要求4所述的混合解密方法，其特征在于，获取RSA公钥，对加密目标文件中的RSA数字签名进行认证，包括以下步骤：
获取RSA公钥，利用RSA算法计算RSA签名；
从所述加密目标文件的文件头中获取所述RSA数字签名在所述加密目标文件中的位置偏移量和所述RSA数字签名的字节长度；
根据所述RSA数字签名在所述加密目标文件中的位置偏移量和所述RSA数字签名的字节长度，从所述加密目标文件中获取所述RSA数字签名；
将计算所得的RSA签名与所述RSA数字签名进行对比认证。
6.根据权利要求4所述的混合解密方法，其特征在于，获取HMAC密钥，利用HMAC SHA-256算法对所述明文认证文件中的HMAC消息摘要进行认证，包括以下步骤：
从所述加密目标文件的文件头中获取所述HMAC密钥在所述明文认证文件中的位置偏移量和所述HMAC密钥的字节长度；
根据所述HMAC密钥在所述明文认证文件中的位置偏移量和所述HMAC密钥的字节长度，从所述明文认证文件中获取所述HMAC密钥，利用HMACSHA-256算法计算HMAC摘要；
将计算所得的HMAC摘要与所述明文认证文件中的HMAC消息摘要进行对比认证。
7.根据权利要求4所述的混合解密方法，其特征在于，还包括以下步骤：
从所述加密目标文件的文件头中获取加密认证类型；
当判断出所述加密认证类型为HMAC、AES和RSA时，对所述加密目标文件中的RSA数字签名进行认证。
8.根据权利要求7所述的混合解密方法，其特征在于，还包括以下步骤：
当判断出所述加密认证类型缺少HMAC、AES和RSA中的任一加密认证类型时，退出解密过程。
9.根据权利要求4所述的混合解密方法，其特征在于，还包括以下步骤：
当所述RSA数字签名未通过认证时，退出解密过程。
10.根据权利要求4所述的混合解密方法，其特征在于，还包括以下步骤：
当所述HMAC消息摘要未通过认证时，退出解密过程。
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