CN103647653B - 一种设备之间认证与密钥协商方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种设备之间认证与密钥协商方法，包括步骤：在主设备与从设备预建立相同的密钥信息记录，当主设备判断从设备是否拥有相同的密钥编号时，从设备产生一个随机数RA，从设备和从设备根据自身的密钥信息记录和随机数RA计算出结果数据A1、B1和C1，当主设备判断计算出的结果数据A1和B1与由从设备计算出的结果数据A1和B1两者相等时，从设备产生一个随机数RB，主设备和从设备根据自身的密钥信息记录、结果数据C1和随机数RB计算出结果数据A2、B2和C2，当主设备判断计算出的结果数据A2和B2分别与由从设备计算出的结果数据A2和B2相等时，确定主设备与从设备之间的密钥为C2。本发明安全可靠，有利于保证设备之间数据交互的安全性和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及数字通信技术，尤其涉及一种数字通信系统中设备之间认证与密钥协商方法。
背景技术
随着全球信息化，以及通信网络技术的出现和发展，人类社会出现了巨大的变化。人与人之间可以更便捷地进行沟通，信息的交换也越来越频繁。
数字通信系统的两个设备之间在需要交互数据之前，为了保证交互数据的安全性，两个设备之间需要互认对方的身份，确认身份后，进一步协商出一个会话密钥，后续交互数据用会话密钥加密传输。
目前认证密钥协商方法有：基于公钥加密的、基于数字签名的，基于对称密钥的、基于口令等。而现有设备之间多采用单一的认证与加密方法，虽然实现简单但安全性较低。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明提出一种数字通信系统中两设备之间认证与密钥协商方法，通过对秘密数据S1的保护措施来提高认证的安全性。
本发明采用如下技术方案实现：一种设备之间认证与密钥协商方法，其包括步骤：
A、在主设备与从设备预建立相同的密钥信息记录，该密钥信息记录由密钥编号Key_ID、加模糊数据SM1、密钥数据K1、配置字ACW组成；
B、主设备判断从设备是否拥有相同的密钥编号Key_ID，若是转入步骤C；
C、从设备产生一个随机数RA，从设备根据自身的密钥信息记录和随机数RA计算出结果数据A1、B1和C1，将结果数据A1和随机数RA传输给主设备；
D、主设备根据自身的密钥信息记录和随机数RA计算出结果数据A1、B1和C1，当主设备判断计算出的结果数据A1与由从设备计算出的结果数据A1两者相等时，主设备将结果数据B1发给从设备；
E、当从设备判断自身计算出的结果数据B1与主设备发来的结果数据B1相等时，从设备产生一个随机数RB，从设备根据自身的密钥信息记录、自身计算出的计算结果C1和随机数RB计算出结果数据A2、B2和C2，将结果数据A2和随机数RB传输给主设备；
F、主设备根据自身的密钥信息记录、自身计算出的计算结果C1和随机数RB计算出结果数据A2、B2和C2，当主设备判断计算出的结果数据A2与由从设备计算出的结果数据A2两者相等，然后确定主设备与从设备之间的密钥为C2。
其中，所述根据自身的密钥信息记录和随机数RA计算出结果数据A1、B1和C1的步骤具体包括：
以密钥信息记录中的加模糊数据SM1和密钥数据K1为输入参数，用变种对称算法解模糊处理获得私密数据S1；
把私密数据S1既作为密钥参数又作为数据参数，用变化处理算法运算后输出数据S1C，变化处理算法类型根据ACW值决定；
把S1C、密钥编号Key_ID和随机数RA信息作为摘要算法的输入参数，运算出摘要算法计算结果，该摘要算法计算结果由结果数据A1、结果数据B1和结果数据C1构成。
其中，所述摘要算法为SHA256算法，摘要算法计算结果为256位数据，摘要算法计算结果的第0~63位、第64~127位及第128~255位分别为结果数据A1、结果数据B1和结果数据C1。
