CN103051460A - 基于惯性技术的动态令牌系统及其加密方法 - Google Patents

Abstract

一种信息安全技术领域的基于惯性技术的动态令牌系统及其加密方法，该系统包括：信息处理模块和分别与之相连接的传感器模块和动态密码生成模块，信息处理模块内存储有动态令牌的种子密钥和序列号，根据传感器模块输出的动态令牌空间信息计算动态令牌的当前姿态，并计算生成动态令牌的当前时间后生成动态因子输出至动态密码生成模块；传感器模块测量动态令牌空间信息并输出至信息处理模块；动态密码生成模块根据动态令牌的静态因子和动态因子计算生成动态密码；信息处理模块的数据输出端输出当前动态密码，信息处理模块的指令输出端输出工作状态切换指令至传感器模块以实现工作状态的调节。本发明能够提高动态令牌在被偷窥、甚至丢失、被盗窃的情况下动态口令的安全性，确保身份认证的合法性。

Description

基于惯性技术的动态令牌系统及其加密方法

技术领域

本发明涉及的是一种信息安全技术领域的系统及方法，具体是一种基于惯性技术的动态令牌系统及其加密方法。

背景技术

随着互联网应用的日益广泛化和普及化，网络银行、网络证券、网络购物、网络游戏等各种网络交易逐渐称为人们生活或者经济活动的重要组成部分。随着网络交易活动的日益频繁，网络交易过程的安全性，特别是账户、资金等重要的信息的安全性成为人们、以及金融机构极为关心的问题。身份认证是信息安全体系的重要组成部分，它是保护信息系统安全的第一道防线。它的任务是检验信息系统用户身份的正确性、合法性和真实性，对合法访问者按系统授予的权限予以访问系统资源，阻止未经授权的非法访问。

目前，网络系统中的身份认证方式大多采用一种被认为相对安全的基于动态口令（Dynamic Password）的双因子认证机制。动态口令又称为一次性口令（One-Time Password，OTP），是指只能使用一次的口令，而且，所生成的口令每次都不相同，或者在固定时间间隔都发生变化。因此，动态口令大大增强了用户身份认证的安全性，弥补了静态口令的不足，被认为是目前业内最安全的身份认证技术。

动态令牌是用来生成动态口令的一种终端设备，它是基于动态口令的身份认证技术，结合秘密信息或者当前时间值，根据专门算法生成的一组不可预测的随机数字或者字符的组合。由于每个口令只能使用一次，每次用户登录使用的口令都是动态变化、且不相关的，有效地防止了重用、猜测等攻击方式。

实现动态口令的技术根据口令产生的方式一般分为两大类：一是同步机制产生的方式，如时间同步动态口令和事件同步动态口令；二是非同步机制产生的方式，如挑战/应答动态口令。目前，基于上述动态口令技术的动态令牌在有效地确保身份认证过程安全性的同时，也还存在着一种安全隐患，即用户所持有的动态令牌上所显示的动态口令始终是对应于和该动态令牌相捆绑的网络账号的正确口令，这样就存在着口令易被偷窥的潜在危险性。另外，当用户所持有的动态令牌在丢失、或者被偷盗的情况下，存在口令泄漏的危险性。上述有针对性的危险性将可能直接造成信息失密、或者经济损失。

经过对现有技术的检索发现，中国专利号为CN201250860U的实用新型专利，公开了一种“防偷窥动态令牌”，该技术包括动态令牌本体与防窥膜，防窥膜设置在动态令牌本体的显示屏上。但是该技术只能防止动态令牌上所显示的动态密码被他人窥探到，但没有解决动态令牌丢失后密码泄漏可能造成信息失密的问题。

