專利名稱：一種適用于嵌入式處理器的數(shù)據(jù)完整性驗證方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于數(shù)字集成電路領(lǐng)域，具體涉及一種適用于嵌入式處理器的數(shù)據(jù)完整性 驗證方法，該方法的核心是多粒度存儲器散列計算，是一種具有高性能，少相關(guān)訪問，低初 始化時間的數(shù)據(jù)完整性校驗方法。由于在設(shè)計時就考慮了性能與開銷等因素，該方法完全 適用于嵌入式系統(tǒng)，也適用于計算機系統(tǒng)，能夠為其提供可靠的數(shù)據(jù)完整性驗證。
背景技術(shù)：
數(shù)據(jù)完整性驗證是解決篡改攻擊的有效手段。基于這一點，出現(xiàn)了散列函數(shù)， 消息認(rèn)證碼(MAC :Memory Authentication Code)禾口 AREA(AddedRedundancy Explicit Authentication)等方法。其中，散列函數(shù)(即Hash函數(shù))是現(xiàn)代密碼技術(shù)與應(yīng)用的一個重要基礎(chǔ)。在本文 中，散列函數(shù)對于數(shù)據(jù)機密性保護和完整性校驗而言，是基礎(chǔ)性的密碼類運算。散列函數(shù)計 算一個任意長度的輸入而得到一個定長的輸出，該輸出稱為原始輸入的散列值，或簡稱散 列值。散列函數(shù)之所以在密碼學(xué)中扮演重要的角色，在于其具有如下的特性單向性已知散列函數(shù)的輸出，欲求其輸入是困難的，即已知c = Hash(m)，求m是 困難的。m代表原始輸入數(shù)據(jù)，c為該輸出的散列值，Hash ()表示散列函數(shù)。Hash(m)表示 對原始數(shù)據(jù)m進行散列計算?？焖傩砸阎猰，計算Hash (m)是容易的。Hash函數(shù)不屬于強計算密集型算法?？古鲎残砸阎猚l = Hash (ml)，知道cl的值，而ml (原始輸入數(shù)據(jù))的值不知。 構(gòu)造一個輸入數(shù)據(jù)m2使cl = Hash(m2)是困難的(指計算不可行)。雪崩性若c = Hash (m)，那么c的每一比特都與m的每一比特有關(guān)，并有高度敏 感性即每改變的一比特，都將對c產(chǎn)生明顯影響(比如導(dǎo)致c中一半以上的位發(fā)生變化)。接受的輸入數(shù)據(jù)m沒有長度限制，對輸入任何長度的數(shù)據(jù)都能夠生成固定長度的 輸出。有統(tǒng)計計算表明，如Hash (m)的長度為128位時，則任意兩個分別為ml和m2的輸 入數(shù)據(jù)具有完全相同Hash (m)的概率為10_24即接近于零的重復(fù)概率。若Hash (m)為512位 乃至1024位，則更是不大可能重復(fù)了。因此，散列函數(shù)可以用于數(shù)據(jù)完整性驗證、數(shù)字簽名、生成隨機數(shù)等多種目的。目 前，常用的散列函數(shù)主要是MD5，SHA-1, SHA-2等?，F(xiàn)存的數(shù)據(jù)完整性驗證方法依賴于散列樹結(jié)構(gòu)，如Merkle樹， PAT (Parallelizable Authentication Tree)禾口 TEC-Tree (Tamper-Evident CounterTree)。其中，PAT與TEC-tree是基于Merkle樹的兩種改進型。Merkle 散列樹驗證思想在文獻(Jose L. Munoz, Jordi Forne, OscarEsparza, Man el Rey. Efficient Certificate Revocation System Implementation:Huffman Merkle Hash Tree. Trust, Privacy and Security in Digital Business. Berlin Springer-Verlag, 2005, 3592 :119-127)中被詳細(xì)闡述，給定一組數(shù)據(jù) Y = Yl，Y2.......Yn，現(xiàn)在需要對這組數(shù)據(jù)進行完整性驗證證。為了驗證Yi (l^i^ n)，一棵二叉
樹被構(gòu)造，該二叉樹被稱之為Merkle散列樹。如圖1所示，節(jié)點8,9,10，11，12，13，14屬于 同一層，即葉節(jié)點層，也就是最低層。節(jié)點4，5，6，7屬于同一層，節(jié)點2，3屬于同一層。節(jié) 點1，即根節(jié)點，單獨屬于一層。二叉樹中的每個節(jié)點從根節(jié)點開始以層遍歷的方式被編號， 即同一層被編號完才對下一層進行編號，根節(jié)點為節(jié)點1，任何中間節(jié)點i的子節(jié)點為節(jié)點 2i和節(jié)點2i+l。同時，節(jié)點i稱為節(jié)點2i和節(jié)點2i+l的父節(jié)點。同一層中具有同一個父 節(jié)點的節(jié)點稱為彼此的兄弟節(jié)點，如節(jié)點8是節(jié)點9的兄弟節(jié)點，節(jié)點9也稱為節(jié)點8的兄 弟節(jié)點。二叉樹中的每個節(jié)點都有一個散列函數(shù)值與之對應(yīng)，葉節(jié)點的散列函數(shù)值是對需 要認(rèn)證的數(shù)據(jù)進行散列運算得到的，而中間節(jié)點的散列函數(shù)值由其子節(jié)點的散列函數(shù)值聯(lián) 合進行散列運算得到。二叉樹構(gòu)造過程如下首先計算葉節(jié)點的值。葉節(jié)點的值由Yi的值得到。如圖1所示，c8 = Hash (Y1)， c9 = Hash (Y2)等。然后計算中間節(jié)點及根節(jié)點i的值由節(jié)點2i和節(jié)點2i+l的值得到。如，c4 = Hash(c8,c9), (c8,c9)表示把數(shù)據(jù)c9放在c8的后面，兩者連接成一個數(shù)據(jù)。c5 = Hash(c 10，c 11)，c 1 = Hash(c2, c3)。由二叉樹節(jié)點對應(yīng)的值的構(gòu)造過程可知，節(jié)點1的值與整棵二叉樹的每個葉子節(jié) 點的值都是相關(guān)聯(lián)的。中間節(jié)點i的值與以節(jié)點i為根的子樹的所有葉節(jié)點對應(yīng)的值有關(guān)。 如節(jié)點2的值與節(jié)點4，5，8，9，10，11對應(yīng)的值有關(guān)。