其中，所述模糊处理算法、变化处理算法、摘要算法均是由密钥信息记录中配置字ACW的值决定的。
其中，所述根据自身的密钥信息记录、自身计算出的计算结果C1和随机数RB计算出结果数据A2、B2和C2的步骤包括：
把S1C、C1、随机数RB信息作为摘要算法的输入参数，运算出摘要算法计算结果，该摘要算法计算结果由结果数据A2、结果数据B2和结果数据C2构成。
其中，所述摘要算法为SHA256算法，摘要算法计算结果为256位数据，摘要算法计算结果的第0~63位、第64~127位及第128~255位分别为结果数据A2、结果数据B2和结果数据C2。
其中，当主设备判断计算出的结果数据A2与由从设备计算出的结果数据A2两者相等时，还包括步骤：主设备把结果数据B2传给从设备，由从设备判断计算出的B2与主设备发来的B2是否相等，若是，则确定主设备与从设备之间的密钥为C2。
其中，预建立相同的密钥信息记录的步骤包括：
选择一个配置字ACW；
产生秘密数据S1和密钥数据K1；
以秘密数据S1和密钥数据K1作为输入参数，用变种对称算法计算出加模糊数据SM1；
分配一个密钥编号Key_ID；
把上述生成数据配置字ACW、密钥数据K1、加模糊数据SM1、密钥编号Key_ID组合成一个密钥信息记录。
其中，密钥信息记录保存在非易失存储器中。
其中，32比特位的运算算法选择配置字ACW由4比特位的模糊算法类型选择配置MAC、4比特位的对私密数据变换处理算法类型选择配置CAC、4比特位的摘要算法类型选择配HAC和保留字Reserve组成。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明利用密钥编号Key_ID作为认证比较的依据，从设备通过主设备的认证之后才会发起密钥协商。并且，本发明通过变种对称密钥算法和密钥数据K1将秘密数据S1通过加模糊运算转变为加模糊数据SM1设备上存储的加模糊数据SM1，即使加模糊数据SM1发生信息泄密，如果不知道变种对称密钥算法，也无法获得秘密数据S1。私密数据S1不是直接使用，而是通过变换处理后间接使用即使用S1C值，这样能更好保护秘密数据S1的安全。为了提高安全性，把解模糊和对私密数据变换处理合并在一个安全区域中，禁止安全区域外对秘密数据（S1）的访问。因此，本发明安全可靠，有利于保证设备之间数据交互的安全性和可靠性。
附图说明
图1是在各个设备中建立密钥信息记录的方法的流程示意图；
图2是配置字ACW的结构示意图；
图3是秘密数据S1的结构示意图；
图4是密钥数据K1的结构示意图；
图5是本发明一个实施例的流程示意图；
图6是变种对称算法解密运算的流程示意图；
图7是变种对称算法对私密数据变换处理的流程示意图。
具体实施方式
数字通信系统的两个设备之间在需要交互数据之前，为了保证交互数据的安全性，两个设备之间需要互认对方的身份，确认身份后，进一步协商出一个会话密钥，后续交互数据用会话密钥加密传输。
本发明在执行两个设备之间认证和协商之前，假定两个设备已经拥有同一个密钥信息记录，即两个设备拥有密钥相关数据的记录的密钥编号Key_ID是相同的。一个密钥信息记录由密钥编号Key_ID、加模糊数据SM1、密钥数据K1、由运算算法选择的配置字ACW组成。一个设备中可以存在一个或多个密钥信息记录，在设备的存储器中开辟一个带访问限制的安全区域，一个或多个密钥信息记录保存在安全区域中形成“密钥库”。
如图1所示，各个设备生成“密钥库”中一个密钥信息记录包括如下实现步骤：