中国专利文献号CN102724034A公开日2012-10-10公开了一种基于空间运动的加密解密系统及方法，该技术包括：运动感知模块，用于接收方位传感器硬件产生的方位数据；密钥生成模块，用于处理所述方位数据，将该方位数据转化成向量表示以作为用户密钥；加密模块和解密模块，采用DES、AES或其他任意对称密钥系统完成对上述信息的加密和解密过程；控制模块，用于对所述系统进行控制，以针对用户不同的意图调用其他模块；密钥存储模块，以密文形式针对用户不同的信息存储不同的生成密钥。但该技术的缺点在于：所产生的密钥在相当一段时间内是固定不变的，直到用户修改该密钥；该发明在实施时，用户必须同时开始以一定的方式开始移动便携设备，并要求持续一定时间，这不符合动态密码设备的使用者的要求和习惯；并且该技术的运动感知模块用于接收方位数据，而不是载体运动的全姿态信息。

发明内容

本发明针对现有动态令牌技术存在的上述不足，提出一种基于惯性技术的动态令牌系统及其加密方法，能够提高动态令牌在被偷窥、甚至丢失、被盗窃的情况下动态口令的安全性，确保身份认证的合法性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种基于惯性技术的动态令牌系统，包括：信息处理模块和分别与之相连接的传感器模块和动态密码生成模块，其中：信息处理模块内存储有动态令牌的种子密钥和序列号，根据传感器模块输出的动态令牌空间信息计算动态令牌的当前姿态，并计算生成动态令牌的当前时间后生成动态因子输出至动态密码生成模块；传感器模块测量动态令牌的空间信息并输出至信息处理模块；动态密码生成模块根据动态令牌的动态因子和静态因子，利用加密算法计算生成动态密码；信息处理模块的数据输出端输出当前动态密码，信息处理模块的指令输出端输出工作状态切换指令至传感器模块以实现动态令牌系统的工作状态的调节。

所述的动态令牌系统设有包含与信息处理模块、传感器模块和动态密码生成模块相连的电源输入端的外壳，或动态令牌系统集成设置于手持式电子移动终端设备的内部，如手机、笔记本电脑、平板电脑、PDA的内部。

所述的空间信息包括：动态令牌的加速度、角速度和所在位置的地球磁场强度信息。

所述的动态因子是指：按照一定的方式组合的动态令牌的时间因子和动态令牌的空间信息，其中：时间因子包括：动态令牌所处的年、月、日、时、分信息；空间信息包括：动态令牌的方位、俯仰、横滚的姿态信息；所述的一定方式组合是指：将动态令牌的时间因子和动态令牌的空间信息按照逻辑与运算、或者逻辑或、或者逻辑非运算进行组合，或者直接将动态令牌的时间因子和动态令牌的空间信息按照预定的位数和预定的先后顺序直接存储在信息处理模块中。

所述的传感器模块包括：加速度测量装置、角度测量装置和磁场测量装置，其中：加速度测量装置为线加速度传感器或线速度传感器，角度测量装置为角速度传感器、角加速度传感器或角度传感器，磁场测量装置为磁敏传感器或磁阻效应传感器。

所述的传感器模块用于测量沿动态令牌的一个、两个或者三个相互正交方向上的、或者近似正交方向上的加速度信息；沿动态令牌的一个、两个或者三个相互正交方向上的、或者近似正交方向上的角速度信息；以及动态令牌所在位置的沿动态令牌的一个、两个或者三个相互正交方向上的或近似正交方向上的地球磁场强度信息。

所述的加速度信息具体为沿动态令牌的载体坐标系的各坐标轴方向上的加速度信息。

所述的角速度信息具体为沿动态令牌的载体坐标系的各坐标轴方向上的角速度信息。

所述的地球磁场强度信息具体为动态令牌所在位置的沿动态令牌的载体坐标系的各坐标轴方向上的地球磁场强度信息。

所述的动态令牌的当前姿态采用姿态计算方法计算得到，其中：当前姿态是指动态令牌的载体坐标系和当地地理坐标系各对应坐标轴之间的夹角。

所述的姿态计算方法包括：捷联式惯性导航系统（strap-down inertial navigation system）姿态计算方法、捷联惯性/地磁组合导航姿态计算方法。

