浅谈单片机的嵌入式系统加密算法的分类

在现代社会中，信息安全所占据的地位越来越重要。但不幸的是，信息安全问题[1]正变得越来越突出。加密算法是解决上述问题的有效方法。除了消息传输的接收者之外，即使外界非法拦截密文，它也只会产生一些无意义的乱码。有许多类型的加密算法，它们适应的地方通常是不同的。在单片机和嵌入式系统中，信息的传输非常频繁，甚至没有很多机密信息。因此，信息传输的安全性变得越来越重要。

一、单片机加密的必要性

自单片机诞生以来，由于其成本低，环境适应性强，可靠性高，结构灵活，易于生产，引起了人们的广泛关注。凭借其卓越的性能，它已广泛应用于各种行业，如机器人，航空航天，仪器仪表，工业和电信。单片机的普及也对促进各个领域的技术改造起到了很好的作用。然而，在通过MCU传输信息的过程中，它经常遭受非法入侵者的各种攻击，例如伪造，篡改和盗版。但无论你攻击哪种方式，这无疑会在各个方面给用户造成无法估量的损失。在信息传输中，发送信息的一方称为发送方，信息发送的预定目标称为接收方。然而，在实际传输过程中，除了接收者之外，还有一些未知的非法拦截器将通过诸如窃听之类的各种手段获得传输的信息。更重要的是，他们会篡改，伪造，然后将收到的信息传送给收件人。如果信息被归类为机密信息，则由此产生的损失是不可想象的。因此，在发送信息之前处理该信息。要传输的信息称为明文，明文通过一组规则转换的信息称为密文。密文本是随机的，无序的，看似毫无意义的信息，所以即使密文是由拦截器获得的，也不需要担心信息泄露。当接收到密文时，需要恢复明文，并将密文恢复规则称为解密算法。通常，加密和解密算法需要一对密钥，它们可以相同或不同，并且这两种情况对应于两个不同的密码系统。

二、单片机的嵌入式系统加密算法分类

随着微型计算机的快速发展，微控制器和嵌入式系统已经渗透到人们的日常生活中。但微型计算机的信息安全问题引起了人们的担忧，在信息传递的过程中，经常会受到非法入侵者的攻击，导致信息被截取、篡改甚至伪造，从而造成巨大的损失。加密算法是保障信息安全的有效措施之一，而且加密算法还具有良好的可修改性和移植性，有关加密算法的研究及应用是极其广泛的。现代加密算法主要分为4大类：对称式加密算法、非对称式加密算法、Hash算法以及轻量级密码算法。本文就其中的2类进行分析和研究，对称式加密算法以DES算法(三重)和AES算法为代表，非对称式加密算法以RSA算法和ECC算法为代表，通过详细研究上述加密算法的加解密过程，结合各自的优缺点及适用场所，最终选取AES算法作为单片机及嵌入式系统的加密算法。

(一)公钥加密算法

公钥密码系统的概念[2]于1976年首次提到。最初提出解决私钥密码系统中的两个众所周知的问题(数字签名和密钥分发)。在此之前，几乎所有加密算法，加密过程无非就是两种基本方式-替换和替换，与公钥加密不同，它使用数学函数。可以说，公钥加密算法的出现给密码学带来了新的方向。公钥加密算法的最大特点是加密和解密使用一对不同但相关的密钥，因此公钥加密算法也称为双密钥加密算法。在这对密钥中，加密密钥是公共的，并且解密密钥对用户是私有的。这意味着在不知道解密密钥的情况下，知道密文想要恢复明文是不可行的。

(二)DES算法

数据加密标准DES算法[3]是世界上最具影响力的数据包加密算法之一。DES算法是由一种称为Lucifer算法修改以及发展而来，它有很多的优点：比如密钥容易生成，加解密速度比较理想，在软件上也易于实现。但是随着密码分析学的发展，人们发现，过去被认为足够安全的DES算法已被证明不够安全。另一方面，DES算法的密钥长度仅为56Bit，这似乎太短。由于计算机计算能力的逐年增加，DES算法终于在1998年宣布。后来，一些学者提出DES算法可以用于多个密钥的情况，这是三重DES的起源。三重DES对密码分析有着很强的抵抗能力，但是，正由于多重使用所以产生了一个难以克服的缺点，那就是实现算法的速度较慢。此外，三重DES的分组长度跟先前一样，还是短了些。尽管TripleDES的复杂性，但它越来越显示出下降的迹象。新数据加密标准最基本的要求如下：首先，必须比三重DES加解密速度快;其次，最少要与三重DES安全性一样;最后，数据包长度和密钥长度就足够了。最后，Rijndael算法在许多候选算法中成功地作为新的数据加密标准。虽说DES算法已不可避免地走向衰亡，但它的出现对密码学的发展有着很大的推动作用，对于学习分组加密算法还是有着重要的参考意义。

(三)AES算法

根据AES加密算法密钥安全性不足、加解密轮变换不对称以及S盒存在安全隐患的缺点，针对性地对密钥扩展算法、加解密算法结构以及S盒进行了改进。对于加解密算法结构，在加密算法轮变换中合并了行移位和列混合，精简了轮函数的计算部件;在解密算法中首先调整了轮函数的变换顺序，使其与加密轮变换顺序保持了一致，之后再套用加密算法中的改进，合并了逆行移位和逆列混合，使得算法结构进一步得到了优化。对于原S盒的不足，笔者提出了一种新S盒的构造，经测试证明新S盒比原S盒有着更好的密码性质，有效地提高了AES算法的安全性。现代社会越来越多地走向信息社会，信息的作用变得越来越重要。随着微型计算机进一步的智能化、微型化，人们的日常生活也越来越离不开它。但在微型计算机的应用中，如果不能保证信息传输的安全性，则无法保证。们的重视。因此，微控制器和嵌入式系统的数据加密研究是必要的，并且有关这方面的研究在今后也必定会更加广泛和深入。

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