步骤S11：运算算法选择一个配置字ACW，配置字ACW根据自身需要定制。如图2所示，32比特位的运算算法选择配置字ACW由4比特位的模糊算法类型选择配置MAC、4比特位的对私密数据变换处理算法类型选择配置CAC、4比特位的摘要算法类型选择配HAC和保留字Reserve组成。其中，模糊算法类型选择配置MAC决定使用哪种类型变种算法，比如使用变种对称密钥算法，这是事先约定好的。对私密数据变换处理算法类型选择配置CAC决定使用哪种类型算法，比如变种对称密钥（AES、2xTDES或其他)算法或标准对称密钥（AES、2xTDES或其他)算法也行。摘要算法类型选择配置HAC决定使用哪种类型摘要算法，一般在标准摘要算法（SHA1、SHA256或MD5等）中选择就好。
比如，模糊算法类型选择配置MAC字段为4比特位，取值：0x1为变种AES算法，0x2为变种2xTDES算法，其他保留。对私密数据变换处理算法类型选择配置CAC字段为4比特位，取值：0x1为变种AES算法加密模块，0x2为变种AES算法解密模块，0x3为变种2xTDES算法加密模块，0x4为变种2xTDES算法解密模块，其他保留。摘要算法类型选择配置HAC字段为4比特位，取值：0x1为SHA256摘要算法，其他保留。
如上所述，当步骤S1选择的32位运算算法选择配置字ACW取值为0x00000111，其表示模糊算法为变种AES算法，对私密数据变换处理算法为变种AES算法。
步骤S12：产生128位秘密数据S1和128位密钥数据K1。
秘密数据S1由随机数和识别码组成。如图3所示，第一个字节为识别码，第一字节的数据为字符'S'的ASCII数值，其他15个字节（即120位）的数据用随机数产生模块输出的一个随机数填充。
密钥数据K1由随机数和识别码组成。如图4，密钥数据K1的第一个字节的数据为字符'K'的ASCII数值，其他15个字节（即120位）的数据用随机数产生模块输出的一个随机数填充。
其中，秘密数据S1不是直接透明的存储在存储器中，而是通过密钥数据K1用变种对称密钥算法加密后在进行存储，以对密钥数据S1很好的保护。
步骤S13：产生加模糊数据SM1。以秘密数据S1和密钥数据K1作为输入参数，用变种对称密钥算法（AES算法）加密模块运算，输出加模糊数据SM1，数学表达式SM1=E_VA（S1，K1）。
步骤S14：根据管理密钥需要分配一个编号为密钥编号Key_ID，通过密钥编号Key_ID识别每一个密钥信息记录。
步骤S15：把上述生成数据配置字ACW、密钥数据K1、加模糊数据SM1、密钥编号Key_ID组合成一个密钥信息记录。
两个设备之间需要认证与密钥协商，先从密钥库取出一个密钥相关数据记录，放入两个设置安全且带访问控制的非易失存储器中。如图5所示，两个设备（以下一个称为“主设备”、另一个称为“从设备”）之间需要认证与密钥协商的实现方法包括如下步骤：
步骤S20、主设备获取从设备的Key_ID信息，
步骤S21、主设备根据获取从设备的Key_ID信息，与主设备拥有Key_ID信息进行比较，如果相等继续认证过程；如果不相等则停止认证过程。
步骤S22：从设备产生32位的随机数RA。并且，从设备根据运算算法选择的配置字ACW，将密钥信息记录中的加模糊数据SM1和密钥数据K1信息作为输入参数，用变种AES算法解密运算（即解模糊，如图6所示），输出私密数据S1，数学表达式S1=D_VA（SM1，K1）。根据运算算法选择的配置字ACW，使用变种AES加密算法对私密数据S1进行加密处理运算（如图7所示）；把私密数据S1既作为密钥参数又作为数据参数，用变种AES算法加密模块运算后输出数据S1C，其数学表达式S1C=CHA（S1，S1）。根据运算算法选择配置字ACW，摘要算法H为SHA256算法，把S1C、Key_ID、RA信息作为摘要算法SHA256的输入参数，摘要算法计算结果为256位数据，摘要算法计算结果的第0~63位（bit）构成了分成64位的A1、第64~127位构成了64位的B1、第128~255位构成了128位的C1部分，数学表达式（A1，B1，C1）=H（S1C，Key_ID，RA）。
步骤S23：从设备把64位的A1和RA传输给主设备。