所述的加密算法采用常规标准的加密算法，如对称加密算法、非对称加密算法、Hash算法、具体为：DES算法、3DES算法、TDEA算法、Blowfish算法、RC5算法、IDEA算法、AES算法、RSA算法、Elgamal算法、背包算法、Rabin算法、D-H算法、ECC算法和DSA算法、MD2算法、MD4算法、MD5算法、HAVAL算法或SHA-1算法；或者采用上述任意两种或多种加密算法相组合的算法。

所述的工作状态切换指令包括：传感器正常工作状态指令、传感器休眠工作状态指令、传感器停止工作状态指令以及正常显示动态密码指令、闪烁显示动态密码指令、停止显示动态密码指令。

所述的信息处理模块包括：中央处理单元、存储器和晶体振荡器，其中，中央处理单元处理来自传感器模块的空间信息、来自晶体振荡器的基准时钟信号以及来自取存储器中的加密算法并输出至动态密码生成模块，存储器分别通过总线与中央处理单元相连并存储历史空间信息、动态令牌更新周期、姿态更新周期以及加密算法，与动态密码生成模块相连并存储生成的动态密码，中央处理单元根据存储器中的所保存的上述信息进行自动休眠控制并输出休眠指令至传感器模块以及动态密码生成模块以实现动态令牌的低功耗工作。

所述的信息处理模块的输出端优选设有动态密码显示模块，用于实时向用户显示当前动态密码和动态令牌的工作状态；该动态密码显示模块采用段式显示屏、点阵式显示屏、字符显示屏或图形显示屏，且通过信息处理模块的指令输出端输出工作状态切换指令可以调节动态密码显示模块的正常工作、休眠及关闭状态。

所述的动态令牌系统还包括电源模块，该电源模块分别与信息处理模块、传感器模块、动态密码生成模块和动态密码显示模块相连接并提供电源供电。

本发明涉及上述系统的加密方法，包括以下步骤：

步骤1）设置于动态令牌内的传感器模块实时采集动态令牌的加速度信息、角速度信息和地球磁场强度信息，由信息处理模块通过姿态计算方法计算出动态令牌的当前姿态，生成动态令牌的空间信息；

步骤2）信息处理模块根据动态令牌的当前时间生成动态令牌的时间因子，并根据预先存储在动态令牌内部的种子密钥，构成动态令牌的静态因子；

所述的当前时间通过晶体振荡器输出的精密时钟频率信号或时钟专用芯片输出的时间信息获得。

步骤3）动态密码生成模块对静态因子、时间因子和空间信息进行加密，生成动态密码并输出至信息处理模块的存储器，由中央处理单元通过显示模块显示或输出至用户；

所述的加密是指：将时间因子、空间信息分别与种子密钥分别采用相同、或者不同的加密算法进行加密计算得到对应的加密结果后，将各自加密的结果进行合并，再根据显示模块所显示的位数的要求，抽取相应位数的数据输出；或者将种子密钥、时间因子、空间信息合并为一个参数，进行加密计算，再根据显示模块所显示的位数的要求，抽取相应位数的数据输出。

步骤4）当经过一个动态令牌更新周期时进行周期性动态因子的更新，并用于生成当前动态密码；当经过一个姿态更新周期后发生空间信息的变化时，则进行姿态性动态因子的更新。

所述的周期性动态因子的更新是指：当经过一个动态令牌更新周期后传感器模块采集一次当前动态令牌的空间信息，对应中央处理单元采集一次当前动态令牌的时间因子并由动态密码生成模块计算一次动态密码，同时中央处理单元保存当前动态令牌的空间信息；

