CN101123502A - 基于数字签名的计量值认证方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的基于数字签名的计量值认证方法，利用具有身份识别能力的密码算法对电表、水表、气表、热能表等计量仪表的计量值作数字签名，由以密码算法为核心的编码器和译码器构成计量值电子认证系统。编码器与计量仪表连接，读取计量值，利用加密算法将计量值和用户标识信息实时转换成代码——数字签名。译码器则利用解密算法将代码还原为对应的计量值和用户标识信息——验证数字签名。计量值电子认证的基本操作过程分为录证和认证两步。录证是由服务商记录编码器生成的代码，认证是由服务商利用译码器将录证得到的代码转换成对应的计量值和用户标识信息。本发明能够消除现有人工抄表存在的数据真实性难以核实的缺陷，具有制约性强、操作简单的特点。
Description
技术领域
本发明涉及基于数字签名的计量值认证方法，适用于电表、水表、气表、热能表等计量仪表的计量值认证，属于数据防伪和信息安全技术领域。
背景技术
我国城镇水、电、气三表收费，实行人工抄表记录用量，已经有数十年的历史。采用这种记录方式，不仅抄表员队伍庞大、工作辛苦，容易产生多种人为差错，而且由于记录数据的真实性难以核实，因此无法避免数据造假。近年来，抄表员入户(达到表位)难等问题也变得越来越严重。这些情况造成了许多城镇的水、电、气收费率非正常偏低。
为克服人工抄表存在的缺点，近十年来出现了多种智能表及其相应的管理技术，如IC卡、代码表等新型收费控制方法。然而，从实际发展情况来看，现有的智能表技术并不能完全取代人工抄表。因为与人工抄表相比，智能表虽然具有一些明显的优越性，如不需要到现场抄表、采记效率高、有一定的真实性鉴别能力、能够自动控制阀门启闭等，但同时又带有许多技术缺陷和管理方面的困难：面对使用环境的复杂性，智能表的可靠性不能充分满足实际要求，对人为的物理破坏，往往很难查处，致使破坏所造成的损失无法得到弥补；智能表的可维护性远不如普通表，由于不上门抄表，智能表发生了故障，不能被及时发现，随着智能表安装数量的增加，隐患也大大增多；智能表成本高，比较适合于企业用户，但对于居民用户，过高的成本是智能表大面积推广应用的一个严重障碍。由于这些原因，目前智能表的实际使用范围还是很小的。在省会级城市中，占有率都低于10％。
计量值无线远传也是一种正在发展的新技术。从发展趋势来看，将更完善的智能技术与网络技术结合，实现计量与收费控制的智能化、网络化，是未来的发展方向。但是，网络化将经历一个很长的过程，不可能在短时间内取代人工抄表。在今后一个相当长的时期内，人工抄表仍将是我国城镇水、电、气三表收费的主要方式，正在发展的热能表也是如此。因此，如何有效地提高人工抄表的收费率，是一个现实而紧迫的任务，需要解决的关键问题，是使记录数据的真实性可以核实，从而杜绝数据造假。
发明内容
本发明的目的，是提供一种基于数字签名的计量值认证方法，利用这种方法解决在人工抄表体制下数据真实性难以核实的问题。
本发明提供的基于数字签名的计量值认证方法，其特征是采用具有身份识别能力的无密钥密码算法建立计量值数字签名机制，由安装有加密算法程序的编码器和安装有解密算法程序的译码器构成计量值电子认证系统；编码器与计量仪表连接，读取计量仪表的计量值，利用加密算法程序将由计量仪表的计量值和用户标识信息组成的原始数据转换成代码，对计量值作数字签名；译码器利用解密算法程序将代码转换成对应的原始数据，并通过检验代码所含的特征信息鉴别数据的真伪，对电子签名进行验证。
上述的编码器随同计量仪表配备给各个用户，译码器则由管理部门或服务商掌握。
本发明采用具有身份识别能力的无密钥密码算法对电表、水表、气表、热能表等计量仪表的计量值作数字签名，通过数字签名机制实现计量值认证。计量值认证过程包括对计量值的数字签名和对数字签名的鉴别。计量值认证过程在一个认证系统中实现，该认证系统是由配置在各个用户端的编码器和由管理部门或服务商掌握的译码器构成的计量值电子认证系统。在计量值电子认证系统中，编码器是安装有数据加密算法程序的微处理器，例如单片机，其功能是对计量值作数字签名。编码器与用户的计量仪表连接，读取计量仪表的计量值，并且与计量仪表配套安装，构成计量仪表的一个部件。译码器是安装有数据解密算法程序的计算机或计算器，其功能是检验数字签名。
