CN101414903B - 一种共享密钥生成方法和加解密方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种共享密钥生成方法，包括生成随机种子组，任取其中两个为边随机种子，表示三角形的两条边；取另一个为角随机种子，表示所述两条边的夹角；将由上述随机种子构成三角形第三条边的长度作为共享密钥。本发明还公开了一种加密方法，包括生成边随机种子，表示三角形的两条边；生成角随机种子，表示所述两条边的夹角；将明文映射为角度集合，集合中每个元素表示的角度代表所述两条边的夹角，计算出角度集合中每个角度与边随机种子构成的加密三角形的第三条边的长度，所述加密三角形的第三条边的长度的集合构成加密后的密文。本发明消除了共享密钥的长期共享带来的安全隐患，降低了加解密方法的计算复杂度，提高了加解密方法的安全性。

Description

一种共享密钥生成方法和加解密方法

技术领域

本发明涉及加密技术，特别是涉及一种共享密钥生成方法和加解密方法。

背景技术

目前，随着社会经济生活当中信息交流的日益频繁，信息安全越来越成为信息交流中一个非常突出的问题，随着通信技术的不断进步，特别是随着近年来网络技术的迅速发展，信息交流空前的便利和迅速，通信和网络技术逐渐渗透到社会生活的各个层面，因此，对于信息安全提出了更高的要求。

为此，信息安全领域目前普遍采取的是方法公开的各种对称密钥加密方法，来保障交流过程中的信息安全。对称密钥加密方法主要有Stream Ciphers和Block Ciphers两种，Stream Ciphers加密方法以字节为单位，Block Ciphers加密方法以由一个或多个字节构成的字段(block)为单位。当前流行的对称密钥加密方法有DES(Data Encryption Standard，数据加密标准)、AES(Advanced Encryption Standard，先进加密标准)和IDEA(International DataEncryption Algorithm，国际数据加密方法)等。信息交流过程中，发送方选用某种方法对明文进行加密得到密文，同时，发送方和接收方共同约定一个解密的密钥，称为共享密钥(下文简称密钥)，接收方利用这个密钥对接收到的密文进行解密，得到初始的明文。由于密钥仅为信息交流双方所知，具有良好的安全性，因此对称加密方法和密钥得到了广泛的采用。但是，该加密方法的安全性建立在密钥的基础上，而密钥本身并无自动更新的机制，一般都会长期采用同一个密钥进行信息交流，这无疑会增大密钥本身泄露的可能性；同时，信息窃取者或黑客还可以通过拦截足够多数量的加密密文，利用计算或密码学规则推测出系统所采用的密钥。例如，曾经普遍使用的64位共享密钥由于被黑客破解，现在已经无法继续使用，尽管现在已将共享密钥的长度升级到了128位，但仍然面临着被破解的潜在危险。

由上述可见，现有的对称密钥加密方法完全公开，其安全性完全依靠信息交流双方约定的密钥且该密钥无法自动更新，密钥一旦丢失或泄漏，采取该加密方法的全部信息都将受到严重的威胁，信息安全存在很大隐患。

发明内容

本发明实施例提供一种共享密钥的生成方法，能够进行共享密钥的自动更新。

本发明实施例提供一种加解密方法，能够对信息进行加密和解密。

为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的：

一种共享密钥生成方法，该方法包括：

生成包含三个随机数的随机种子组，任取其中两个为边随机种子，表示三角形的两条边；

取另一个为角随机种子，表示所述两条边的夹角；

将由上述两种随机种子构成的三角形的第三条边的长度作为共享密钥；

每经过预先设置的指定周期，共享密钥进行更新。

一种加密方法，该方法包括：

生成两个边随机种子，表示三角形的两条边；生成角随机种子，表示所述两条边的夹角；

将待加密的明文映射为角度集合，集合中每个元素表示的角度代表所述两条边的夹角，计算出角度集合中每个角度与边随机种子构成的加密三角形的第三条边的长度；

每经过预先设置的指定周期，由边随机种子和角随机种子组成的随机种子组进行更新，并继续计算角度集合中其它元素与边随机种子构成的加密三角形第三条边的长度，直到遍历完集合中所有的元素；

所述加密三角形的第三条边的长度的集合构成加密后的密文。

一种解密方法，该方法包括：

根据加密过程中生成的由边随机种子和角随机种子组成的初始随机种子组，用边随机种子表示三角形的两条边，用密文集合中的每个元素表示三角形的第三条边，计算出每个三角形中边随机种子表示的两条边之间的夹角；