当经过若干个动态令牌更新周期后，中央处理单元对若干个保存的动态令牌的空间信息进行比较，当全部相同时则中央处理单元向动态密码生成模块、信息处理模块以及传感器模块发出休眠指令，并进入休眠工作状态，即动态密码生成模块和信息处理模块停止工作，所述的传感器模块只敏感加速度信息，不敏感其它信息。

所述的姿态性动态因子的更新是指：定期对空间信息进行一次更新比较，当不同时则进入步骤1）计算一次当前动态密码；

所述的动态令牌更新周期大于所述姿态更新周期。

技术效果

与现有技术相比，本发明动态令牌既可以作为一个独立的电子设备单独工作，也可以嵌入到其它设备之中，包括手机、笔记本电脑、平板电脑、PDA、或者其它手持式电子移动终端设备，在其它设备的配合下协同工作。同时本发明还具有对所生成的动态口令进行保护的功能，确保动态令牌的合法持有者获得正确的动态口令，防止动态令牌的非法获得者拥有正确的口令。进一步提高和完善了动态令牌的身份认证的安全性。同时，还具有通过控制动态令牌的各功能模块的工作状态，起到降低动态令牌功耗的作用，具有低功耗工作的优点。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为实施例流程图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1，本实施例提供了一种基于惯性技术的动态令牌，包括：传感器模块101、信息处理模块102、动态密码生成模块103、动态密码显示模块104以及电源模块105，其中：信息处理模块102内存储有动态令牌的种子密钥和序列号，根据传感器模块101输出的动态令牌空间信息计算动态令牌的当前姿态，并计算生成动态令牌的当前时间后生成动态因子输出至动态密码生成模块103；传感器模块101测量动态令牌空间信息并输出至信息处理模块102；动态密码生成模块103根据动态令牌的静态因子和动态因子计算生成动态密码；信息处理模块102的数据输出端输出当前动态密码，信息处理模块102的指令输出端输出工作状态切换指令至传感器模块101以实现工作状态的调节。

本实施例中的电源模块105直接采用电子移动设备的电源实现；

本实施例中所述的传感器模块101与上述电子移动设备固定连接。

所述的传感器模块101包括线加速度传感器、或线速度传感器；

所述的传感器模块101包括角速度传感器、或角加速度传感器、或角度传感器；

所述的传感器模块101包括磁敏传感器、或磁阻效应传感器；

所述的传感器模块101的工作状态是指传感器模块101处于正常工作状态、或休眠工作状态、或停止工作状态；

信息处理模块102，与动态密码显示模块104相连，用于控制动态密码显示模块104的工作状态；

所述的动态密码显示模块104的工作状态是指动态密码显示模块104正常显示动态密码、或以闪烁形式显示动态密码、或停止显示动态密码；

所述的动态密码生成模块103根据信息处理模块102所存储的种子密钥、信息处理模块102计算生成的时间因子、信息处理模块102计算生成的空间信息所组成的三因子，利用加密算法计算生成动态密码；