本发明的进一步特征是，计量值电子认证系统利用无密钥密码算法提供多个独立的加密/解密程序模块，将加密程序模块分别装入各个编码器，而将解密程序模块全部集成在同一个程序体中，装入一个译码器。
本发明中，每一个编码器的加密算法程序在对原始数据进行加密运算时，均通过编码运算将一组特征信息赋予所生成的代码，并且只有译码器中与该加密算法程序对应的解密函数能够识别这一特征信息。
本发明中，编码器可以是安装有数据加密算法程序并带有数字显示单元的微处理器，译码器可以是安装有数据解密算法程序的计算机或计算器。
本发明中，所说的计量仪表是指带有标准数据接口的电表、水表、气表以及热表等计量仪表，编码器与计量仪表连接或配套安装，构成计量仪表的一个部件。
本发明中，所说的用户标识信息，是关于计量仪表所属用户的名称、地址、仪表编号、计量时间的一组用户特征数据；编码器利用加密算法程序将由计量仪表的计量值和用户标识信息组成的原始数据转换成代码，从而完成数字签名；数字签名所生成的代码由编码器的数字显示单元显示。
本发明中，利用计量值电子认证系统实现计量值认证的基本操作过程分为录证和认证两步；录证即记录代码一将编码器生成的代码复制在记录介质上，或者将代码和计量值都复制在记录介质上；认证即检验计量值的真实性和有效性一利用译码器将记录介质上的代码转换成原始信息，并由译码器给出判断结果。
编码器对计量值作数字签名是，利用数据加密算法程序将计量仪表的计量值连同用户名称、地址、仪表编号、计量时间(年、月、日)等用户标识信息实时转换成一组代码。计量仪表的计量值和用户标识信息称为原始数据。代码是一组由阿拉伯数字以及拉丁字母或其它字符组成的随机字符串。译码器检验电子签名是，利用数据解密算法程序将代码转换成对应的原始数据，并在转换过程中利用密码算法的身份识别特性以及代码的唯一性和不可伪造性鉴别数据的真伪。
本发明对密码算法有4个要求：
(1)无密钥，即不使用密钥机制。
(2)能够提供数量足够大的独立加密/解密程序模块，其中解密程序模块可以集成在同一个程序体中。
(3)具有身份识别能力，每一个加密程序模块的加密变换函数在对原始信息进行加密运算时，均通过编码运算将一组特征信息赋予所生成的代码，并且只有与之对应的解密函数能够识别这一特征信息。
(4)代码具有唯一性和不可伪造性，而且这种唯一性和不可伪造性是由算法的固有特性提供的。
本发明中，所说的具有身份识别能力的无密钥密码算法是指数字基因算法，该算法是符合上述要求的一种算法系统。利用数字基因算法实现数字签名的基本原理来自于这种算法所具有的两个特性：
(1)加密/解密变换的身份识别特性。数字基因算法系统由多个独立的加密模块和解密模块组成，这些模块是各不相同的，即每个加密模块含有一个特殊的数字基因加密变换函数，而每一个解密模块含有一个特殊的数字基因解密变换函数；由每一个数字基因加密变换函数生成的代码都隐含有由该数字基因加密变换函数赋予的特征信息，因此，这种代码可以被称为数字基因代码；对于任意一个数字基因代码，只有与生成该代码的数字基因加密变换函数对应的数字基因解密变换函数能够识别它的特征信息；对于一个数字基因算法系统，其代码集合中的全部代码只在本系统内有效，其代码集合以外的其它代码对本系统是无效的；对于任意一个代码，除非它是某一数字基因算法系统的有效代码，否则不能在此系统中正确地实现该代码与原始数据的相互转换。
