数据库分组加密算法—R加密算法

2022-10-28

R加密算法综合了RC5、RC6加密算法的优点并保持小的分组，使之更适合用于对数据库文件加密。安全性比RC5、DES高，密钥长度可变，能抵抗密钥穷举攻击。R加密算法加解密速度快，可满足数据库加密的要求。

一、R加密算法

1、 R加密算法的参数和运算

R加密算法是对字操作的，所有的基本运算都是以字为基本信息单位。每个字为w比特，这里取w=32，它是可变的，例如也可以取w=64或16。R加密算法有2-字(64比特)的输入(明文)和输出(密文)分组大小。

R加密算法使用一个源自用户提供的密钥的扩展密钥表S表，S的大小依赖于轮数r：S有t=2(r+2)个字。

所用的参数如下：

w：字长。每个字有u=(w/8)个8比特字节。w的标准值为32，容许取16，32，64。明文和密文分组都是2w比特长。

r：轮数。相应的扩展密钥表S含有t=2(r+2)个字。r的取值范围为12，13，…，255。

除了w和r外，R算法的密钥长度可变，可由b和K指定：b：密钥K的字节数。b的取值范围为16，17，…，255。K：b字节密钥：K[0]，K[1]，…，K[b－1]。

因此R加密算法一般记为R-w/r/b。

算法中涉及到的运算有：

lg(x) x的以2为底的对数

a+b 两个字模w2加

a－b 两个字模w2减

a⊕b 两个字比特对位模2加（异或）

a×b 两个字模w2乘

a<<<b w比特字a循环左移b位

a>>>b w比特字a循环右移b位

2、R加密算法介绍

R加密算法的明文输入包含2个字，记为A和B。

算法用到一个包含t=2(r+2)个字的扩展密钥表S[0，…，t-1]，由用户提供的密钥K得到。算法由3部分组成：密钥扩展算法，加密算法和解密算法。

（1）密钥扩展

密钥扩展算法用到两个字长的二进制常量，Pw和Qw：

其中，e＝2.718281828459…(自然对数的底)，φ＝1.618033988749…(黄金分割率)，Odd(x)为大于等于x的最小奇数。当w=32时：

P32=b7e15163

Q32=9e3779b9

将密钥由字节转化为字

将密钥K[0,…,b-1](字节)放入L[0,…,c-1](字)中，其中c=[b/u](≥b/u的最小整数，u＝w/8为一个字的字节数)。没有填充的部分为0。

for i=b-1down to 0do

L[i/u]=(L[i/u]&lt；&lt；&lt；8)+K[i]；

初始化数组S

S[0]=wP；

for i =1 to t -1 do S[i]=S[i-1] +wQ；

与密钥混合

i=j=0；

temp a=temp b=0；

do 3*max(t,c)times:

temp a=S[i]=(S[i]+temp a+temp b)<<<3；

temp b=L[j]=(L[j]+temp a+temp b)<<<(temp a+temp b)；

i=(i+1)mod(t)；

j=(j+1)mod(c)；

该密钥扩展函数有一定的单向性：从S很难得到K。

（2）加密算法

我们假设输入分组放在两个w比特寄存器A和B中。并且假设密钥扩展已经执行。R-w/r/b算法的加密过程如图1所示。

数据库分组加密算法—R加密算法(图3)

下面是加密算法的伪代码：

A=A+S[0]；

B=B+S[1]；

for i=1 to r do

temp b=B×(2B+1)；

A=((A⊕B)<<<temp b)+S[2i]；

temp a=A×(2A+1)；

B=((B⊕A)<<<temp a)+S[2i+1]；

A=A+S[2r+2]；

B=B+S[2r+3]；

输出在寄存器A和B中。

（3）解密函数

解密函数与加密函数类似。

B=B-S[2r+3]；

A=A-S[2r+2]；

for i = r to 1 do

temp a= A×(2A+1)；

B=((B－S[2i+1])>>>temp a)⊕A；

temp b=B×(2B+1)；

A=((A－S[2i])>>>temp b)⊕B；

B=B-S[1]；

A=A-S[0]；

二、R加密算法安全性分析

我们对R加密算法的安全性作了一定的分析，主要测试w=32的情况。

首先测试了输入和输出比特之间的相关性，发现当轮数在4时输入和输出的单个比特间具有非常均匀的相关性。

其次分析了每个明文比特与可变循环移位个数之间的关系，就是看改变一个明文比特是否会引起循环移位个数的改变。发现到7轮时每个明文比特都会引起不同程度的循环移位个数的变化。