這種方法能夠提高處理器的安全性。但是這種方法產(chǎn)生的散列樹層數(shù)、節(jié)點較 多，缺失代價大，驗證時資源開銷也較大，因此不能夠滿足嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的要求。PAT與 TEC-tree是對Merkle樹的節(jié)點值進行了改進，但是沒有對Merkle樹本身進行改進，因此兩 者產(chǎn)生的節(jié)點也較多，同樣有缺失代價、驗證時資源開銷大的缺點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種適用于嵌入式處理器的數(shù)據(jù)完整性驗證方法，該方法 與現(xiàn)有技術(shù)相比具有更小的硬件開銷，卻能達到更優(yōu)的性能，能夠真正應(yīng)用于對設(shè)計要求 較高的嵌入式系統(tǒng)中。本發(fā)明提供的一種適用于嵌入式處理器的數(shù)據(jù)完整性驗證方法，包括初始化操作 過程中的數(shù)據(jù)完整性驗證及讀、寫操作過程中的數(shù)據(jù)完整性驗證；其特征在于，初始化操作過程中的數(shù)據(jù)完整性驗證包括下述步驟(A1)計算待建立的多粒度散列樹的層數(shù)；(A2)對物理內(nèi)存中數(shù)據(jù)塊進行散列計算，按照步驟(A1)中計算的層數(shù)建立多粒 度散列樹，并將多粒度散列樹存儲在散列緩存中；(A3)從可信存儲區(qū)讀取安全信息，并與多粒度散列樹的根節(jié)點的值進行比較，如 果兩者相等，說明內(nèi)存中的數(shù)據(jù)未遭篡改，則將驗證標(biāo)志位置為1 ；兩者不等，則置標(biāo)志位 為0，表示內(nèi)存中的數(shù)據(jù)已遭篡改；讀操作過程的數(shù)據(jù)完整性驗證過程為(B1)計算物理內(nèi)存中兩個相鄰數(shù)據(jù)塊的散列值；(B2)在散列緩存中查找是否有與步驟(B1)所述的兩個相鄰數(shù)據(jù)塊的相應(yīng)葉節(jié)點的值，如果有，進入步驟(B3)，否則，該相應(yīng)葉節(jié)點缺失，稱之為當(dāng)前缺失節(jié)點，用步驟(B1) 中計算出的散列值代替當(dāng)前缺失節(jié)點值，然后轉(zhuǎn)入步驟(B4)；(B3)讀散列緩存中相應(yīng)葉節(jié)點的值，并與步驟(B1)中計算出的散列值進行比較， 若兩值相等，說明數(shù)據(jù)塊是完整的，則將驗證標(biāo)志位置為1，否則，將驗證標(biāo)志位置為0，表 示數(shù)據(jù)塊不是完整的；最后均進入步驟(B9)；(B4)對當(dāng)前缺失節(jié)點按照下面過程進行處理(B41)在散列緩存中查找當(dāng)前缺失節(jié)點的兄弟節(jié)點，如果兄弟節(jié)點的值缺失，稱該 兄弟節(jié)點為當(dāng)前缺失節(jié)點，進入步驟(B42)，否則，進入步驟(B5)；(B42)處理步驟如下(B421)判斷當(dāng)前缺失節(jié)點是否為葉節(jié)點，如果是，則由缺失節(jié)點對應(yīng)的物理內(nèi)存 中數(shù)據(jù)塊計算出散列值，用計算出的散列值代替當(dāng)前缺失節(jié)點值，然后進入步驟(B422)； 如果不是，直接轉(zhuǎn)入步驟(B422)；(B422)計算當(dāng)前缺失節(jié)點的子節(jié)點的地址；(B423)在散列緩存中查找是否有當(dāng)前缺失節(jié)點的子節(jié)點的值，若所有子節(jié)點都 不缺失，則由子節(jié)點的值計算出散列值，并用該散列值代替缺失節(jié)點的值，然后進入步驟 (B5)；若有子節(jié)點缺失，則稱缺失的子節(jié)點為當(dāng)前缺失節(jié)點，然后轉(zhuǎn)入步驟(B42)；(B5)判斷是否所有的兄弟節(jié)點都被查找到了，如果是，則進入步驟(B6)，否則跳 到步驟(B41)；(B6)讀出步驟(B4)中當(dāng)前缺失節(jié)點的兄弟節(jié)點的散列值并計算父節(jié)點的散列 值；(B7)在散列緩存中查找是否有父節(jié)點的值；如果父節(jié)點的值缺失，則稱該父節(jié)點 為當(dāng)前缺失節(jié)點，轉(zhuǎn)入步驟(B8)；否則，讀出父節(jié)點的值，并跳到(B9)；(B8)判斷步驟(B6)中的當(dāng)前缺失節(jié)點是否為根節(jié)點；如果不是，用步驟(B6)中 計算出的散列值代替當(dāng)前缺失節(jié)點值，然后轉(zhuǎn)入步驟(B4)；如果是，則從可信存儲區(qū)中讀 出根節(jié)點的值，用之代替父節(jié)點的值，然后進入步驟(B9)；(B9)比較讀出的父節(jié)點值和步驟(B6)中計算出的父節(jié)點值；若兩值相等，說明 數(shù)據(jù)塊是完整的，則將驗證標(biāo)志位置為1 ；否則，將驗證標(biāo)志位置為0，表示數(shù)據(jù)塊不是完整 的；(B10)讀操作驗證過程結(jié)束；寫操作過程的數(shù)據(jù)完整性驗證過程為(C1)計算待改寫數(shù)據(jù)塊對應(yīng)的散列節(jié)點的地址，該散列節(jié)點稱之為當(dāng)前缺失節(jié)點。(C2)在散列緩存中查找是否有當(dāng)前缺失節(jié)點的值；如果有，則轉(zhuǎn)入步驟(C3)；如 果沒有，則計算待改寫的數(shù)據(jù)塊的散列值，并用該散列值代替當(dāng)前節(jié)點值，然后進入步驟 (C3)；(C3)查找該當(dāng)前缺失節(jié)點兄弟節(jié)點；如果兄弟節(jié)點缺失，則稱缺失的兄弟節(jié)點為 當(dāng)前缺失節(jié)點，進入步驟(C4)；如果不缺失，則進入步驟(C5)；(C4)處理步驟如下(C41)判斷當(dāng)前缺失節(jié)點是否為葉節(jié)點，如果不是，轉(zhuǎn)入步驟(C42)；如果是，則由缺失節(jié)點對應(yīng)的物理內(nèi)存中數(shù)據(jù)塊計算出散列值，并用計算出的散列值代替當(dāng)前缺失節(jié)點 值，然后進入步驟(C5)；(C42)計算當(dāng)前缺失節(jié)點的子節(jié)點的地址；(C43)在散列緩存中查找是否有當(dāng)前缺失節(jié)點的子節(jié)點的值，若所有子節(jié)點都 