每经过预先设置的指定周期，随机种子组进行更新，并计算密文集合中其它元素与边随机种子构成三角形中边随机种子表示的两条边之间的夹角，直到遍历完密文集合中所有的元素；

得到的夹角组成角度集合，将该角度集合按照加密过程使用的映射规则进行反映射，得到解密后的明文。

由上述的技术方案可见，本发明实施例的这种共享密钥生成方法和加解密方法，采用三角几何的方法进行加解密，利用了已知三角形两条边无法唯一确定该三角形的几何难题的特点，生成动态更新的密钥，消除了密钥的长期共享带来的安全隐患，且加解密时只需进行简单的解三角形运算，降低了加解密方法的计算复杂度，提高了加解密方法的安全性。

附图说明

图1为本发明实施例中共享密钥生成流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

本发明实施例基于几何三角法来产生自动更新的密钥和实现加解密。根据三角形的特点，假设已知三角形的两条边，设为Aⁱ、Bⁱ，以及这两条边之间的夹角，设为αⁱ，根据两条边和夹角，可以唯一的确定第三条边。

图1示出了密钥的生成过程，包括：

步骤101：随机产生三个整数随机种子Aⁱ、Bⁱ和αⁱ，分别作为三角形的两条边和它们之间的夹角。其中Aⁱ、Bⁱ称为边随机种子，αⁱ称为角随机种子。

步骤102：根据随机种子组Aⁱ、Bⁱ和αⁱ，计算出它们所对应的三角形的第三条边，将所述第三条边设为密钥Kⁱ。

步骤103：随机种子组经过指定周期后进行更新，用密钥Kⁱ替代Aⁱ、Bⁱ中的任意一个，同时αⁱ通过运算进行更新，从而形成新一组的随机种子组Aⁱ、Bⁱ和αⁱ。

步骤104：判断通信过程是否结束。如果结束，则终止流程，否则返回步骤102继续顺序执行，直到通信过程结束。

需要说明的是，在上述密钥生成过程中，步骤101设置随机种子组的初始值，因此仅在准备开始通信时执行；随机种子组Aⁱ、Bⁱ和αⁱ分别代表三角形的两边长和它们之间的夹角，至于生成的随机种子组中哪两个作为边随机种子，哪个作为角随机种子，可以完全任意选择，只需要保证通信双方按照同样的规则进行选择。

步骤103中密钥Kⁱ可以替代Aⁱ、Bⁱ中的任意一个，较佳地，可以进一步约定边规则，如规定每次用密钥Kⁱ替代Aⁱ、Bⁱ中较小/较大的一个，或者用密钥Kⁱ交替替代Aⁱ、Bⁱ等等，总之只要保证通信双方用密钥Kⁱ替代边随机种子时按照同样规则进行选择即可，并不限制具体采用何种方式。

夹角αⁱ进行角度的更新，可以选用各种角规则进行：例如将初始αⁱ进行移位运算以得到新的角度αⁱ，也可以通过布尔异或运算等方式进行更新。

此外，步骤103所述的指定周期表示可以根据实际应用的需要进行设置，该周期在缺省情况下设置为一次通信过程的时长。这种情况下，系统在每次通信结束后进行随机种子组的更新，显然此时不必再进行步骤104的判断，这种方式下，系统采用的是离线进行随机种子组更新的方式，虽然随机种子组更新频率并不高，但由于离线模式可以完全隔离外界影响，因此具有较高的安全性；同时，由于更新周期适中，不用耗费大量的系统资源和时间进行随机种子组的更新计算，因此系统的加解密速度也较快。

若周期设置小于一次通信过程的时长，可以约定为通信双方每发送一定的字节数据，随机种子组进行一次更新，或者约定每隔一定的时间随机种子组进行一次更新等等。也可以设置为大于一次通信过程的时长，例如每天或若干次通信过程后再进行随机种子组的更新。具体的规则由通信双方根据安全级别和运算速度的要求设置，本发明实施例中并不进行具体限定。

采用上述方法，可以得到一种能够自动更新的密钥，因此，本发明实施例中的密钥可以应用于现有技术中的众多加密方法，替代这些方法原本使用的密钥，由于该密钥生成方法具备每通信过程结束后自动更新的功能，消除了长期使用同一个共享密钥存在的潜在风险，因此为现有加解密方法提供了更高的安全性。

进一步地，所述密钥通过进行更新实现更高安全性的原理，也可以用来对数据进行加解密处理。其原理为：将待加密的明文转换为角度集合，随机产生整数角随机种子和两个整数边随机种子；将边随机种子作为三角形的两边，角度集合中的各角度元素分别作为所述三角形的两边的夹角，构成一组三角形，称为加密三角形；边随机种子与角随机种子构成一个三角形，称为更新三角形；分别计算加密三角形和更新三角形的第三边，其中加密三角形的第三边构成的集合即为加密后的密文，更新三角形的第三边称作更新元。

