BASE64算法在消防泵自動(dòng)巡檢系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘 要：文章深入分析了BASE64算法的原理，并給出具體實(shí)現(xiàn)的算法程序，最后討論如何改進(jìn)BASE64算法，討論其在消防泵自動(dòng)巡檢系統(tǒng)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：BASE64；編碼；加密；消防泵

引言

目前，嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)消防給水設(shè)備的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。消防泵自動(dòng)巡檢系統(tǒng)在設(shè)定的時(shí)間周期內(nèi)自動(dòng)地啟動(dòng)消防泵，對(duì)消防泵的運(yùn)作進(jìn)行檢查，對(duì)發(fā)生問(wèn)題的消防泵進(jìn)行報(bào)警指示，能夠保證消防設(shè)備正常動(dòng)作[1]。在開發(fā)消防泵自動(dòng)巡檢系統(tǒng)的過(guò)程中，既涉及到數(shù)據(jù)的安全，又關(guān)系到控制器處理能力與系統(tǒng)運(yùn)行速度等多方面的問(wèn)題。基于安全考慮必須對(duì)系統(tǒng)參數(shù)和歷史巡檢記錄進(jìn)行加密，還能正確解密出來(lái)顯示供值班員查看歷史記錄。文章提出一種使用改進(jìn)的BASE64算法應(yīng)用到消防泵自動(dòng)巡檢系統(tǒng)中。既能保留BASE64算法的高效優(yōu)點(diǎn)，又能提高解密的難度[2]。

1 BASE64編碼與解碼原理

1.1 定義

按照RFC2045的定義，BASE64被定義為：BASE64內(nèi)容傳送編碼被設(shè)計(jì)用來(lái)把任意序列的8位字節(jié)描述為一種不易被人直接識(shí)別的形式。BASE64常用于在通常處理文本數(shù)碼的場(chǎng)合，表示、傳輸、存儲(chǔ)一些二進(jìn)制數(shù)據(jù)。

1.2 BASE64編碼原理

BASE64編碼原理[3]是：首先，把3個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)放入一個(gè)24位的緩沖區(qū)中；然后，從緩沖區(qū)最高位開始連續(xù)截取6位二進(jìn)制，再在這6位二進(jìn)制數(shù)的高位添加兩個(gè)0組成一個(gè)新字節(jié)；再接著連續(xù)截取6位二進(jìn)制，再添加兩個(gè)0組成第二個(gè)新字節(jié)；依此類推，直到24位二進(jìn)制全部被截取完畢，共截取出4個(gè)新字節(jié)；最后，把4個(gè)新字節(jié)作為索引從BASE64編碼表中查出編碼字符作為密文，如表1所示。對(duì)于明文不足3個(gè)字節(jié)的情況，以字節(jié)0補(bǔ)上，按BASE64編碼后使用字符“=”作為密文。

從BASE64編碼原理可知，把3個(gè)字節(jié)轉(zhuǎn)換成4個(gè)字節(jié)，編碼后數(shù)據(jù)容量至少增加33.3%。按消防泵自動(dòng)巡檢系統(tǒng)的運(yùn)行要求，計(jì)算保存歷史巡檢記錄的內(nèi)存卡的容量。現(xiàn)在設(shè)每天保存明文數(shù)據(jù)的容量為A，系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)行周期為T年，每年按366天計(jì)算，則內(nèi)存卡的容量B=A×1.33×T×366。當(dāng)A=1.8M字節(jié)，T=3年時(shí)，則容量B=2.5G字節(jié)。因此，消防泵自動(dòng)巡檢系統(tǒng)的SD內(nèi)存卡選用4G容量，預(yù)計(jì)可以同時(shí)保存4.8年的歷史巡檢記錄。

表1 BASE64編碼表

1.3 BASE64解碼原理

BASE64解碼原理是：首先，從密文中取出4個(gè)字節(jié)，從BASE64解碼表中查出其索引值；然后，把4個(gè)字節(jié)的索引值的低6位二進(jìn)制放入一個(gè)24位的緩沖區(qū)中；接著，從緩沖區(qū)的最高位開始連續(xù)截取8位二進(jìn)制，組成一個(gè)新字節(jié)；依些類推，直到24位二進(jìn)制全部被截取完畢，共截取出3個(gè)新字節(jié)。這3個(gè)新字節(jié)就是明文。