不缺失，則由子節(jié)點的值計算出散列值，并用該散列值代替缺失節(jié)點的值，然后進入步驟 (C5)；若有子節(jié)點缺失，則稱缺失的子節(jié)點為當(dāng)前缺失節(jié)點，然后轉(zhuǎn)入步驟(C4)；(C5)判斷是否步驟(C3)所有的兄弟節(jié)點都被查找到了，如果是，則進入步驟 (C6)，否則跳到步驟(C3)；(C6)讀步驟(C3)中第一個當(dāng)前缺失節(jié)點及其兄弟節(jié)點的散列值并計算它們的父 節(jié)點的散列值；(C7)在散列緩存中查找是否有父節(jié)點的值；如果父節(jié)點的值缺失，則稱該節(jié)點為 當(dāng)前缺失節(jié)點，轉(zhuǎn)入步驟(C8)；否則，讀出父節(jié)點的值，并跳到(C9)；(C8)判斷步驟(C7)中的當(dāng)前缺失節(jié)點是否為根節(jié)點；如果不是，用步驟(C6)中 計算出的散列值代替當(dāng)前缺失節(jié)點的值，然后轉(zhuǎn)入步驟(C3)；如果是，則從可信存儲區(qū)中 讀出根節(jié)點的值，用之代替父節(jié)點的值，然后進入步驟(C9)；(C9)比較讀出的父節(jié)點值和步驟(C6)中計算出的父節(jié)點值；若兩值相等，說明數(shù) 據(jù)塊是完整的，則將驗證標(biāo)志位置為1，然后轉(zhuǎn)入步驟(C10)；否則，將驗證標(biāo)志位置為0，表 示數(shù)據(jù)塊不是完整的，跳到(C11)；(C10)更新當(dāng)前節(jié)點和它的父節(jié)點值；(C11)寫操作驗證過程結(jié)束。本發(fā)明提供了一種適用于嵌入式處理器的數(shù)據(jù)完整性驗證方法，它包括多粒度散 列計算和散列訪問控制，其中散列訪問控制包括地址的轉(zhuǎn)換，散列節(jié)點的訪問。多粒度散列 計算用于產(chǎn)生多粒度Merkle樹，該樹緩存在散列cache中，同時在樹的節(jié)點缺失時，此算法 負(fù)責(zé)計算內(nèi)存中數(shù)據(jù)塊的散列值。地址轉(zhuǎn)換為每個節(jié)點提供了一個唯一對應(yīng)的地址。散列 節(jié)點訪問主要負(fù)責(zé)訪問各個散列樹的節(jié)點，特別是在讀缺失和寫操作時采取不同的對策。 讀缺失時，首先訪問子節(jié)點，計算出當(dāng)前節(jié)點，再遞歸地追蹤父節(jié)點。在執(zhí)行寫操作時，先驗 證當(dāng)前節(jié)點的安全性。再更新當(dāng)前節(jié)點和父節(jié)點。由于采用多粒度散列算法，本發(fā)明產(chǎn)生 的散列樹節(jié)點少，層數(shù)少，因而減少了存儲空間，硬件面積開銷和初始化時間，提高了性能。本發(fā)明針對自然Merkle樹的缺點，采用了多粒度算法，即對不同層的節(jié)點采用不 同的粒度(用來進行散列運算的數(shù)據(jù)塊的數(shù)目稱為粒度)進行散列計算。對于Merkle樹 來說，低層節(jié)點特別是葉節(jié)點，訪問得最頻繁。所以，我們對這些節(jié)點使用較少數(shù)目的數(shù)據(jù) 塊(即較小的粒度)進行散列計算，我們稱之為細(xì)粒度散列算法。與此同時，對于擁有大缺 失代價的高層節(jié)點，我們使用較多數(shù)據(jù)塊來進行散列計算，我們稱之為粗粒度散列算法。細(xì) 粒度散列算法通過使散列開銷最小化來提高存儲器校驗的性能，而粗粒度散列算法通過一 次對多個節(jié)點進行散列計算來節(jié)省存儲空間，增大了高層節(jié)點的命中率。


圖1為Merkle散列樹的示意圖；圖2為本發(fā)明提供的數(shù)據(jù)完整性校驗方法的結(jié)構(gòu)模型示意圖3為本發(fā)明提供的方法的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)流向示意圖；圖4為本發(fā)明的多粒度Merkle樹結(jié)構(gòu)示意圖，其中，(a)為自然Merkle樹，(b)為 多粒度Merkle樹；圖5為本發(fā)明的節(jié)點地址轉(zhuǎn)換算法示意圖；圖6為本發(fā)明的粒度索引示意圖；圖7為本發(fā)明的初始化操作流程；圖8為本發(fā)明的多粒度Merkle節(jié)點計算示意圖；圖9為本發(fā)明的讀操作驗證流程；圖10為本發(fā)明的寫操作驗證流程；
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實例對本發(fā)明作進一步詳細(xì)的說明。圖2為本發(fā)明提供的數(shù)據(jù)完整性校驗方法在處理器整體架構(gòu)中位置的示意圖，即 實現(xiàn)此方法需要在現(xiàn)有的處理器中額外增加一個完整性驗證模塊。圖2中非可信存儲區(qū)是 指處理器芯片外部的存儲器，可信存儲區(qū)是指處理器芯片內(nèi)部的存儲器。如圖3所示，完整性驗證模塊中引入了一個高速緩沖存儲器，用于存儲散列樹的 節(jié)點值，下稱散列緩存。此外，完整性驗證模塊還包括兩大部分，分別為多粒度散列計算模 塊和散列訪問控制模塊。多粒度散列計算模塊，是實現(xiàn)散列函數(shù)的電路模塊，主要功能是對 不同粒度的(即不同個數(shù)的)數(shù)據(jù)塊進行散列計算，得到一個具有固定位數(shù)的散列值。對 于寫操作(即把第二級高速緩沖存儲器中的數(shù)據(jù)寫入非可信存儲區(qū))，在執(zhí)行這一操作之 前，待寫的數(shù)據(jù)要先流入散列計算模塊，得到散列值，然后用此值更新散列cache中相應(yīng)的 節(jié)點散列值。對于讀操作，非可信區(qū)的數(shù)據(jù)在讀入第二級高速緩沖存儲器之前，待寫的數(shù)據(jù) 先要流入散列計算模塊，計算出的散列值與從散列cache中取出的值進行比較，兩值相等 則非可信區(qū)的數(shù)據(jù)可以讀入第二級高速緩沖存儲器，不相等則說明數(shù)據(jù)已遭篡改，不可以 讀入第二級高速緩沖存儲器。圖4表示的是一個2元(2-ary)的多粒度散列樹和一個自然Merkle樹的對比。 第三層是多粒度Merkle樹的葉節(jié)點。它的粒度固定為2。第二層定義為多粒度Merkle樹 的基本層。它的粒度可以被配置為2，那么這時候它就是2-ary的多粒度Merkle樹。多粒 度Merkle樹的粒度從這層開始變化。上一層的粒度由下層的粒度乘二得到。所以第1層 的散列粒度為4，第零層的粒度為8。