(2)代码的唯一性和不可伪造性。数字基因代码所隐含的特征信息，与组成代码的每一个字符都有关系，因此改变代码的任何一个字符都会造成特征信息的破坏，从而使代码失效。由于这种性质，数字基因解密变换函数在进行解密运算时，能够准确地判定输入的代码是否来自对应的数字基因加密变换函数。这样就使本系统的每一个代码都具有唯一性和不可伪造性。例如，设C＝E(M)和M＝D(C)是一对特定的数字基因加密变换函数和数字基因解密变换函数，任意给定一组原始数据M＝01234567 02345678 20101207 0100，先用C＝E(M)将其转换成代码C＝3209 4491 7826 5392 7193，然后将C输入M＝D(C)，便会得到正确的原始数据M＝01234567 02345678 20101207 0100；如果对代码C作任何的改变，例如将C的第一个字符3改变为4，得到代码C*＝4209 4491 7826 53927193，然后将C*输入M＝D(C)，则M＝D(C)会给出一个出错信息提示。
数字基因算法还有一个重要特点，就是这种算法提供的独立加密/解密模块的数量非常大，例如可以远远超过1010，因此能够充分满足实际可能的需求量。数字基因加密算法程序和数字基因解密算法程序都含有编码矩阵(见图1)，编码矩阵的元素可以有多种排列顺序，每一种排列顺序确定一对独立的加密/解密程序模块。数字基因加密算法程序中设有一个多位开关函数(见图1)，其功能是调整编码矩阵的元素排列顺序，设定编码矩阵的初始状态。编码矩阵的初始状态设定好之后，将多位开关函数屏蔽(切断或去除)，则编码矩阵的初始状态就被固定下来，不能再行改变。数字基因解密算法程序中设有一个多位选择函数(见图2)，其功能也是调整编码矩阵的元素排列顺序，改变编码矩阵的状态，以使解密算法程序能够与任何一个加密算法程序相对应。
由于具备上述特性，利用数字基因加密算法可以制成大量各不相同的编码器以及对应的译码器，其中译码器可以全部集成在一个程序体中。
利用本发明提供的计量值电子认证系统实现计量值认证的基本操作过程分为两步，第一步称为录证，第二步称为认证。录证是指记录代码，就是将编码器输出的代码复制(抄写)在记录介质上，也可以将代码和计量值都复制在记录介质上。录证既可以由服务商实施，也可以由用户实施。认证是指检验计量值的真实性和有效性，即利用译码器将记录介质上的代码(受检代码)转换成原始信息，并由译码器给出判断结果。如果受检代码是来自于正常的编码器和正确的录证，译码器便会将代码还原为对应的原始信息，同时也就确认了计量值的真实性和有效性。如果受检代码不是来自于正常的编码器和正确的录证，例如复制时产生了差错，使复制的代码与实际代码不一致，或者代码是伪造的，则译码器会给出相应的错误提示信息。认证由服务商实施。
本发明实现计量值认证的基本原理是：在一个计量值电子认证系统中，每一个编码器都是独一无二的，所生成的代码具有唯一性和不可伪造性，因此代码可以作为原始数据的数字签名；另一方面，只有与该编码器对应的译码器能够将该编码器生成的代码转换成对应的原始数据，并通过对代码特征信息的识别判定数据的来源和真伪，因此可以检验数字签名；录证时，采记的数据是由编码器生成的代码，认证时，必须使用译码器查验代码，代码的唯一性和不可伪造性以及完全基于密码算法的身份识别机制使录证时可能产生的差错和人为造假能够在认证时被发现，而对编码器的隐性和显性破坏都会导致代码失效，因此也很容易被发现。
本发明的有益效果在于：
本发明利用具有身份识别能力的无密钥密码算法实现计量值的电子签名，由此将基于电子签名的数据认证机制引入计量仪表计量值的记录一核实过程，认证的可靠性由密码算法的算法特性来保证，使计量值的记录一核实建立在信息安全技术的基础之上。将本发明用于改造现有的人工抄表体制，为人工抄表建立计量值电子认证系统，能够从根本上解决以往人工抄表计量数据难以核实的问题，为提高收费率创造有利条件，同时，也可以降低抄表工作的难度，提高工作质量。与传统的人工抄表方式及现有的智能表相比，本发明提供的计量值电子认证系统及其认证方法，还具有以下五个特点：(1)由于录证和认证是基于电子签名机制完成的，因此使计量值的采记和认证方式发生了根本性的变化。录证时，记录的数据不是计量值，而是由编码器产生的代码，认证时，则必须使用译码器来核实数据。