在实际使用中轮数一般应大于等于这些简单测试中建议的轮数。建议用12轮或以上轮数。R算法中用到的变化的循环移位数可以抵抗差分攻击和线性攻击。

另外，R加密算法加解密速度快，对数据库操作时延小，用户基本上感觉不出来。

三、R加密算法在某“业务MIS”的数据库加密系统中的应用

除了采用身份验证、访问控制等安全机制外，开发了用于该应用系统的数据库加密系统。本数据库加密系统采用基于字段的加密方式，密文直接存储在原数据表中，由于密文长度可能会大于明文长度，因此在数据库设计时，需将加密字段的长度设置大一些。为简化密钥的管理和不影响数据库操作的效率，密钥的管理采用折衷的方法，每个记录一个密钥，因此在数据库设计时还需为每个表增加一存放密钥的字段。

1、数据库加密系统功能组成

数据库加密系统主要分成两部分：一个是加密字典表管理模块；另一个是加解密处理模块。

用户对数据库信息具体的加密要求记载在加密字典表中。加密字典管理模块完成加密字典表的维护工作，提供了加密字典表维护、表加密、表解密等功能，它利用数据库加解密处理模块完成对已有数据的加密或解密处理。该模块由系统管理员使用，普通用户不必关心。

数据库加解密处理模块是数据库加密系统的核心部分，负责完成数据库信息的加解密处理。包括加密字典表的检索、加密密钥的生成、SQL语句的分析、加解密算法实现等功能，均以公共函数的形式给出。对数据库应用系统的用户是透明的。

该数据库加密系统实行二级密钥管理。一级密钥为主密钥，二级密钥为工作密钥。整个系统一个主密钥，它负责对二级密钥信息加密。工作密钥用于对数据库数据的加解密。一个记录一个工作密钥，经一级密钥加密后存放在每个表的一个密钥字段中。工作密钥由每个记录的id字段内容和由第一次生成密钥时的当前时间生成的一随机数组成，长度不确定，最长为100B。id字段内容在用户录入数据时，系统自动生成，且每个记录的id字段内容都是唯一的。

本系统中，主密钥保护了工作密钥，工作密钥保护敏感信息，因而整个系统的安全依赖于主密钥的安全。主密钥在数据库加密系统设计时指定为一64位二进制数据，经加密后存放于安全区域内，使用时由系统自动获取并解密。

2、R加密算法在数据库加密系统中的实现

由于MIS应用系统选用的数据库平台为MS SQL Server7.0，开发工具为Delphi 7.0，而R加密加密算法是针对二进制位数据操作的，所采用的循环移位、异或等位操作用 C语言实现比较容易，因此R加密算法由C++实现，生成动态链接库.dll文件，Delphi应用程序编写调用程序调用.dll文件实现加解密操作。

（1）R加密算法动态链接库的生成

首先使用C++编写加密函数int encryfunc(char *s,char *key)和解密函数int decodefunc(char*s,char*key)，然后将其生成动态链接库decode.dll和encry.dll。在制作.dll文件的多种方法中，选择使用关键字declspec(dllexport)，另外使用Extern“C”使不同的编译器都能调用这个.dll文件。

代码如下：

Extern“C”declspec(dllexport) int Encry(char*s,char *key)；

Extern“C”declspec(dllexport) int Decode(char *s,char *key)；

（2）Delphi加解密调用函数

加密函数nowencry(miwen:string；key:string):string和解密函数nowdecode(miwen:string；key:string):string使用动态链接的方式分别调用decode.dll和encry.dll，实现对数据库表字段数据的加解密。

在Delphi中使用动态链接的方式调用.dll文件，使用函数Loadlibrary（），Getprocaddress（），freelibrary（）；在函数的声明部分使用stdcal和cdecl关键词。

@encry:function(s:string；key:string):integer；

cdecl；

@decode:function(s:string；key:string):integer；

cdecl；

在函数的执行部分加入如下语句：

h1:=loadlibrary(‘encry.dll’)；