采用這樣的方式，對于一個總層數(shù)為j的Merkle樹， 第i層的粒度為A” A, = Abasi。X2j-H (Abasic為基本層的粒度)。多粒度Merkle樹的上層節(jié) 點擁有粗散列粒度，這使得一個上層節(jié)點能夠驗證更多的下層節(jié)點。這不僅節(jié)省了散列樹 的存儲空間，還減少了加載程序時的初始化延遲。如圖5所示，對于葉層的節(jié)點，層數(shù)為i，它的地址是將相應(yīng)的存儲器地址右移 logA位隊是第i層的粒度)，最左端位空位用0補足。同樣地，將節(jié)點地址右移 Io^Ah位能夠得到它在第i_l層的父節(jié)點地址。通過這種移位操作，散列訪問控制模塊能 夠快速地計算出從i層到0層(散列樹的最高層)的散列節(jié)點的地址。每個散列樹的節(jié)點 對應(yīng)唯——個地址。如圖6所示，該結(jié)構(gòu)使得散列cache可以通過索引一個節(jié)點的層數(shù)，快速取得該節(jié)點的粒度。此外，為了利用cache結(jié)構(gòu)，被訪問節(jié)點的地址映射成三個字段標(biāo)簽，cache地 址，字節(jié)偏移量。這簡化了訪問節(jié)點的搜索。本發(fā)明方法包括散列樹初始化操作過程中的數(shù)據(jù)完整性驗證及讀寫操作過程中 的數(shù)據(jù)完整性驗證。下面分別予以具體說明。為了使強制缺失最小化，必須在驗證數(shù)據(jù)完整性之前初始化Merkle樹。由于數(shù)據(jù) 是從片外存儲器上載入的，所以多粒度散列計算模塊計算每兩個數(shù)據(jù)塊的散列值，這些散 列值稱為葉節(jié)點，以這些葉節(jié)點值按照不同的粒度算出上層節(jié)點的散列值，重復(fù)計算上層 節(jié)點的散列值，最終算出根節(jié)點的散列值，至此，構(gòu)造散列樹的工作就結(jié)束了。散列計算的 最終結(jié)果被稱作根節(jié)點，需要與安全信息進行比較，該安全信息在初始化操作前已經(jīng)存入 可信區(qū)。如果根節(jié)點與安全信息一致，說明被訪問的數(shù)據(jù)是安全的，沒有被篡改。否則，就 意味著非可信存儲區(qū)遭到篡改攻擊，數(shù)據(jù)的完整性被破壞。初始化完成后，部分散列樹節(jié)點 存儲在散列緩存中，供運行期間的讀寫非可信存儲區(qū)驗證使用。如圖7所示，初始化操作過程中的數(shù)據(jù)完整性驗證包括下述步驟(A1)計算多粒度散列樹的層數(shù)。設(shè)i表示層的序號，j表示總層數(shù)，i的取值范圍為0至j_l，其中，第0層表示 根節(jié)點層，Abasic表示預(yù)先設(shè)定的基本層的粒度(通常取值為2和4)，根據(jù)粒度關(guān)系A(chǔ)i =
以及待散列計算的數(shù)據(jù)塊的塊數(shù)，計算出多粒度散列樹的層數(shù)j。如圖4，有 128塊數(shù)據(jù)，葉節(jié)點層和基本層的粒度為2，往上的層的粒度分別為4、8、16，32等等，用128 分別除以這些粒度，結(jié)果為1時即結(jié)束，此時所作的除法的次數(shù)就是層數(shù)。對于128塊數(shù) 據(jù)，128 + 2 + 2 + 4 + 8 = 1，即總層數(shù)為4。對于129塊數(shù)據(jù)，129 + 2 + 2 + 4 + 8 = 1余1，則 總層數(shù)為5，即對于無法整除的數(shù)，總層數(shù)為所作除法次數(shù)加1。(A2)對物理內(nèi)存(即圖2中的非可信存儲區(qū))中數(shù)據(jù)塊進行散列計算，建立散列 樹，并將散列樹存儲在散列緩存中。如圖8所示，假設(shè)物理內(nèi)存中的數(shù)據(jù)為Y1，Y2，......Y16，節(jié)點6，7，8，9......,13
為葉節(jié)點，具體計算步驟如下(A21)以2為粒度，計算葉節(jié)點的散列值。如圖8所示，葉節(jié)點6的值為c6 = Hash(Yl,Y2),cn表示節(jié)點n的散列值，n為一 個大于1的整數(shù)，則c6表示節(jié)點6的散列值。HashO表示采用一種散列函數(shù)對括號內(nèi)的數(shù) 進行散列計算，在本方法中，任取現(xiàn)有的一種散列函數(shù)即可。(P，q)表示把數(shù)P與數(shù)q首尾 相連成一個數(shù)，若 P = 10001，q = 0011，則(p，q) = 100010011，則 c6 = Hash (100010011)。 同樣，c7 = Hash (Y3, Y4)，c8 = Hash (Y5, Y6)，c9 = Hash (Y7, Y8)，以此類推。每計算出一 個散列值，就存儲在散列緩存中，以供計算上一層節(jié)點的散列值使用，在步驟(A22)，(A23) 中，這點同樣適用；(A22)同樣以2為粒度(也可以取4或8為粒度，這可以人為地確定，但根據(jù)作者 的研究發(fā)現(xiàn)，取2或4的時候性能會更好)，計算基本層節(jié)點的散列值；如圖8所示，計算基本層節(jié)點2，3，4，5的散列值，c2 = Hash(c6, c7), c3 = Hash(c8, c9)，c4 = Hash(cl0, ell)，c5 = Hash(c12, cl3)；(A23)從基本層開始，以下一層節(jié)點的粒度，乘2得出上一層節(jié)點的粒度，并以計 算出的粒度，計算上一層節(jié)點的散列值，重復(fù)這一操作，直至計算出最高層中根節(jié)點的散列值；如圖8所示，基本層的上一層為層0，則用基本層粒度乘以2得出層0的粒度為4， 因此，節(jié)點值 cl = Hash(c2，c3，c4，c5)。(c2，c3，c4，c5)表示把 c2，c3，c4，c5 四個數(shù)首 尾相連。在這一例子中，到這里散列樹就已經(jīng)建立完成了，節(jié)點1就是根節(jié)點。對于那些數(shù) 據(jù)塊多于16的，在這一步?jīng)]有到達最后一層，重復(fù)乘2算上一層粒度，計算散列值這一步 驟，直至到達最后一層；(A3)讀取安全信息，并與根節(jié)點進行比較。從處理器內(nèi)的可信存儲區(qū)中讀出安全信息，并將之與上一步驟計算出的根節(jié)點散 列值cl進行比較。若兩者相等，說明內(nèi)存中的數(shù)據(jù)未遭篡改，則將驗證標(biāo)志位置為1 ；若兩 者不等，則置標(biāo)志位為0，表示內(nèi)存中的數(shù)據(jù)已遭篡改。