CN105391554B - 一种采用密文实现指纹匹配的方法和系统 - Google Patents

一种采用密文实现指纹匹配的方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及指纹匹配技术领域，本发明公开了一种采用密文实现指纹匹配的方法，其具体包括以下的步骤：将用户输入的指纹加密成密文，继而通过部分同态算法密文计算其与指纹模板密文之间的不同，再将其计算结果解密后进行指纹匹配是否成功的判断。本发明还公开了一种采用密文实现指纹匹配的系统。通过上述方法和系统实现了指纹的密文匹配，采用密文进行匹配，避免了指纹泄露带来的信息泄露风险。

Description

一种采用密文实现指纹匹配的方法和系统
技术领域
本发明涉及指纹匹配技术领域，尤其涉及一种采用密文实现指纹匹配的方法和系统。
背景技术
传统的指纹匹配方法是将生物指纹特征提取之后，加密存储在服务器端或者客户端中，在需要进行指纹匹配时，将模板(存储用户指纹特征信息的样本)密文解密，然后进行明文匹配，模板或者待匹配指纹都会因为服务器或者客户端的不安全而导致指纹信息的泄露，而指纹信息是人们非常重要且唯一的个人信息，一旦泄露，将造成非常严重的后果。
如为了保证指纹信息在传输过程中的安全，专利申请CN201210317946.1公开了一种安全的指纹数据无线传输方法，它包括：建立无线通信链路；指纹数据加密传输，它包括：利用通用加密算法对原始指纹数据包进行加密，得到密文；对密文进行异或逻辑运算；对异或逻辑运算后的密文进行移位运算，得到指纹加密数据；接收方解密密文，它包括：对指纹加密数据进行移位；对移位后的指纹加密数据进行异或；利用通用解密算法进行解密，得到指纹数据明文。本发明的指纹数据无线传输模块与服务器之间通过双向验证，可有效防止指纹数据被非法服务器或指纹数据无线传输模块窃取；对标准加密算法得到的密文进行移位、异或和地址变换等逻辑运算，进一步增加了加密密钥破解的难度，保障了指纹数据无线传输的安全性。
上述的方法虽然在传输过程中传输的是密文，但在匹配的时候采用的仍然是明文匹配，现有的指纹认证技术均是进行指纹特征采集之后需要对特征进行相应的计算，继而确定认证结果，由于加密后的数据无法进行计算，因此目前市场上广泛使用的指纹认证技术均是采用明文进行匹配，故还是难以避免指纹信息的泄露。
发明内容
针对现有技术中的指纹匹配采用明文进行匹配，存在容易泄露指纹信息的技术问题，本发明公开了一种采用密文实现指纹匹配的方法和系统。
本发明公开了一种采用密文实现指纹匹配的方法，其具体包括以下的步骤：将用户输入的指纹加密成密文，继而通过部分同态算法密文计算其与指纹模板密文之间的不同，再将其计算结果解密后进行指纹匹配是否成功的判断。
更进一步地，上述的采用密文实现指纹匹配的方法，其具体包括以下的步骤：步骤一、采集用户指纹的模板信息，获得模板信息的指纹码z＝(a0,a1,…,an-1),ai∈{0,1}，模板信息指纹码的汉明重量为W(z)；步骤二、将指纹码z编码成多项式z′＝a0+a1x+…+an-1xn-1,ai∈{0,1}，使用部分同态算法加密模板指纹码得到指纹模板密文E(z′)，加密汉明重量W(z)得到汉明重量密文E(W(z))；步骤三、输入待匹配的用户指纹，获得待匹配指纹码为z1＝(b0,b1,…,bn-1),bi∈{0,1}，其汉明重量为W(z1)；步骤四、将指纹码z1编码成多项式
z′1＝b0xn+b1xn-1+…+bn-1x,bi∈{0,1}，使用部分同态算法加密待匹配指纹码得到待匹配指纹的密文E(z′1)，加密汉明重量W(z1)得到汉明重量密文E(W(z1))；步骤五、计算密文E(z3)＝E(W(z))+E(W(z1))-E(z′)·E(z′1)，其中E(z)·E(z′1)解密得到
z·z′1＝(a0b0+a1b1+…+an-1bn-1)xn+…，y＝a0b0+a1b1+…+an-1bn-1，y是z和z1中0和1不同的个数；步骤六、解密E(z3)可得W(z)+W(z1)-2y，便获得采集指纹码z和输入指纹码z1的相同位置不同0或者1的个数；步骤七：根据步骤六的计算结果以及门限设定值判定是否认证通过；
上述部分同态加密算法是指可以同时支持有限次密文加法和乘法的加密算法。
更进一步地，上述方法还包括，在数据交互过程中，信息传送的格式均为E(str||time||H(str||time)||S(H))，其中str是传输的主要内容，其包括需要进行操作的标识符id、操作用户的姓名user、用户指纹码以及汉明重量；time是时间，H()代表杂凑，S()表示签名。