2 改進(jìn)的BASE64編碼與解碼原理

破解密碼的常用方法是逐一運(yùn)用不同加密算法的解碼程序。對(duì)于本系統(tǒng)使用BASE64編碼的密文，是很容易被破解的。為了能夠提高破解的難度，需要先分析一下BASE64編碼的工作原理和特點(diǎn)。BASE64編碼有三個(gè)明顯的特點(diǎn)：（1）按BASE64編碼表進(jìn)行置換字符；（2）明文不足3字節(jié)時(shí)，編碼后使用字符“=”作為密文；（3）編碼容量至少增加33.3%。

因?yàn)锽ASE64算法只應(yīng)用到消防泵自動(dòng)巡檢系統(tǒng)中，不會(huì)出現(xiàn)類似像“/”字符是控制字符，并不能通過(guò)計(jì)算機(jī)顯示出來(lái)，在某些場(chǎng)合就不能使用了”的問(wèn)題[4]。針對(duì)這三個(gè)特點(diǎn)，提出四個(gè)改進(jìn)的方案：

方案一：利用置換字符的原理，重新制作BASE64編碼表和解碼表，可以打亂標(biāo)準(zhǔn)編碼表中的字符，也可以更換成其它字符。破解者需要積累完整的64字節(jié)的BASE64編碼表，才能完全破解本算法。

方案二：在第二個(gè)特點(diǎn)中不使用字符“=”，改用其它字符，例如“$”。

方案三：在明文的前或后增加密鑰字符串，再進(jìn)行BASE64算法。并且準(zhǔn)備多套密鑰輪換使用，又會(huì)提高破解難度。

方案四：在BASE64編碼過(guò)程中，每3個(gè)明文字節(jié)產(chǎn)生4個(gè)新字節(jié)，再按順序把4個(gè)新字節(jié)排列起來(lái)。如果打亂這4個(gè)新字節(jié)的排列順序，又會(huì)得到新的密文。把4個(gè)新字節(jié)進(jìn)行全排列，共有P44=4×3×2×1=24種情況。

方案五：對(duì)明文進(jìn)行多次BASE64算法，但是考慮第三個(gè)特點(diǎn)，次數(shù)不宜太多。應(yīng)用兩次至少增加77.8%，應(yīng)用三次至少增加137%，建議不要超過(guò)兩次。

按照本系統(tǒng)的運(yùn)行需要，同時(shí)使用方案一、二、三、四。破解算法者需要先認(rèn)定本算法源自于BASE64算法，再考慮到這五種方案，才有可能破解本算法。可見(jiàn)，破解本算法的難度會(huì)被大大提高。

3 結(jié)束語(yǔ)

文章提出的改進(jìn)的BASE64算法應(yīng)用到消防泵自動(dòng)巡檢系統(tǒng)中，不單保留BASE64算法的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)提高破解算法的難度。實(shí)踐應(yīng)用表明，系統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)行幾個(gè)月，非常穩(wěn)定和可靠。改進(jìn)的BASE64算法簡(jiǎn)單易用，也可以應(yīng)用到其它嵌入式產(chǎn)品中。

參考文獻(xiàn)

[1]中華人民共和國(guó)公安部.GB50016-2006建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2006.

[2]韓宇貞，朱華生.基于BASE64編碼的數(shù)據(jù)加密技術(shù)[J].南昌水專學(xué)報(bào)，2002，21（4）：38-40.

[3]楊智，王鳳琴，王麗琴.在VB6.0中實(shí)現(xiàn)BASE64編碼/解碼[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2000（9）：28-30.

[4]唐武生，田立紅，曹偉.BASE64編碼的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用研究[J].長(zhǎng)春大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，16（2）：69-72.

作者簡(jiǎn)介：梁文禎（1984，3-），男，籍貫：廣東省江門市，學(xué)歷：學(xué)位：工程碩士，職位：教師，職稱：講師，研究方向：嵌入式系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用以及自動(dòng)化控制。