如圖9所示，讀操作過程的數(shù)據(jù)完整性驗證過程包括下列步驟(B1)計算物理內(nèi)存中兩個相鄰數(shù)據(jù)塊的散列值；散列值由多粒度散列計算模塊計算而得，散列值為c = Hash(Yi,Yi+1)。Yi，Yi+1表 示物理內(nèi)存中兩個相鄰的數(shù)據(jù)塊。(B2)在散列緩存中查找是否有與步驟(B1)所述的兩個相鄰數(shù)據(jù)塊的相應(yīng)葉節(jié)點 的值，如果有，進入步驟(B3)，否則，該相應(yīng)葉節(jié)點缺失，稱之為當(dāng)前缺失節(jié)點，用步驟(B1) 中計算出的散列值代替當(dāng)前缺失節(jié)點值，然后轉(zhuǎn)入步驟(B4)；查找過程為設(shè)兩個相鄰數(shù)據(jù)塊中的任意一個數(shù)據(jù)塊的編號為s，該數(shù)據(jù)塊為Ys， 其地址為adds，則相應(yīng)葉節(jié)點的地址Addk由adds右移log2Ni位得到，Ni是層i的粒度， 移位后，最左端的log2Ni位空位由0來補足，k為葉節(jié)點的編號，根據(jù)葉節(jié)點的地址Addk， 查找散列緩存相應(yīng)葉節(jié)點的值。用步驟(B1)中計算出的散列值代替當(dāng)前缺失節(jié)點值，是指將上一步驟計算出的c 寫入散列緩存的地址Addk中。(B3)讀散列緩存中相應(yīng)葉節(jié)點的值，并與步驟(B1)中計算出的散列值進行比較， 若兩值相等，說明數(shù)據(jù)塊是完整的，則將驗證標(biāo)志位置為1，否則，將驗證標(biāo)志位置為0，表 示數(shù)據(jù)塊不是完整的；最后均進入步驟(B9)；(B4)對當(dāng)前缺失節(jié)點按照下面過程進行處理(B41)查找當(dāng)前缺失節(jié)點的兄弟節(jié)點，如果兄弟節(jié)點的值缺失，稱該兄弟節(jié)點為當(dāng) 前缺失節(jié)點，進入步驟(B42)，否則，進入步驟(B5)；查找過程為設(shè)當(dāng)前缺失節(jié)點的地址為adds，則當(dāng)前缺失節(jié)點的基本地址Adds由 adds右移log2Ni位，然后再左移log2Ni位得到，Ni是當(dāng)前缺失節(jié)點所在層i_l的上一層i 的粒度，移位后，最右端的log2Ni位空位由0來補足。Adds,Adds+l,……,Adds+(Ni-l)中 包括當(dāng)前缺失節(jié)點地址，去掉該地址，剩余的Ni-2個地址即為缺失節(jié)點的兄弟節(jié)點地址。 根據(jù)兄弟節(jié)點的地址，查找散列緩存中相應(yīng)兄弟節(jié)點的值。(B42)處理步驟如下(B421)判斷當(dāng)前缺失節(jié)點是否為葉節(jié)點，如果是，則由缺失節(jié)點對應(yīng)的物理內(nèi)存 中數(shù)據(jù)塊計算出散列值，用計算出的散列值代替當(dāng)前缺失節(jié)點值，轉(zhuǎn)入步驟(B5)。如果不 是，轉(zhuǎn)入步驟(B422)；初始化過程中，已經(jīng)計算出了總層數(shù)j，如果當(dāng)前缺失節(jié)點所在的層數(shù)i等于j_l，則缺失節(jié)點是葉節(jié)點。否則，當(dāng)前缺失節(jié)點不是葉節(jié)點。如果當(dāng)前缺失節(jié)點為葉節(jié)點，且地址為add，則缺失節(jié)點對應(yīng)的物理內(nèi)存中數(shù)據(jù)塊 的基本地址為Addb，Addb由add左移lo&2位得到，最右端的lo&2位空位用0補足，Addb， Addb+1是缺失節(jié)點對應(yīng)的物理內(nèi)存中的兩個數(shù)據(jù)塊的地址。假設(shè)讀出地址Addb，Addb+1 中的數(shù)據(jù)為Yi，Yi+1，則計算出的散列值為c = Hash(t，Yi+1)，然后將c寫入散列緩存的地址 add 中。(B422)計算當(dāng)前缺失節(jié)點的子節(jié)點的地址；
設(shè)缺失節(jié)點的地址為Add，則子節(jié)點的基本地址Addb由Add左移log2Ni位 (Ni是當(dāng)前節(jié)點層的粒度)，移動后，最右端的log2Ni位空位用0補足。Add，Add+1， Add+2，......Add+(Ni-l)，就是所有子節(jié)點的地址；(B423)在散列緩存中查找是否有當(dāng)前缺失節(jié)點的子節(jié)點的值，若所有子節(jié)點都 不缺失，則由子節(jié)點的值計算出散列值，并用該散列值代替缺失節(jié)點的值，然后進入步驟 (B5)。若有子節(jié)點缺失，則稱缺失的子節(jié)點為當(dāng)前缺失節(jié)點，然后轉(zhuǎn)入步驟(B42)；按照步驟(B422)計算出的地址去散列緩存中查找相應(yīng)的子節(jié)點散列值。如果 所有子節(jié)點都不缺失，則按照步驟(B422)計算出的子節(jié)點地址讀出所有子節(jié)點的散列 值，假設(shè)讀出的子節(jié)點散列值為，cl，c2, c3……，cNi，則由子節(jié)點的值計算出散列值c = Hash(cl, c2, c3……，cNi)，然后將計算出的散列值寫到散列緩存的地址Add中。(B5)判斷是否所有的兄弟節(jié)點都被查找過了，如果是，則進入步驟(B6)，否則跳 到步驟(B41)；設(shè)置一個計數(shù)器，每進入步驟(B41) —次，計數(shù)器加一，若計數(shù)器的結(jié)果counter 等于步驟(B41)中的Ni減一，則說明所有的兄弟節(jié)點都被查找過了。若不相等，則說明還 有兄弟節(jié)點未查找過。(B6)讀出步驟(B4)中當(dāng)前缺失節(jié)點及其兄弟節(jié)點的散列值并計算父節(jié)點的散列 值；設(shè)讀出的當(dāng)前缺失節(jié)點及其兄弟節(jié)點的散列值分別為cl，c2，c3，c4……，ci，則計 算父節(jié)點的散列值為:Hash(cl, c2, c3, c4……，ci)。(B7)在散列緩存中查找是否有父節(jié)點的值。如果父節(jié)點的值缺失，則稱該父節(jié)點 為當(dāng)前缺失節(jié)點，轉(zhuǎn)入步驟(B8)；否則，讀出父節(jié)點的值，并跳到(B9)；查找過程設(shè)當(dāng)前缺失節(jié)點的地址為Add，則父節(jié)點的地址Addf由Add右移lo&Ni 位(Ni是父節(jié)點所在層的粒度)得到，最左端log2Ni位用0補足。根據(jù)父節(jié)點的地址，查 找散列緩存父節(jié)點的值。(B8)判斷步驟(B7)中的當(dāng)前缺失節(jié)點是否為根節(jié)點。如果不是，用步驟(B6)中 計算出的散列值代替當(dāng)前缺失節(jié)點值，然后轉(zhuǎn)入步驟(B4)；如果是，則從可信存儲區(qū)中讀 出根節(jié)點的值，用之代替父節(jié)點的值；如果當(dāng)前缺失節(jié)點所在的層數(shù)i等于0，則缺失節(jié)點是根節(jié)點。否則，當(dāng)前缺失節(jié) 點不是根節(jié)點。(B9)比較讀出的父節(jié)點值和步驟(B6)中計算出的父節(jié)點值。若兩值相等，說明 數(shù)據(jù)塊是完整的，則將驗證標(biāo)志位置為1。否則，將驗證標(biāo)志位置為0，表示數(shù)據(jù)塊不是完整 的；