步骤S24：根据运算算法选择配置字ACW的值，解模糊D_VA用变种AES算法解密模块；把主设备存储的加模糊数据SM1和密钥数据K1信息作为输入参数，用变种AES算法解密模块运算（即解模糊），输出私密数据S1，数学表达式S1=D_VA（SM1，K1）。根据运算算法选择配置字ACW的值，使用变种AES加密算法对私密数据S1进行加密处理运算（如图7所示）；把私密数据S1既作为密钥参数又作为数据参数，用变种AES算法加密运算后输出数据S1C，数学表达式S1C=CHA（S1，S1）。根据运算算法选择配置字的值，摘要算法H为SHA256算法；把S1C、Key_ID、RA信息作为摘要算法SHA256的输入参数，摘要算法计算结果为256位数据，摘要算法计算结果分成64位的A1、64位的B1、128位的C1部分，数学表达式（A1，B1，C1）=H（S1C，Key_ID，RA）。
主设备计算64位A1与从设备计算64位的A1进行比较，如果不相等，停止继续认证；如果相等，继续认证。
步骤S25：主设备把64位的B1值传给从设备。
步骤S26：从设备收到主设备传过来B1值，并与自己前面计算出来的B1值比较，如果不相等，认证失败停止继续密钥协商过程；如果相等，继续密钥协商过程。从设备产生32位的随机数RB，根据运算算法选择配置字ACW的值，摘要算法H为SHA256算法；把S1C、C1、RB信息作为摘要算法SHA256的输入参数，摘要算法计算结果为256位数据，摘要算法计算结果的第0-63位构成64位A2、第64~127位构成64位B2、第128~255位构成128位的C2部分，数学表达式（A2，B2，C2）=H（S1C，C1，RB）。
步骤S27：从设备把64位的A2和RB传给主设备。
步骤S28：根据运算算法选择配置字ACW的值，摘要算法H为SHA256算法；把S1C、C1、RB信息作为摘要算法SHA256的输入参数，摘要算法计算结果为256位数据，摘要算法计算结果分成64位A2、64位B2、128位的C2部分，数学表达式（A2，B2，C2）=H（S1C，C1，RB）。主设备计算A2与从设备计算A2进行比较，如果不相等，停止继续协商；如果相等，继续协商。主设备把64位B2值传给从设备。
步骤S29：从设备收到主设备传过来B2值，并与自己前面计算出来的B2值比较，如果不相等，密钥协商失败；如果相等，密钥协商成功，协商密钥为128位的C2。
本发明通过变种对称密钥算法和密钥数据K1将秘密数据S1通过加模糊运算转变为加模糊数据SM1设备上存储的是加模糊数据SM1，即使加模糊数据SM1发生信息泄密，如果不知道变种对称密钥算法，也无法获得秘密数据S1。通过变种对称密钥算法和密钥数据K1将加模糊数据SM1转变为秘密数据S1，转变过程为解密过程即解模糊。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种设备之间认证与密钥协商方法，其特征在于，包括步骤：
A、在主设备与从设备预建立相同的密钥信息记录，该密钥信息记录由密钥编号Key_ID、加模糊数据SM1、密钥数据K1、配置字ACW组成；
B、主设备判断从设备是否拥有相同的密钥编号Key_ID，若是转入步骤C；
C、从设备产生一个随机数RA，从设备根据自身的密钥信息记录和随机数RA计算出结果数据A1、B1和C1，将结果数据A1和随机数RA传输给主设备；
D、主设备根据自身的密钥信息记录和随机数RA计算出结果数据A1、B1和C1，当主设备判断计算出的结果数据A1与由从设备计算出的结果数据A1两者相等时，主设备将结果数据B1发给从设备；
E、当从设备判断自身计算出的结果数据B1与主设备发来的结果数据B1相等时，从设备产生一个随机数RB，从设备根据自身的密钥信息记录、自身计算出的计算结果C1和随机数RB计算出结果数据A2、B2和C2，将结果数据A2和随机数RB传输给主设备；