具体加密流程包括：

步骤1：随机产生两个边随机种子Aⁱ和Bⁱ，作为加密三角形的两条边；同时，随机产生角随机种子αⁱ。

步骤2：对需要加密的明文进行处理，将明文中的各元素按照一定的规则分别映射得到角度集合{β_i}。

步骤3：由Aⁱ、Bⁱ和αⁱ计算得出更新元Kⁱ，对由Aⁱ、Bⁱ和βⁱ构成的加密三角形进行运算，求得加密三角形的第三条边的长度P_i。

步骤4：每经过预先设置的指定周期，更新元Kⁱ采用边规则替换边随机种子，角随机种子采用角规则进行更新，得到新一组的随机种子组Aⁱ、Bⁱ和αⁱ。

步骤5：判断是否遍历完角度集合{β_i}中的所有元素，若否，则返回继续执行步骤3；若是，则结束加密流程，得到的集合{P_i}即为明文经过加密处理后得到的密文。

较佳地，上述步骤1和步骤2的顺序还可以互换。

需要说明的是，加密过程中所述的指定周期的设置与前文共享密钥生成方法中所述相同，可以根据安全级别的不同，采用离线或在线更新随机种子组的方式进行加解密运算。在线更新方式下，系统设置的周期小于一次加密过程的时长；而离线方式下，系统设置的指定周期为一次加密过程，加密方采用一组随机种子组完成加密后，再进行随机种子组的更新，相应地，此时的加密流程不必执行步骤5。

本发明实施例所述的解密过程与加密过程相互独立，因此既可以与加密过程同步，对生成的密文进行实时解密；也可以离线对接收到的密文进行解密。进行解密时，需要预先获取加密过程中最初产生的初始随机种子组Aⁱ、Bⁱ和αⁱ，以便随机种子组进行后续更新时能够与加密过程对应。具体的解密处理流程包括：

步骤1：将加密过程时产生的初始随机种子Aⁱ和Bⁱ设为解密三角形的两条边，αⁱ设为它们的夹角。

步骤2：由Aⁱ、Bⁱ和αⁱ计算得出更新元Kⁱ，将密文集合{P_i}中的元素P_i作为解密三角形的第三条边，对由Aⁱ、Bⁱ和P_i构成的解密三角形进行运算，求得Aⁱ和Bⁱ之间的夹角β_i。

步骤3：每经过预先设置的指定周期，更新元Kⁱ采用边规则替换边随机种子，角随机种子采用角规则进行更新，得到新一组的随机种子组Aⁱ、Bⁱ和αⁱ。

步骤4：判断是否遍历完密文集合{P_i}中的所有元素，若否，则返回继续执行步骤2；若是，则得到角度集合{β_i}并继续执行步骤5。

步骤5：将角度集合{β_i}按照与加密过程相同的映射关系进行反映射处理，得到各角度所对应的原始信息，则该原始信息即为解密得到的明文。

需要说明的是，解密过程中所述的指定周期的设置原理与前文加密过程中指定周期的设置原理相同，且解密过程中的随机种子组更新方式需要与加密方的规则保持一致。当系统设置的指定周期为一次解密过程，解密方采用一组随机种子组完成解密后，再进行随机种子组的更新，此时的解密流程相应地不必执行步骤4。

加解密过程中可能出现各种导致网络故障的意外情况，从而使得加解密双方的随机种子组不同步，当通信连接恢复后加解密方由于随机种子组不同步而无法继续通信。为了解决该问题，顺利完成加解密流程，较佳地，本发明实施例还进一步设置了随机种子组同步方法，其具体的实现机制如下：

系统预先给加密方分配身份标识信息IDs，在加密方设置随机种子组更新次数计数器Is，在解密方设置随机种子组更新次数计数器Ir。在加密过程中，生成的初始随机种子组加解密双方经过通信后共同持有，随机种子组每进行一次更新，计数器Is自加1，并发起同步过程使Ir保持与Is相等。

若网络保持正常状态，Is与Ir的值始终相等；若网络出现故障导致通信中断，则在通信恢复后，Is与Ir的值有可能不同。加密方将Is的值与加密方身份标识信息IDs进行哈希运算得到一个效验值，采用约定的加密算法将该效验值连同Is和IDs一起进行加密后，将加密后得到的结果发送给解密方。

解密方使用对应的解密方法对所述的加密结果进行解密，得到所述效验值、IDs和Is的值，使用哈希算法从效验值得出IDs和Is，与解密得到的IDs和Is进行比对，如果两组IDs和Is相同，则能够确认它们在传输过程中没有被篡改。

将Is的值与Ir的值进行比较，若两者相等，则表示加解密方当前使用的随机种子组相同，则继续使用当前随机种子组进行后续通信；若两者不同，计算|Is-Ir|，其中||表示取绝对值运算。|Is-Ir|的值表示在通信恢复前的时间段内双方尚未同步的随机种子组的更新次数，则Is与Ir的值较小的一方使用自身的当前随机种子组进行|Is-Ir|次更新后，得到的即为Is与Ir的值较大的一方当前使用的随机种子组；或者Is与Ir的值较小的一方也可以利用初始随机种子组进行Max(Is，Ir)次的更新后，得到Is与Ir的值较大的一方当前使用的随机种子组，Max(Is，Ir)表示取Is和Ir中的最大值。