所述的加密算法包括标准加密算法和自定义加密算法；

动态密码显示模块104，与信息处理模块102相连，用于根据信息处理模块102的命令，显示动态密码生成模块103所计算生成的动态密码和动态令牌的工作状态；

所述的动态密码显示模块104采用段式显示屏、点阵式显示屏、字符显示屏或者图形显示屏；

如图2，本实施例涉及上述系统的加密方法，包括以下步骤：

步骤201：根据动态令牌内置的传感器所测量的加速度信息、角速度信息和地球磁场强度信息，通过姿态计算方法计算出动态令牌的当前姿态，生成动态令牌的空间信息；

所述的传感器所测量的加速度信息为沿动态令牌的载体坐标系的各坐标轴方向上的加速度信息；

所述的传感器所测量的角速度信息为沿动态令牌的载体坐标系的各坐标轴方向上的角速度信息；

所述的传感器所测量的地球磁场强度信息为动态令牌所在位置的沿动态令牌的载体坐标系的各坐标轴方向上的地球磁场强度信息；

所述的姿态表示为角度的形式，或者为弧度的形式；

步骤202：根据动态令牌内置的晶体振荡器输出的时钟频率信号、或者时钟专用芯片输出的时间信息，计算出动态令牌的当前时间，生成动态令牌的时间因子；

所述的时间表示为年、月、日、时、分的形式；

步骤203：提取预先存储在动态令牌内部的种子密钥，构成动态令牌的的静态因子；

步骤204：将时间因子、空间信息分别与种子密钥分别采用相同、或者不同的加密算法，(本实施例中采用相同的加密算法)，其中：加密算法选择为RSA算法，密钥对的公钥设计为（e，n）=（23，187），具体步骤为：

步骤2041设当前动态令牌的时间为12月23日19点36分，经RSA算法对12231936（即当前时间因子）进行加密后得到的结果为168042；

步骤2042设当前动态令牌的方位角为135度，俯仰角为75度，横滚角为15度，经RSA算法对1357515（即当前姿态信息）加密后得到的结果为1771339460；

步骤2043将前两步骤加密的结果进行字符串合并，得到1680421771339460，再根据显示模块所显示的位数的要求，从最右位置向左间隔一位进行抽取，采集其中的7位数字并输出，即得到动态密码为6027340。

步骤205：通过显示屏输出动态密码；

步骤206：判断是否需要更新计算动态令牌的姿态，否则进入步骤214，是则直接进入步骤207；

步骤207：更新计算动态令牌的姿态，生成动态令牌的空间信息，判断动态令牌的空间信息是否发生了变化，否则进入步骤213，是则直接进入步骤208；

步骤208：判断动态令牌的时间因子是否发生了变化，否则直接进入步骤209，是则进入步骤212，更新动态令牌的时间因子，再进入步骤209；

步骤209：根据当前的空间信息、时间因子和静态因子进行加密运算，生成新的动态密码；

步骤210：判断是否需要显示所生成的动态密码，是则回到步骤205，显示所生成的动态密码，否则进入步骤211；

步骤211：关闭显示所生成的动态密码，再回到步骤206；

步骤212：更新动态令牌的时间因子；

步骤213：判断动态令牌是否需要继续工作，是则进入步骤214，否则进入步骤215；

步骤214：判断动态令牌的时间因子是否发生了变化，是则进入步骤212，更新动态令牌的时间因子，否则回到步骤206；

步骤215：动态令牌进入休眠状态，等待下次使用时触发唤醒后回到步骤201。

本方法能够对所生成的动态口令进行保护的功能，确保动态令牌的合法持有者获得正确的动态口令，防止动态令牌的非法获得者拥有正确的口令。

Claims (10)

1.一种基于惯性技术的动态令牌系统，其特征在于，包括：信息处理模块和分别与之相连接的传感器模块和动态密码生成模块，其中：信息处理模块内存储有动态令牌的种子密钥和序列号，根据传感器模块输出的动态令牌空间信息计算动态令牌的当前姿态，并计算生成动态令牌的当前时间后生成动态因子输出至动态密码生成模块；传感器模块测量动态令牌的空间信息并输出至信息处理模块；动态密码生成模块根据动态令牌的动态因子和静态因子利用加密算法计算生成动态密码；信息处理模块的数据输出端输出当前动态密码，信息处理模块的指令输出端输出工作状态切换指令至传感器模块以实现工作状态的调节。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的空间信息包括：动态令牌的加速度、角速度和所在位置的地球磁场强度信息；

