【经验】Silicon Labs蓝牙芯片AES加密算法在网络安全上的应用实践
在目前物联网网络安全需求日益旺盛的情况下，工业设备也从封闭走向了开放，从历年统计的全球工控安全事件来看，近几年来平均下来已经是2010年伊朗震网事件爆发时的8倍多。万物互联带了数据经济的迅猛发展，但也给不法分子提供了可乘之机，尤其是近几年发展迅速的无线技术为甚。本文通过实际应用仔细讨论芯科科技（SILICON LABS）在数据加密应用的安全方法，并以EFR32BG22C224F512IM40这款蓝牙芯片上应用加密算法库mbed TLS来讨论AES算法在网络安全上的实践方法。
目前笔者主要将蓝牙技术应用到工业控制现场，包括电网配电系统，大型发电机组以及化工生产装置等应用。这些设备关系国家安全和经济民生，因此为避免黑客对数据的破解，本文中的设备采用AES加密算法增强网络安全，下面就加密算法在蓝牙芯片EFR32BG22C224F512IM40上的应用方法结合原理进行介绍。
芯科科技的Simplicity Studio开发环境支持使用AES加解密算法库mbed TLS，这是一个可以在嵌入式设备上集成的算法库，在芯科的SDK中可以查找和配置，下面先就AES的原理进行介绍。
AES算法是一种对称加密算法，即数据可以用同样的秘钥（Key）来加密和解密，但是不同于移位逻辑运算这样简单的加解密算法，其设计基础建立在一堆复杂的数学理论基础上，增加了逆向破解的难度。算法设计的目的是在一定应用场景下让破解的代价远大于破解的收益。要完整理解这个算法比较困难，这里笔者做简单说明：AES算法的一个基础概念叫做有限域，通过数学集合的方式将集合内的数据进行约定的映射计算，计算后的结果仍然是在这个集合范围内，这样有限元素个数的集合就叫做有限域，简单理解就是一堆元素构成了封闭的小圈子。
图1、笔者个人对有限域的理解
如图所示图中的小圆点代表有限域中的所有元素，方框代表在有限域内约定的计算规则，这部分数学工具的缔造是整个算法的精髓，更具体的内容不做展开。简言之，通过这套完备的数学理论设计后达到所有的计算结果都可以通过有限域内的元素进行表示，这是AES这种对称公钥加密算法成立的一个重要前提条件。
图2、AES算法的S盒设计
在有这个概念后，就可以构建一个密码本，概念叫做S盒，在AES算法中的作用体现在加密和解密的全过程当中：通过S盒计算将数据加密另一个数据，其采用的数学理论就是有限域的计算规则，这也是AES算法的一个非常重要的特征。具体而言，如上图所示，在内部计算时使用了逆元计算（类似矩阵求逆）和仿射映射（矩阵计算），通过这个计算就设计出S盒，通过S盒算法产品设计工程师就可以完成字符的替换，以此来实现加密，这个S盒的设计方法也算是AES算法特点中的特点，可以说使用这个方法就可以称为AES加密算法了。上图展示了加密的过程，解密的过程将整个过程颠倒过来即可。
而在mbed TLS算法库中，这个S盒是已经设计好了的，可以在aes.C这个文件中找到，是以数组的方式申请在内存空间进行存储的，加密和解密分别对应一个表格，设计工程师在调用时进行查表操作，展示如下。
图3、AES S盒参数在Simplicity Studio中的位置
可以看到这个参数表是可以找到的，虽然可以通过公钥进行加密，但仍然提供了破解依据，如果要增加加密强度，在理论理解深刻的情况下可以进行S盒的改造，本文不做展开。
算法的实现步骤涉及加密次数，行列变换方法，但是其核心还是有限域内计算的应用，只是有更多的应用需求和花活。下图就是AES算法的较完整的加密过程。
图4、AES算法的完整加密过程示意图
对加密过程阐述如下，首先明文和密钥进行一次轮加密操作后开始进行S盒计算，之后再进行行列变换，完成一轮加密过程，然后进入下轮加密，密钥参与每一轮加密。然后根据应用需要（特指密钥长度：128位、192位和256位）完成不同轮数的加密循环（分别对应10轮、12轮和14轮），最终得到密文。加密思路就是这样，细节上有所出入，解密的过程反方向进行即可，因为这是对称加密方法。
下面就通过具体的开发环境操作来设置mbedTLS AES加密算法在Simplicity Studio平台上的应用，并对调试中遇到的问题进行工程上的分析和总结。首先，通过工程的Property选项进行mbed TLS库的引入，设置位置如下： 
图5、mbed TLS库配置
上述位置就是在Simplicity IDE中进行mbed TLS库的设置方法，通过设置便可以有效进行数据加密。但是在对EFR32MG12P332F1024GL125进行编译的时候会出现报错的情况，这种情况是由于芯科在第三方支持时不足所造成的，笔者用工具搜索了SDK（使用版本V2.7），下图便是笔者根据编译错误进行查找到的地址定义文件。
图6、根据编译错误搜索mbed TLS算法库的支持芯片（部分列举）
仔细检查核对后发现一些型号的芯片是不支持的，其中就有芯科这款EFR32MG12P332F1024GL125，而笔者使用的EFR32BG22C224F512IM40型号是支持的，对此问题笔者也在芯科的官网上进行了搜索，发现芯科专家的解决办法也仅仅适用于他自己的开发环境，不少人也发现无法解决算法库的引入，对于很多人来说这是一个不好跳过的技术坑，非常浪费开发时间，笔者个人也在这个问题上纠结了很多天才弄明白这个问题，在这里给出个人对这个第三方库的理解：
芯科在第三方库的支持方面还不足，仅有部分芯片在SDK中进行了适配，在比较依赖芯科Simplicity Studio这个开发环境的前提下还是建议使用其支持的芯片，这也是技术支持工程师会在开发前期进行芯片推荐的原因，显然EFR32BG22C224F512IM40在功能上支持更加完善。当然在对算法库熟悉的基础上也可以在mbed TLS的官网上下载文件进行编译使用。
对于工控网络来说，通过无线设备截取数据的方式便可以拦截报文，但是通过AES加密可以让数据更加安全。本文主要通过工程师应用的角度上对AES算法进行了分析，便于在调试时对代码进行跟中，并对AES的实现算法库mbed TLS在芯科EFR32BG22C224F512IM40上的应用中遇到的问题进行处理分析。
网络安全是一个攻守双方此消彼长的行业生态环境，技术在不断进步，AES加密算法应用面非常广，个人认为针对该算法的改进会根据物联网的发展不断进行下去，是值得物联网和网络安全行业非常值得关注的一个点。
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Flash(kB)
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RAM(kB)
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Operating Temperature(℃)
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Storage Temperature(℃)
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Pin Count
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AVDD Supply Voltage(V)
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