CN101242265A

CN101242265A - 安全系统中流密码、伪随机数产生方法

Info

Publication number: CN101242265A
Application number: CNA2008103004988A
Authority: CN
Inventors: 余有勇; 陈勇
Original assignee: Sichuan Hongwei Technology Co Ltd
Current assignee: Sichuan Hongwei Technology Co Ltd
Priority date: 2008-03-07
Filing date: 2008-03-07
Publication date: 2008-08-13

Abstract

本发明涉及安用于安全认证中的伪随机数产生方式，和安全传输中对高速数据流进行加密的流密码生成方式。本发明提供一种基于杂凑函数的增强型伪随机数、流密码产生方法。安全系统中流密码、伪随机数产生方法，在常规的流密码、伪随机数产生流程中将共享密钥Ki、线性反馈移位寄存器输出结果Si、随机数An、前一流密码序列的部分数据Mi、S盒子与线性变换模块输出结果Gi、输出组合模块输出结果Ci中任意一个或多个进行杂凑变换。本发明使生成的流密码、伪随机数具有的单向特性，提高了伪随机数、流密码的安全性。

Description

安全系统中流密码、伪随机数产生方法

技术领域

本发明涉及用于安全认证中的伪随机数产生方式，和安全传输中对高速数据流进行加密的流密码生成方式。

背景技术

在数字时代，信息安全一直是人们关注的焦点。在各种信息传送系统中，为了保证参与信息交换的实体是合法的、有效的，需要对参与实体的身份进行安全认证。例如在军事通信中需要对对方的身份进行认证，以防止军事情报信息的泄露；在电子商务等互联网环境中，需要对对方的身份进行鉴别，防止非法分子的恶意攻击和破坏；在智能卡等应用环境中，需要对接入设备的合法有效性进行认证。同时，对在合法设备之间的数据传输也必须进行加密保护，防止被第三方窃听、盗取。例如在数字电视领域，在合法的视频源设备与显示设备的接口间必须进行加密保护，防止影音内容被非法窃取、肆意盗版。

在安全系统中，在通信双方进行传输加密的数据之前，要对设备进行身份认证以保证通信双方的身份都是真实的、合法有效的。如果认证不能获得成功，则不进行数据传输或者不能对加密的数据进行正确的解密，以让受保护的数据信息不受非法侵害。但是对通信的双方，其颁发的数字证书或识别ID都是固定的，在认证过程中交换的数据也需遵循固定的格式和流程，这就为不法分子进行重复攻击留下了机会。如果，不法分子多次窃听通信双方在认证过程中传输的数据，就可以分析出通信双方的信息，或者窃取通信数据，伪装成合法设备，窃取秘密信息。目前，为了增加安全认证系统的安全性，通信双方都会在认证过程中加入伪随机数，以降低认证过程中的数据重现率，增加不法分子攻击的难度。但是随着计算机技术的进步，普通的伪随机数产生方法已经不能满足信息安全的要求，不法分子可以利用重放、假冒、统计等方法进行攻击，其随机性不足以抵抗攻击。一旦伪随机数的产生方式被破解，系统将面临被彻底破解的威胁。因此，需要一种安全性更好、更强大的伪随机数产生方式。

流密码的情况与伪随机数的情况相同。现在，为了实现对高速数据流进行实时加解密，传统的分组加密已经变得不合时宜，流密码开始被广泛应用。例如国外的HDCP(宽带数字内容保护)系统。HDCP用于保护HDMI和DVI接口传输的数字内容，其中使用的加密技术也是流密码技术。用于HDCP保护的普通流密码、伪随机数生成机制包含三个线性反馈移位寄存器、S盒子、两个线性变换模块和一个组合输出模块(详见图1)。其中，三个线性反馈移位寄存器LFSR每个时钟触发为S盒子和线性变换模块提供1比特的更新数据。两个轮函数变换，输出168比特的数据，密钥流输出函数选取其中的部分数据作为输出，经过线性变换，每次脉冲输出24比特的数据流。HDCP的流密码保护机制包含三个LFSR，输入密钥长度为56比特，对于目前高速的计算机搜索速度来说，这一长度的密钥并不足以抵抗密钥搜索攻击。

另外，HDCP系统已经被证实安全性不高，攻击者只需要大约40台装有HDCP系统的设备，就可以得到一些系统参数，进而在没有授权的情况下可以任意制造非法设备，而且这些非法设备不能被合法设备检验出来。而目前绝大多数的流密码、伪随机数产生系统都采用了与HDCP类似的架构，安全性不足几乎已经成为流密码、为随机数产生系统的一个致命弱点。