所述的动态因子是指：按照一定的方式组合的动态令牌的时间因子和动态令牌的空间信息；

所述的一定方式组合是指：将动态令牌的时间因子和动态令牌的空间信息按照逻辑与运算、或者逻辑或、或者逻辑非运算进行组合，或者直接将动态令牌的时间因子和动态令牌的空间信息按照预定的位数和预定的先后顺序直接存储在信息处理模块中。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的动态令牌的当前姿态采用姿态计算方法计算得到，其中：当前姿态是指动态令牌的载体坐标系和当地地理坐标系各对应坐标轴之间的夹角。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的工作状态切换指令包括：传感器正常工作状态指令、传感器休眠工作状态指令、传感器停止工作状态指令以及正常显示动态密码指令、闪烁显示动态密码指令、停止显示动态密码指令。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的信息处理模块包括：中央处理单元、存储器和晶体振荡器，其中，中央处理单元处理来自传感器模块的空间信息、来自晶体振荡器的基准时钟信号以及来自取存储器中的加密算法并输出至动态密码生成模块，存储器分别通过总线与中央处理单元相连并存储历史空间信息、动态令牌更新周期、姿态更新周期以及加密算法，与动态密码生成模块相连并存储生成的动态密码，中央处理单元根据存储器中的所保存的上述信息进行自动休眠控制并输出休眠指令至传感器模块以及动态密码生成模块以实现动态令牌的低功耗工作。

6.根据权利要求1或5所述的系统，其特征是，所述的信息处理模块的输出端设有动态密码显示模块，用于实时向用户显示当前动态密码和动态令牌的工作状态；该动态密码显示模块采用段式显示屏、点阵式显示屏、字符显示屏或图形显示屏，且通过信息处理模块的指令输出端输出工作状态切换指令可以调节动态密码显示模块的正常工作、休眠及关闭状态。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的动态令牌系统设有包含与信息处理模块、传感器模块和动态密码生成模块相连的电源输入端的外壳，或所述的动态令牌系统集成设置于手持式电子移动终端设备的内部；再或者是所述的动态令牌系统设有电源模块，该电源模块分别与信息处理模块、传感器模块、动态密码生成模块和动态密码显示模块相连接并提供电源供电。

8.根据上述任一权利要求所述系统的加密方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1）设置于动态令牌内的传感器模块实时采集动态令牌的加速度信息、角速度信息和地球磁场强度信息，由信息处理模块通过姿态计算方法计算出动态令牌的当前姿态，生成动态令牌的空间信息；

步骤2）信息处理模块根据动态令牌的当前时间生成动态令牌的时间因子，并根据预先存储在动态令牌内部的种子密钥，构成动态令牌的静态因子；

步骤3）动态密码生成模块对静态因子、时间因子和空间信息进行加密，生成动态密码并输出至信息处理模块的存储器，由中央处理单元通过显示模块显示或输出至用户；

步骤4）当经过一个动态令牌更新周期时进行周期性动态因子的更新，并用于生成当动态密码；当经过一个姿态更新周期后发生空间信息的变化时，则进行姿态性动态因子的更新。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征是，所述的加密是指：将时间因子、空间信息分别与种子密钥分别采用相同、或者不同的加密算法进行加密计算得到对应的加密结果后，将各自加密的结果进行合并，再根据显示模块所显示的位数的要求，抽取相应位数的数据输出；或者将种子密钥、时间因子、空间信息合并为一个参数，进行加密计算，再根据显示模块所显示的位数的要求，抽取相应位数的数据输出。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征是，所述的周期性动态因子的更新是指：当经过一个动态令牌更新周期后传感器模块采集一次当前动态令牌的空间信息，对应中央处理单元采集一次当前动态令牌的时间因子并由动态密码生成模块计算一次动态密码，同时中央处理单元保存当前动态令牌的空间信息；

当经过若干个动态令牌更新周期后，中央处理单元对若干个保存的动态令牌的空间信息进行比较，当全部相同时则中央处理单元向动态密码生成模块、信息处理模块以及传感器模块发出休眠指令，并进入休眠工作状态，即动态密码生成模块和信息处理模块停止工作；

所述的姿态性动态因子的更新是指：定期对空间信息进行一次更新比较，当不同时则进入步骤1）计算一次当前动态密码；

所述的动态令牌更新周期大于所述姿态更新周期。

Images