(2)录证和认证的操作方法简单、明确，容易发现和纠正数据差错。(3)编码器和译码器的使用，使服务商和用户的行为都受到强有力的制约，这样不仅可以大大降低计量值认证的难度，也有利于用户与服务商相互之间建立信任。(4)为电表、水表、气表以及热表等计量仪表配装编码器，在技术上容易实现，同时由于编码器的主要功能是将计量值转换成代码，代码可以直接显示在输出窗口上，一般不需要为仪表设置复杂的手动操作界面。另一方面，译码器只是安装在计算机上的一个独立功能模块或者是一台专用机算器。因此，系统的基本建设成本较低，而且系统的各个终端也容易维护。(5)编码器体积小、结构简单，容易与计量仪表一体化设计或配装在计量仪表上，因此环境适应性强。(6)以往发生的破坏行为，多是使计量仪表失灵且不易被发现，从而达到逃避缴费的目的。使用本发明提供的认证机制，这类破坏很容易被发现。对于人为的物理破坏，也比较容易查处。
此外，作为一种电子签名技术，本发明提供的计量值认证方法也适用于网络系统，只要以适当形式编码器和译码器作为计量值认证系统的网络终端即可。
附图说明
图1是安装在编码器的加密算法程序的流程图；
图2是安装在译码器的解密算法程序的流程图。
具体实施方式
以下结合附图，进一步说明本发明。
1.编码器和译码器的制作
1.1利用“数字基因代码软件”(该软件已于2007年8月2日在国家版权局登记，国软著登字第077526号)制作加密算法程序模块和解密算法程序模块。制作加密算法程序模块的方法是，使加密算法程序的多位开关函数(见图1)分别取一系列不同的值(正整数)，每一个值都会确定唯一的一个加密算法程序模块。解密算法程序模块直接使用数字基因解密算法程序，使解密算法程序的多位选择函数(见图2)取不同的值(正整数)，就可以按同值对应关系分别与各个加密算法程序模块对应。加密算法程序模块的数量，应根据计量值电子认证系统的规模来确定。例如，对于拥有一百万只水表的系统，需要配备一百万只编码器，每个编码器内装一个加密算法程序模块，因此加密算法程序模块的总数为一百万。将多位开关函数的值分别设定为1，2，3，...，999999，1000000，并在各个取值状态下由加密算法程序复制一个程序副本，便可生成一百万个加密算法程序模块。解密算法程序模块的数量，根据实际需要确定，可以是一个，也可以是多个。
1.2根据系统的类型和管理要求，分别为编码器和译码器编制用户信息管理程序。用户信息管理程序的基本功能，一是定义用户标识信息的特征，包括标识信息的内容和形式以及数据长度等，二是对用户标识信息及计量值信息进行动态管理。用户标识信息的定义应保证无重复性，即每个用户标识信息都是唯一的。用户标识信息的字符总数一般取8～30。例如，将某城市民用水表的用户标识信息定义为“用户名称编号，阿拉伯数字，8位；仪表编号，阿拉伯数字，8位；计量时间(年、月、日)，阿拉伯数字，8位”，计量值信息定义为“计量值，阿拉伯数字，6位”，同时规定两组信息合并排列，在此定义下和规定下，原始信息“01234567 02345678 20101207 0100”表示用户名称编号为01234567、仪表编号为02345678的用户在2010年12月7日的累积用水量为100立方米。
1.3将加密算法程序与用户信息管理程序组合，构成编码器软件。编码器的硬件采用微处理器系统，其具体型号和规格应根据实际使用要求来确定。例如选用PIC系列单片机，将编码器软件写入单片机，制成编码器。单片机须带有显示器，用来显示计量值及其它数据。
1.4解密算法程序和用户信息管理程序是译码器软件的主要内容，对于实际系统，还可以根据需要编制其它管理程序。译码器的硬件系统一般选择普通微型计算机，也可以使用移动设备，如掌上电脑或计算器。将译码器软件写入计算机，制成译码器。
2、编码器与计量仪表的连接安装
使用本发明，要求计量仪表能够通过标准数据接口将计量值以脉冲信号形式输出。只要计量仪表满足这一要求，例如具备智能表数据接口，就可以配接编码器。编码器可以设置在计量仪表的外部，也可以经过一体化设计安装在计量仪表的内部。编码器与计量仪表的具体连接和安装方式，可根据实际需要灵活确定。