变换结果称为杂凑值。在密码学中，杂凑函数h的基本特性必须满足找到两个不同的输入杂凑成同一个杂凑值是计算上不可行的，同时对于一个给定的杂凑值y，找到一个输入x，是h(x)＝y成立也是计算上不可行的。杂凑函数通常应用在数字签名和数据完整性检查中，本发明利用杂凑变换的特性以消除数据相关性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于杂凑函数的增强型伪随机数、流密码产生方法。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，安全系统中流密码、伪随机数产生方法，包括以下步骤：

a、经过认证后产生共享密钥Ki；

b、将共享密钥Ki输入线性反馈移位寄存器，利用线性反馈移位寄存器对共享密钥Ki进行置乱，将置乱后的Ki选择输出得到线性反馈移位寄存器输出结果Si；

c、将线性反馈移位寄存器输出结果Si、随机数An和前一流密码序列的部分数据Mi，作为S盒子与线性变换模块的输入，经过S盒子变换与线性变换，得到S盒子与线性变换模块输出结果Gi；

d、将S盒子与线性变换模块输出结果Gi输入至输出组合模块，通过特定的组合逻辑进行位组合与变换，得到输出组合模块输出结果Ci；

e、将输出组合模块输出结果Ci作为生成的流密码序列或伪随机数序列；

其特征在于，对上述步骤中所述共享密钥Ki、线性反馈移位寄存器输出结果Si、随机数An、前一流密码序列的部分数据Mi、S盒子与线性变换模块输出结果Gi、输出组合模块输出结果Ci中任意一个或多个进行杂凑变换。

本发明的有益效果是，使生成的流密码、伪随机数具有的单向特性，提高了伪随机数、流密码的安全性。

附图说明

图1是现有的流密码、随机数产生结构；

图2是本发明流密码、伪随机数产生结构1；

图3是本发明流密码、伪随机数产生结构2；

图4是本发明流密码、伪随机数产生结构3；

图5是本发明流密码、伪随机数产生结构4；

图6是本发明流密码、伪随机数产生结构5；

图7是本发明流密码、伪随机数产生结构6。

具体实施方式

如图1所示，现有的流密码、随机数产生方法如下：

a、经过认证后产生共享密钥Ki；

本发明在流密码、伪随机数的产生过程或使用过程中使用杂凑函数，对流密码、伪随机数产生过程中的输入初始数据(共享密钥Ki)，或中间过程数据(线性反馈移位寄存器输出结果Si、S盒子与线性变换模块输出结果Gi)，或输出流密码序列、伪随机数(输出组合模块输出结果Ci)进行杂凑变换，以达到提高流密码、伪随机数产生方式安全性的目的。

可对共享密钥Ki、线性反馈移位寄存器输出结果Si、随机数An、前一流密码序列的部分数据Mi、S盒子与线性变换模块输出结果Gi、输出组合模块输出结果Ci中任意一个或多个进行杂凑变换：

安全系统完成认证，产生共享密钥Ki。将共享密钥Ki，或者再加上一个可选择参数Vi，输入线性反馈移位寄存器LFSR。利用LFSR对Ki、Vi进行置乱，然后将置乱后的Ki选择输出，得到线性反馈移位寄存器输出结果Si。在这一过程中可以先对Ki、Vi进行杂凑变换，如图2所示，再将变换结果Xi作为LFSR的输入。这样可以使线性反馈移位寄存器输出结果Si与共享密钥Ki的相关性大大降低，而且只要Ki、Vi发生很小的变化，输出结果Si将发生很大的变化，要从Si得到Ki在计算上是不可行的。当然，也可对Ki或Vi单独进行杂凑变换。

将线性反馈移位寄存器输出结果Si输入到S盒子与线性变换模块中。在这一过程中可以先对Si进行杂凑变换，如图3所示，再将变换结果Xi作为S盒子与线性变换模块的输入。经过进一步的变换得到一个与Si几乎不相关的S盒子与线性变换模块输出结果Gi。当然，如图4所示，也可将任意随机数An和前一流密码序列的部分数据Mi进行杂凑变换，得到变换结果Xi，将Xi作为S盒子与线性变换模块的输入，经过一系列的S盒子变换或线形变换，得到S盒子与线性变换模块输出结果Gi。S盒子变换可以是一个，也可以是多个，可以是多重S盒子变换，也可以是多个S盒子并行变换。线性变换可以是矩阵运算，也可以行列变换，甚至移位变换

将S盒子与线性变换模块输出结果Gi输入至输出组合模块，通过特定的组合逻辑进行位组合与变换，得到输出组合模块输出结果Ci。在此过程中，可将Gi先进行杂凑变换，并将变换结果Xi输入至输出组合模块，如图5所示；也可将组合模块输出结果Ci直接进行杂凑变换，将变换结果Xi作为生成的流密码序列或伪随机数序列，如图6所示。