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這里的讀出的父節(jié)點值，可能是步驟(B7)中讀出的父節(jié)點值，也可能是步驟(B8) 中從可信存儲區(qū)中讀出的根節(jié)點值。(B10)讀操作驗證過程結(jié)束；如圖10所示，寫操作過程的數(shù)據(jù)完整性驗證過程包括下列步驟(C1)計算待改寫數(shù)據(jù)塊對應(yīng)的散列節(jié)點(稱之為當(dāng)前缺失節(jié)點)的地址；設(shè)待改寫數(shù)據(jù)塊的地址為adds，則當(dāng)前缺失節(jié)點的地址Add由adds右移log2Ni 位得到，Ni是層i的粒度，移位后，最左端的log2Ni位空位由0來補足。(C2)在散列緩存中查找是否有當(dāng)前缺失節(jié)點的值。如果有，則直接轉(zhuǎn)入步驟 (C3)；如果沒有，先計算待改寫的數(shù)據(jù)塊的散列值，再用該散列值代替當(dāng)前節(jié)點值，然后進 入步驟(C3)；根據(jù)步驟(C1)計算出的當(dāng)前缺失節(jié)點的地址Addk，查找散列緩存中當(dāng)前缺失節(jié) 點的值。如果散列緩存中沒有當(dāng)前缺失節(jié)點的值，則由步驟(C1)中數(shù)據(jù)塊地址adds右移 一位，再向左移一位，最右端一位用0補足，得到數(shù)據(jù)塊的基本地址addb，讀取物理內(nèi)存地 址addb,addb+l中的值Yi，Yi+1計算散列值c = Hash Yi+1)，將c寫入散列緩存地址Addk 中。(C3)查找該當(dāng)前缺失節(jié)點兄弟節(jié)點。如果兄弟節(jié)點缺失，則稱缺失的兄弟節(jié)點為 當(dāng)前缺失節(jié)點，進入步驟(C4)；如果不缺失，則進入步驟(C5)；查找過程為設(shè)當(dāng)前缺失節(jié)點的地址為adds，則當(dāng)前缺失節(jié)點的基本地址Adds由 adds右移log2Ni位，然后再左移log2Ni位得到，Ni是當(dāng)前缺失節(jié)點所在層i_l的上一層i 的粒度，移位后，最右端的log2Ni位空位由0來補足。Adds,Adds+l,……,Adds+(Ni-l)中 包括當(dāng)前缺失節(jié)點地址，去掉該地址，剩余的Ni-2個地址即為缺失節(jié)點的兄弟節(jié)點地址。 根據(jù)兄弟節(jié)點的地址，查找散列緩存相應(yīng)兄弟節(jié)點的值。(C4)處理步驟如下(C41)判斷當(dāng)前缺失節(jié)點是否為葉節(jié)點，如果不是，轉(zhuǎn)入步驟(C42)；如果是，則由 缺失節(jié)點對應(yīng)的物理內(nèi)存中數(shù)據(jù)塊計算出散列值，并用計算出的散列值代替當(dāng)前缺失節(jié)點 值，然后進入步驟(C5)；初始化過程中，已經(jīng)計算出了總層數(shù)j，如果當(dāng)前缺失節(jié)點所在的層數(shù)i等于j_l， 則缺失節(jié)點是葉節(jié)點。否則，當(dāng)前缺失節(jié)點不是葉節(jié)點。如果當(dāng)前缺失節(jié)點為葉節(jié)點，且地址為add，則缺失節(jié)點對應(yīng)的物理內(nèi)存中數(shù)據(jù)塊 的基本地址為Addb，Addb由add左移lo&2位得到，最右端的lo&2位空位用0補足，Addb， Addb+1是缺失節(jié)點對應(yīng)的物理內(nèi)存中的兩個數(shù)據(jù)塊的地址。假設(shè)讀出地址Addb，Addb+1 中的數(shù)據(jù)為Yi，Yi+1，則計算出的散列值為c = Hash(t，Yi+1)，然后將c寫入散列緩存的地址 add 中。(C42)計算當(dāng)前缺失節(jié)點的子節(jié)點的地址；設(shè)缺失節(jié)點的地址為Add，則子節(jié)點的基本地址Addb由Add左移log2Ni 位(Ni是當(dāng)前節(jié)點層的粒度)，移動后，最的低位log2Ni用0補足。Add，Add+1， Add+2，......Add+(Ni-l)，就是所有子節(jié)點的地址；(C43)在散列緩存中查找是否有當(dāng)前缺失節(jié)點的子節(jié)點的值，若所有子節(jié)點都不缺失，則由子節(jié)點的值計算出散列值，并用該散列值代替缺失節(jié)點的值。若有子節(jié)點缺失， 則稱缺失的子節(jié)點為當(dāng)前缺失節(jié)點，然后轉(zhuǎn)入步驟(C4)；按照步驟(C42)計算出的地址去散列緩存中查找相應(yīng)的子節(jié)點散列值。如果所有 子節(jié)點都不缺失，則按照步驟(C42)計算出的子節(jié)點地址讀出所有子節(jié)點的散列值，假設(shè) 讀出的子節(jié)點散列值為，cl，c2, c3……，cNi，則由子節(jié)點的值計算出散列值c = Hash(cl, c2,c3……，cNi)，然后將計算出的散列值寫到步驟(B422)中當(dāng)前缺失節(jié)點的地址Add中。(C5)判斷是否步驟(C3)所有的兄弟節(jié)點都被查找到了，如果是，則進入步驟 (C6)，否則跳到步驟(C3)；設(shè)置一個計數(shù)器，每進入步驟(C3) —次，計數(shù)器加一，若計數(shù)器的結(jié)果counter， 等于步驟(C3)中的Ni減一，則說明所有的兄弟節(jié)點都被查找過了。若不相等，則說明還有 兄弟節(jié)點未被查找過。