配接编码器的计量仪表进入运行状态后，编码器实时读取计量值并将计量值连同用户标识信息转换成代码。也可以把编码器设计成只在抄表时才将原始数据转换成代码。
3、计量值电子认证系统的构建和运行
译码器和配装在若干计量仪表上的编码器构成计量值电子认证系统。在实际应用中，译码器一般仅由管理部门或服务商掌握，编码器则处于计量对象所在的场所，即用户区域。
计量值电子认证系统以录证和认证的方式运行，一次录证和认证构成一个最简运行周期。以人工抄表方式的居民用水计量值认证为例，一个最简运行周期的基本操作过程如下：
(1)录证：在用户现场，由管理部门或服务商派出的抄表员将编码器显示的代码抄写在记录单上，或利用手持记录设备，例如读卡器记录代码。录证也可以由用户完成。例如，设某用户水表上编码器显示的代码为3209 4491 78265392 7193，由抄表员或用户将此代码抄写在记录单上，便完成了一次录证。
(2)认证：在管理部门或服务商的办公场所，由管理部门或服务商将代码输入译码器，由译码器自动给出认证结果。例如，设一居民用水计量值电子认证系统经过一次录证，得到某用户的代码为3209 4491 7826 5392 7193，认证时，将此代码输入译码器，如果译码器输出信息“01234567 0234 5678 201012070100”，这一认证结果表示：用户名称编号为01234567、仪表编号为02345678的用户在2010年12月7日的累积用水量为100立方米，认证通过；如果译码器输出信息“代码无效”，这一认证结果表示认证未获通过。
除基本操作以外的其它操作方式，例如在用户现场进行认证，可以根据实际需要进行设计。
Claims (7)
1.基于数字签名的计量值认证方法，其特征是采用具有身份识别能力的无密钥密码算法建立计量值数字签名机制，由安装有加密算法程序的编码器和安装有解密算法程序的译码器构成计量值电子认证系统；编码器与计量仪表连接，读取计量仪表的计量值，利用加密算法程序将由计量仪表的计量值和用户标识信息组成的原始数据转换成代码，对计量值作数字签名；译码器利用解密算法程序将代码转换成对应的原始数据，并通过检验代码所含的特征信息鉴别数据的真伪，对电子签名进行验证。
2.根据权利要求1所述的基于数字签名的计量值认证方法，其特征是计量值电子认证系统利用无密钥密码算法提供多个独立的加密/解密程序模块，将加密程序模块分别装入各个编码器，而将解密程序模块全部集成在同一个程序体中，装入一个译码器。
3.根据权利要求1所述的基于数字签名的计量值认证方法，其特征是每一个编码器的加密算法程序在对原始数据进行加密运算时，均通过编码运算将一组特征信息赋予所生成的代码，并且只有译码器中与该加密算法程序对应的解密函数能够识别这一特征信息。
4.根据权利要求1所述的基于数字签名的计量值认证方法，其特征是编码器为安装有数据加密算法程序并带有数字显示单元的微处理器，译码器是安装有数据解密算法程序的计算机或计算器。
5.根据权利要求1所述的基于数字签名的计量值认证方法，其特征是所说的计量仪表是指带有标准数据接口的电表、水表、气表以及热表等计量仪表，编码器与计量仪表连接或配套安装，构成计量仪表的一个部件。
6.根据权利要求1所述的基于数字签名的计量值认证方法，其特征是所说的用户标识信息，是指关于计量仪表所属用户的名称、地址、仪表编号、计量时间的一组用户特征数据；数字签名所生成的代码由编码器的数字显示单元显示。
7.根据权利要求1所述的基于数字签名的计量值认证方法，其特征是利用计量值电子认证系统实现计量值认证的基本操作过程分为录证和认证两步；录证即记录代码-将编码器生成的代码复制在记录介质上，或者将代码和计量值都复制在记录介质上；认证即检验计量值的真实性和有效性-利用译码器将记录介质上的代码转换成原始信息，并由译码器给出判断结果。
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