如图7所示，组合模块输出结果Ci作为流密码序列或伪随机数序列输出，同时将Ci进行杂凑变换后，将变换结果Xi的结作为下一次流密码、伪随机数产生器的种子。

当然，还可对上述的任意基于杂凑变换的随机数、流密码产生方法组合使用，进一步降低前一个流密码序列与后一个流密码序列的相关性。

根据系统对流密码、伪随机数安全性的要求，使用者可以直接利用组合模块输出结果Ci作为流密码来进行加解密，或作为伪随机数以加强认证过程的安全性。对于特殊场合的流密码、伪随机数的应用，如需要对流密码、伪随机数产生器的初始密钥进行更新的场合。可以存储1个或几个流密码、伪随机数，然后利用杂凑函数对存储的流密码进行杂凑变换，将变换后的结果作为新的流密码序列的初始密钥，使整个流密码加密或扰乱机制更加有效。

在以上的流密码、伪随机数产生过程中，发送设备和接收设备必须成功完成认证，并产生相同的共享密钥。然后发送端和接收端就可以利用基于杂凑函数的流密码、伪随机数产生算法在两个设备中生成相同的流密码、伪随机数，为数据加解密或下一步认证建立基础。基于杂凑函数产生的流密码、伪随机数具有更好的随机性，使流密码序列中两个相邻数或两个相邻的流密码序列的相关性大大降低。同时，由于杂凑函数的单向特性，使得利用截取的流密码去破解流密码产生算法，变得不可行，这大大加强了流密码、伪随机数产生的安全性。在认证过程中或保密数字内容传输中，安全的流密码、伪随机数产生算法对可以大大增强系统的安全性。发送设备和接收设备利用流密码、伪随机数对传输的数据进行加密和解密，即使部分流密码、伪随机数被截获，也可以保证系统的安全。

具体操作实现时，改算法可以根据实际情况的不同，灵活应用。首先设计选定一种流密码、伪随机数产生算法，可以是已有的各种常规算法，也可以是自行设计的新算法。然后选择合适的杂凑算法。如上所述，杂凑算法与流密码、伪随机数产生算法的组合可以是很灵活的。为简便起见，本实施实例选用了常规的流密码、伪随机数产生算法和NIST所制定的SHA 256算法。

实施例

如图2所示流密码、伪随机码生成流程为例：

1、假设设备已经完成完全认证，并产生共享密钥K，

Ki＝0xba7816bf8f01cfea414140de5dae2223

Vi＝0xb00361a396177a9cb410ff61f20015ad；

2、把K进行杂凑变换，得到Xi，

Xi＝0xba7816bf8f01cfea414140de5dae2223b00361a396177a9cb410ff61f20015ad；

3、将Xi作为LFSR的输入，经过若干个时钟的运算后，得到输出Si，

Si＝0x3e6c6358d5128cc005daed5a5b2d606d8d2da7cc519ba6f62dd3729b4f8b42c2；

4、将LFSR的输出Si，作为S盒子与线性变换模块的输出，经变换后得到输出Gi，Gi＝0xf7df34725cc33d；

5、将Gi作为输出组合逻辑，得到如下流密码序列，每一个时钟，同步输出1个流密码，

C₁＝0x6e345142

C₂＝0xe15d4409

C₃＝0xdd720945

C₄＝0x45d5c078

C₅＝0x1bf6b82b

·

C₃₀₀＝0xc131ca61

C₃₀₁＝0xc5cfa396

·

流密码的理论周期为232个，故此流密码序列的长度可以在232周期内，由使用者随意选择；

6、按一定的规则截取流密码序列中的部分流密码，作为下一次流密码更新的初始向量128位的Mi，

Mi＝0xccff36493fe4c391c131ca61c5fa396；

7、利用前一步产生的Mi和外部生成的128位的随机数An，作为下一个流密码序列的初始向量和初始密钥，并根据密钥更新控制信号生成新的流密码序列、伪随机码序列；

8、重复第6步，第7步产生任意长度的流密码序列、伪随机码序列。

Claims

1. 安全系统中流密码、伪随机数产生方法，包括以下步骤：

a、经过认证后产生共享密钥Ki；

2. 如权利要求1所述安全系统中流密码、伪随机数产生方法，其特征在于，步骤b中，还将一个可选择参数Vi输入线性反馈移位寄存器。

3. 如权利要求2所述安全系统中流密码、伪随机数产生方法，其特征在于，步骤b中，将可选择参数Vi经过杂凑变换后输入线性反馈移位寄存器。

4. 如权利要求1所述安全系统中流密码、伪随机数产生方法，其特征在于，所述S盒子变换为多重S盒子变换或多个S盒子并行变换。

5. 如权利要求1或4所述安全系统中流密码、伪随机数产生方法，其特征在于，所述线性变换为矩阵运算、行列变换或移位变换。