(C6)讀步驟(C3)中第一個當(dāng)前缺失節(jié)點的及其兄弟節(jié)點的散列值并計算它們的 父節(jié)點的散列值；設(shè)讀出的當(dāng)前缺失節(jié)點及其兄弟節(jié)點的值分別為cl，c2，c3，c4……，ci，則計算父 節(jié)點的散列值為:Hash(cl, c2，c3，c4……，ci)。(C7)在散列緩存中查找是否有父節(jié)點的值。如果父節(jié)點的值缺失，則稱該節(jié)點為 當(dāng)前缺失節(jié)點，轉(zhuǎn)入步驟(C8)；否則，讀出父節(jié)點的值，并跳到(C9)；查找過程設(shè)當(dāng)前缺失節(jié)點的地址為Add，則父節(jié)點的地址Addf由Add右移lo&Ni 位(Ni是父節(jié)點所在層的粒度)得到，最左端log2Ni位用0補足。根據(jù)父節(jié)點的地址，查 找散列緩存父節(jié)點的值。(C8)判斷步驟(C7)中的當(dāng)前缺失節(jié)點是否為根節(jié)點。如果不是，用步驟(C6)中 計算出的散列值代替當(dāng)前缺失節(jié)點的值，然后轉(zhuǎn)入步驟(C3)；如果是，則從可信存儲區(qū)中 讀出根節(jié)點的值，用之代替父節(jié)點的值；如果當(dāng)前缺失節(jié)點所在的層數(shù)i等于0，則缺失節(jié)點是根節(jié)點。否則，當(dāng)前缺失節(jié) 點不是根節(jié)點。(C9)比較讀出的父節(jié)點值和步驟(C6)中計算出的父節(jié)點值。若兩值相等，說明數(shù) 據(jù)塊是完整的，則將驗證標(biāo)志位置為1，然后轉(zhuǎn)入步驟(C10)。否則，將驗證標(biāo)志位置為0，表 示數(shù)據(jù)塊不是完整的，跳到(C11)；這里的讀出的父節(jié)點值，可能是步驟(C7)中讀出的父節(jié)點值，也可能是步驟(C8) 中從可信存儲區(qū)中讀出的根節(jié)點值。(C10)更新當(dāng)前節(jié)點和它的父節(jié)點值；更新當(dāng)前節(jié)點，即是由即將寫入非可信存儲區(qū)中的數(shù)據(jù)計算出散列值，然后將該 散列值寫入步驟(C1)中計算出的地址中。更新父節(jié)點，即是由更新的當(dāng)前節(jié)點及其兄弟節(jié) 點計算出他們的父節(jié)點的散列值，然后將新父節(jié)點散列值寫入散列緩存中。(C11)寫操作驗證過程結(jié)束；使用這種驗證算法，能夠有效的發(fā)現(xiàn)被篡改的數(shù)據(jù)并發(fā)現(xiàn)被破壞的程序。此外，用 來檢查根節(jié)點的關(guān)鍵安全信息存儲在片內(nèi)存儲器中的。節(jié)點的散列值只有初始化或是散列 節(jié)點缺失時才被緩存和計算。所以，多粒度Merkle樹不需要額外的存儲空間來保存散列 值。這不僅減少了硬件開銷，還改善了嵌入式處理器的安全性。
此外，本方法使處理器能夠把散列計算的時間隱藏在內(nèi)存的訪問過程中。這就有 效地減少了多粒度Merkle樹安全計算的性能開銷。對本發(fā)明采用Mibench進行性能測試，由實驗結(jié)果可以看到，本發(fā)明所提出的多 粒度Merkle樹相比自然Merkle樹具有性能上的優(yōu)越性，更適用于嵌入式系統(tǒng)。本發(fā)明不應(yīng)該局限于附圖所公開的內(nèi)容。所以凡是不脫離本發(fā)明所公開的精神下 完成的等效或修改，都落入本發(fā)明保護的范圍。
權(quán)利要求
一種適用于嵌入式處理器的數(shù)據(jù)完整性驗證方法，包括初始化操作過程中的數(shù)據(jù)完整性驗證及讀、寫操作過程中的數(shù)據(jù)完整性驗證；其特征在于，初始化操作過程中的數(shù)據(jù)完整性驗證包括下述步驟(A1)計算待建立的多粒度散列樹的層數(shù)；(A2)對物理內(nèi)存中數(shù)據(jù)塊進行散列計算，按照步驟(A1)中計算的層數(shù)建立多粒度散列樹，并將多粒度散列樹存儲在散列緩存中；(A3)從可信存儲區(qū)讀取安全信息，并與多粒度散列樹的根節(jié)點的值進行比較，如果兩者相等，說明內(nèi)存中的數(shù)據(jù)未遭篡改，則將驗證標(biāo)志位置為1；兩者不等，則置標(biāo)志位為0，表示內(nèi)存中的數(shù)據(jù)已遭篡改；讀操作過程的數(shù)據(jù)完整性驗證過程為(B1)計算物理內(nèi)存中兩個相鄰數(shù)據(jù)塊的散列值；(B2)在散列緩存中查找是否有與步驟(B1)所述的兩個相鄰數(shù)據(jù)塊的相應(yīng)葉節(jié)點的值，如果有，進入步驟(B3)，否則，該相應(yīng)葉節(jié)點缺失，稱之為當(dāng)前缺失節(jié)點，用步驟(B1)中計算出的散列值代替當(dāng)前缺失節(jié)點值，然后轉(zhuǎn)入步驟(B4)；(B3)讀散列緩存中相應(yīng)葉節(jié)點的值，并與步驟(B1)中計算出的散列值進行比較，若兩值相等，說明數(shù)據(jù)塊是完整的，則將驗證標(biāo)志位置為1，否則，將驗證標(biāo)志位置為0，表示數(shù)據(jù)塊不是完整的；最后均進入步驟(B9)；(B4)對當(dāng)前缺失節(jié)點按照下面過程進行處理(B41)在散列緩存中查找當(dāng)前缺失節(jié)點的兄弟節(jié)點，如果兄弟節(jié)點的值缺失，稱該兄弟節(jié)點為當(dāng)前缺失節(jié)點，進入步驟(B42)，否則，進入步驟(B5)；(B42)處理步驟如下(B421)判斷當(dāng)前缺失節(jié)點是否為葉節(jié)點，如果是，則由缺失節(jié)點對應(yīng)的物理內(nèi)存中數(shù)據(jù)塊計算出散列值，用計算出的散列值代替當(dāng)前缺失節(jié)點值，然后進入步驟(B422)；如果不是，直接轉(zhuǎn)入步驟(B422)；(B422)計算當(dāng)前缺失節(jié)點的子節(jié)點的地址；(B423)在散列緩存中查找是否有當(dāng)前缺失節(jié)點的子節(jié)點的值，若所有子節(jié)點都不缺失，則由子節(jié)點的值計算出散列值，并用該散列值代替缺失節(jié)點的值，然后進入步驟(B5)；若有子節(jié)點缺失，則稱缺失的子節(jié)點為當(dāng)前缺失節(jié)點，然后轉(zhuǎn)入步驟(B42)；(B5)判斷是否所有的