举例来说，如果Is＞Ir，则计算(Is-Ir)，然后解密方利用其当前随机种子组进行(Is-Ir)次更新后或者利用初始随机种子组进行Is次更新后，得到加密方当前使用的随机种子组；反之，若Ir＞Is，则计算(Ir-Is)，然后加密方利用其当前随机种子组进行(Ir-Is)次更新后或者利用初始随机种子组进行Ir次更新后，得到解密方当前使用的随机种子组。

此外，加密过程中的明文与角度集合之间的映射关系并无固定的规范，任何能够将明文信息明确且唯一地转换为角度信息的映射都是可以接受的；同时，将明文转换为角度的映射关系可以是直接映射，即由明文直接一次映射得到对应的角度，也可以是由明文经过两次或多次映射得到最终的角度，只要保持加密过程与解密过程中的映射关系是相互对应的即可。

加解密过程中的更新元Kⁱ的生成和更新方法与前文密钥生成过程中完全相同，因此具体使用的边规则和角规则，此处不再赘述。

由上述可见，本发明实施例通过利用已知三角形两条边无法唯一确定该三角形的几何难题，并配合能够自动更新的更新元来增加密码的安全性，保证通信双方信息传递过程不易被第三方窃听和破解，从而加强了信息传递的安全性。

同时，由于更新元和加解密算法中的计算过程都是简单的解三角形运算，生成的更新元长度远小于现有技术中普遍使用的128比特位密钥的长度，因此加解密运算速度也比采用现有密钥进行加解密的速度更快。

该加解密方法还特别适合应用于计算能力相对不高的无线通信领域，例如手机终端与网络的鉴权、安全连接的建立等等过程。

应该理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的精神和保护范围，任何熟悉本领域的技术人员所做出的等同变化或替换，都应视为涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种共享密钥生成方法，其特征在于，该方法包括：

生成包含三个随机数的随机种子组，任取其中两个为边随机种子，表示三角形的两条边；

取另一个为角随机种子，表示所述两条边的夹角；

将由上述两种随机种子构成的三角形的第三条边的长度作为共享密钥；

每经过预先设置的指定周期，共享密钥进行更新。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述共享密钥进行更新的方法为：

按照预先约定的边规则，用得到的共享密钥替代所述边随机种子的其中一个，形成一组新的边随机种子；

按照预先选定的角规则，角随机种子进行更新；

根据新的边、角随机种子，计算出由它们构成三角形的第三条边，作为新的共享密钥。

3.一种加密方法，其特征在于，该方法包括：

生成两个边随机种子，表示三角形的两条边；生成角随机种子，表示所述两条边的夹角；

将待加密的明文映射为角度集合，集合中每个元素表示的角度代表所述两条边的夹角，计算出角度集合中每个角度与边随机种子构成的加密三角形的第三条边的长度；

每经过预先设置的指定周期，由边随机种子和角随机种子组成的随机种子组进行更新，并继续计算角度集合中其它元素与边随机种子构成的加密三角形第三条边的长度，直到遍历完集合中所有的元素；

所述加密三角形的第三条边的长度的集合构成加密后的密文。

4.根据权利要求3所述的加密方法，其特征在于，所述随机种子组进行更新的方法为：

计算出表示边随机种子与角随机种子构成的更新三角形第三条边的更新元；

按照预先约定的边规则，用得到的更新元替代所述边随机种子的其中一个，形成一组新的边随机种子；

按照预先选定的角规则，角随机种子进行更新。

5.一种解密方法，其特征在于，该方法包括：

根据加密过程中生成的由边随机种子和角随机种子组成的初始随机种子组，用边随机种子表示三角形的两条边，用密文集合中的每个元素表示三角形的第三条边，计算出每个三角形中边随机种子表示的两条边之间的夹角；

每经过预先设置的指定周期，随机种子组进行更新，并计算密文集合中其它元素与边随机种子构成三角形中边随机种子表示的两条边之间的夹角，直到遍历完密文集合中所有的元素；

得到的夹角组成角度集合，将该角度集合按照加密过程使用的映射规则进行反映射，得到解密后的明文。

6.根据权利要求5所述的解密方法，其特征在于，所述随机种子组进行更新的方法为：

计算出表示边随机种子与角随机种子构成的更新三角形第三条边的更新元；

按照预先约定的边规则，用得到的更新元替代所述边随机种子的其中一个，形成一组新的边随机种子；

按照预先选定的角规则，角随机种子进行更新。

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