F、主设备根据自身的密钥信息记录、自身计算出的计算结果C1和随机数RB计算出结果数据A2、B2和C2，当主设备判断计算出的结果数据A2与由从设备计算出的结果数据A2两者相等，然后确定主设备与从设备之间的密钥为C2。
2.根据权利要求1所述一种设备之间认证与密钥协商方法，其特征在于，所述根据自身的密钥信息记录和随机数RA计算出结果数据A1、B1和C1的步骤具体包括：
以密钥信息记录中的加模糊数据SM1和密钥数据K1为输入参数，用变种对称算法解模糊处理获得私密数据S1；
把私密数据S1既作为密钥参数又作为数据参数，用变化处理算法运算后输出数据S1C，变化处理算法类型根据ACW值决定；
把S1C、密钥编号Key_ID和随机数RA信息作为摘要算法的输入参数，运算出摘要算法计算结果，该摘要算法计算结果由结果数据A1、结果数据B1和结果数据C1构成。
3.根据权利要求2所述一种设备之间认证与密钥协商方法，其特征在于，所述摘要算法为SHA256算法，摘要算法计算结果为256位数据，摘要算法计算结果的第0~63位、第64~127位及第128~255位分别为结果数据A1、结果数据B1和结果数据C1。
4.根据权利要求2所述一种设备之间认证与密钥协商方法，其特征在于，所述变化处理算法、摘要算法均是由密钥信息记录中配置字ACW的值决定的。
5.根据权利要求2所述一种设备之间认证与密钥协商方法，其特征在于，所述根据自身的密钥信息记录、自身计算出的计算结果C1和随机数RB计算出结果数据A2、B2和C2的步骤包括：
把S1C、C1、随机数RB信息作为摘要算法的输入参数，运算出摘要算法计算结果，该摘要算法计算结果由结果数据A2、结果数据B2和结果数据C2构成。
6.根据权利要求5所述一种设备之间认证与密钥协商方法，其特征在于，所述摘要算法为SHA256算法，摘要算法计算结果为256位数据，摘要算法计算结果的第0~63位、第64~127位及第128~255位分别为结果数据A2、结果数据B2和结果数据C2。
7.根据权利要求1所述一种设备之间认证与密钥协商方法，其特征在于，当主设备判断计算出的结果数据A2与由从设备计算出的结果数据A2两者相等时，还包括步骤：主设备把结果数据B2传给从设备，由从设备判断计算出的B2与主设备发来的B2是否相等，若是，则确定主设备与从设备之间的密钥为C2。
8.根据权利要求1所述一种设备之间认证与密钥协商方法，其特征在于，预建立相同的密钥信息记录的步骤包括：
选择一个配置字ACW；
产生秘密数据S1和密钥数据K1；
以秘密数据S1和密钥数据K1作为输入参数，用变种对称算法计算出加模糊数据SM1；
分配一个密钥编号Key_ID；
把上述生成的配置字ACW、密钥数据K1、加模糊数据SM1、密钥编号Key_ID组合成一个密钥信息记录。
9.根据权利要求8所述一种设备之间认证与密钥协商方法，其特征在于，所述密钥信息记录保存在非易失存储器中。
10.根据权利要求8所述一种设备之间认证与密钥协商方法，其特征在于，32比特位的运算算法选择配置字ACW由4比特位的模糊算法类型选择配置MAC、4比特位的对私密数据变换处理算法类型选择配置CAC、4比特位的摘要算法类型选择配HAC和保留字Reserve组成。
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| CN106453236A (zh) * | 2016-08-15 | 2017-02-22 | 深圳市前海胜马科技有限公司 | 设备认证方法、卡设备及设备认证系统 |
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| CN103647653A (zh) | 2014-03-19 |
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