兄弟節(jié)點都被查找到了，如果是，則進入步驟(B6)，否則跳到步驟(B41)；(B6)讀出步驟(B4)中當(dāng)前缺失節(jié)點的兄弟節(jié)點的散列值并計算父節(jié)點的散列值；(B7)在散列緩存中查找是否有父節(jié)點的值；如果父節(jié)點的值缺失，則稱該父節(jié)點為當(dāng)前缺失節(jié)點，轉(zhuǎn)入步驟(B8)；否則，讀出父節(jié)點的值，并跳到(B9)；(B8)判斷步驟(B6)中的當(dāng)前缺失節(jié)點是否為根節(jié)點；如果不是，用步驟(B6)中計算出的散列值代替當(dāng)前缺失節(jié)點值，然后轉(zhuǎn)入步驟(B4)；如果是，則從可信存儲區(qū)中讀出根節(jié)點的值，用之代替父節(jié)點的值，然后進入步驟(B9)；(B9)比較讀出的父節(jié)點值和步驟(B6)中計算出的父節(jié)點值；若兩值相等，說明數(shù)據(jù)塊是完整的，則將驗證標(biāo)志位置為1；否則，將驗證標(biāo)志位置為0，表示數(shù)據(jù)塊不是完整的；(B10)讀操作驗證過程結(jié)束；寫操作過程的數(shù)據(jù)完整性驗證過程為(C1)計算待改寫數(shù)據(jù)塊對應(yīng)的散列節(jié)點的地址，該散列節(jié)點稱之為當(dāng)前缺失節(jié)點；(C2)在散列緩存中查找是否有當(dāng)前缺失節(jié)點的值；如果有，則轉(zhuǎn)入步驟(C3)；如果沒有，則計算待改寫的數(shù)據(jù)塊的散列值，并用該散列值代替當(dāng)前節(jié)點值，然后進入步驟(C3)；(C3)查找該當(dāng)前缺失節(jié)點兄弟節(jié)點；如果兄弟節(jié)點缺失，則稱缺失的兄弟節(jié)點為當(dāng)前缺失節(jié)點，進入步驟(C4)；如果不缺失，則進入步驟(C5)；(C4)處理步驟如下(C41)判斷當(dāng)前缺失節(jié)點是否為葉節(jié)點，如果不是，轉(zhuǎn)入步驟(C42)；如果是，則由缺失節(jié)點對應(yīng)的物理內(nèi)存中數(shù)據(jù)塊計算出散列值，并用計算出的散列值代替當(dāng)前缺失節(jié)點值，然后進入步驟(C5)；(C42)計算當(dāng)前缺失節(jié)點的子節(jié)點的地址；(C43)在散列緩存中查找是否有當(dāng)前缺失節(jié)點的子節(jié)點的值，若所有子節(jié)點都不缺失，則由子節(jié)點的值計算出散列值，并用該散列值代替缺失節(jié)點的值，然后進入步驟(C5)；若有子節(jié)點缺失，則稱缺失的子節(jié)點為當(dāng)前缺失節(jié)點，然后轉(zhuǎn)入步驟(C4)；(C5)判斷是否步驟(C3)所有的兄弟節(jié)點都被查找到了，如果是，則進入步驟(C6)，否則跳到步驟(C3)；(C6)讀步驟(C3)中第一個當(dāng)前缺失節(jié)點及其兄弟節(jié)點的散列值并計算它們的父節(jié)點的散列值；(C7)在散列緩存中查找是否有父節(jié)點的值；如果父節(jié)點的值缺失，則稱該節(jié)點為當(dāng)前缺失節(jié)點，轉(zhuǎn)入步驟(C8)；否則，讀出父節(jié)點的值，并跳到(C9)；(C8)判斷步驟(C7)中的當(dāng)前缺失節(jié)點是否為根節(jié)點；如果不是，用步驟(C6)中計算出的散列值代替當(dāng)前缺失節(jié)點的值，然后轉(zhuǎn)入步驟(C3)；如果是，則從可信存儲區(qū)中讀出根節(jié)點的值，用之代替父節(jié)點的值，然后進入步驟(C9)；(C9)比較讀出的父節(jié)點值和步驟(C6)中計算出的父節(jié)點值；若兩值相等，說明數(shù)據(jù)塊是完整的，則將驗證標(biāo)志位置為1，然后轉(zhuǎn)入步驟(C10)；否則，將驗證標(biāo)志位置為0，表示數(shù)據(jù)塊不是完整的，跳到(C11)；(C10)更新當(dāng)前節(jié)點和它的父節(jié)點值；(C11)寫操作驗證過程結(jié)束。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(A2)中，建立多粒度散列樹的過程 為首先以2為粒度，計算葉節(jié)點的散列值，然后同樣以2為粒度，計算基本層節(jié)點的散列 值，從基本層開始，以下一層節(jié)點的粒度，乘2得出上一層節(jié)點的粒度，并以計算出的粒度， 計算上一層節(jié)點的散列值，重復(fù)這一操作，直至計算出根節(jié)點的值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(B2)中，查找過程為設(shè)二個相鄰數(shù) 據(jù)塊中的一個數(shù)據(jù)塊的編號為s，該數(shù)據(jù)塊為Ys，其地址為adds，則相應(yīng)葉節(jié)點的地址Addk 由adds右移log2Ni位得到，Ni是層i的粒度，移位后，最左端的空位由0來補足，k為葉節(jié) 點的編號，根據(jù)葉節(jié)點的地址Addk，查找散列緩存相應(yīng)葉節(jié)點的值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種適用于嵌入式處理器的數(shù)據(jù)完整性驗證方法，它包括多粒度散列計算方法，地址轉(zhuǎn)換方法以及散列節(jié)點訪問控制方法。多粒度散列計算方法用于產(chǎn)生多粒度Merkle樹，該樹緩存在散列cache中，同時在樹的節(jié)點缺失時，此算法負(fù)責(zé)計算內(nèi)存中數(shù)據(jù)塊的散列值。地址轉(zhuǎn)換方法為每個節(jié)點提供了一個唯一對應(yīng)的地址。散列節(jié)點訪問控制方法主要負(fù)責(zé)訪問各個散列樹的節(jié)點，特別是在讀缺失和寫操作時采取不同的對策。由于采用多粒度散列算法，本發(fā)明產(chǎn)生的散列樹節(jié)點少，層數(shù)少，因而減少了存儲空間，硬件面積開銷和初始化時間，提高了性能。
文檔編號G06F11/00GK101853190SQ20101019155
公開日2010年10月6日 申請日期2010年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月4日
發(fā)明者劉政林, 郭超, 陳天山, 霍文捷 申請人:華中科技大學(xué)