更进一步地，用户的加密公私钥、签名公私钥由证书中心颁发或者由用户根据需求通过软件自行生成。
本发明还公开了一种采用密文实现指纹匹配的系统，具体包括用户U、认证客户端C以及认证服务端S，所述用户U用于提供指纹模板以及待匹配的指纹，所述客户端C用于用户模板指纹以及待匹配指纹的采集，并将用户的指纹加密成密文；所述认证服务端S用于通过部分同态算法密文计算其与模板之间的不同，再将其计算结果解密进行指纹匹配是否成功的判断。
更进一步地，上述认证客户端C包括加密单元，所述加密单元用于获得模板指纹和输入指纹的指纹码以及指纹码的汉明重量，并将指纹码及汉明重量使用部分同态算法加密并发送给认证服务端S；所述认证服务端S计算密文E(z3)＝E(W(z))+E(W(z1))-E(z′)·E(z′1)，其中E(W(z))为模板指纹的汉明重量密文，E(W(z1))为待匹配指纹的汉明重量密文，E(z′)为使用部分同态算法加密模板指纹码得到指纹模板密文，E(z′1)为使用部分同态算法加密待匹配指纹码得到待匹配指纹的密文；所述认证服务端S用于将E(z′)·E(z′1)解密得到
z·z′1＝(a0b0+a1b1+…+an-1bn-1)xn+…，y＝a0b0+a1b1+…+an-1bn-1，y是z和z1中0和1不同的个数；解密E(z3)可得W(z)+W(z1)-2y，便获得采集指纹码z和输入指纹码z1的相同位置不同0或者1的个数；证服务端S根据计算结果以及门限设定值判定是否认证通过；上述部分同态加密算法是指可以同时支持有限次密文加法和乘法的加密算法。
更进一步地，用户U自己产生加密公私钥或者由证书中心颁发，并将其存储在认证客户端C中，用户U通过认证客户端C进行初始化，并完成指纹采集。
更进一步地，在认证客户端C和认证服务端S之间的数据交互过程中，信息传送的格式均为E(str||time||H(str||time)||S(H))，其中str是传输的主要内容，其包括需要进行操作的标识符id、操作用户的姓名user、用户指纹码以及汉明重量；time是时间，H()代表杂凑，S()表示签名。
通过采用以上的技术方案，本发明的有益效果为：(1)密文匹配认证速度较快，由于进行密文匹配保证了用户指纹数据的隐私安全，虽然认证速度有所降低，但整个认证过程经测试可在1s内完成，能够达到实用化需求；(2)认证准确率较高：错误接受率和错误拒绝率可达到1％和7％；(3)采用密文匹配降低了用户指纹信息的泄露风险，保证了用户指纹信息的安全性。
附图说明
图1为密文指纹模板采集流程示意图。
图2为密文指纹匹配流程示意图。
图3为定义出的数据交互过程中的信息传输格式。
具体实施方式
下面结合说明书附图，详细说明本发明的具体实施方式。
为了便于理解，进行以下的说明
本发明中的部分同态加密算法是指可以同时支持有限次密文加法和乘法的加密算法。在本发明中使用的部分同态算法如下：
参数选取：
n维数，是2的次方；
循环多项式f(x)＝xn+1；
模数q是一个素数，并且满足q≡1(mod2n)；
错误分布参数δ，该参数定义了标准差是δ的离散高斯错误分布
素数t<q，主要定义了明文空间是Rt＝Zt[x]/<f(x)>；
D>0定义了同态正确进行乘法运算的边界。
下述过程中s,sk,a1,e,c0,c1均是在算法执行过程中产生的一维向量，算法执行过程中相应的参数均如上参数选取所示。
密钥生成：选取一个环上的元素s←χ，定义sk＝s。均匀随机抽取环上元素a1←Rq和一个错误分量e←χ，计算公钥为pk＝(a0＝-(a1s+te),a1)。
加密算法：该算法的明文空间是Rt，因此加密的消息是一个系数在Zt范围内的n阶 多项式。给定公钥pk＝(a0,a1)和一个消息m∈Rq，抽样u,f,g←χ，计算密文ct＝(c0,c1)＝ (a0u+tg+m,a1u+tf)，解密算法：计算
本发明公开了一种采用密文实现指纹匹配的方法，其具体包括以下的步骤：步骤一、采集用户指纹的模板信息，通过指纹提取算法获得模板信息的指纹码z＝(a0,a1,…,an-1),ai∈{0,1}，模板信息指纹码的汉明重量为W(z)；步骤二、将指纹码z编码成多项式
z′＝a0+a1x+…+an-1xn-1,ai∈{0,1}，使用部分同态算法加密模板指纹码得到指纹模板密文E(z′)，加密汉明重量W(z)得到汉明重量密文E(W(z))，存储E(z′)和E(W(z))；步骤三、输入待匹配的用户指纹，通过指纹提取算法获得待匹配指纹码为z1＝(b0,b1,…,bn-1),bi∈{0,1}，其汉明重量为W(z1)；步骤四、将指纹码z1编码成多项式
z′1＝b0xn+b1xn-1+…+bn-1x,bi∈{0,1}，使用部分同态算法加密待匹配指纹码得到待匹配指纹的密文E(z′1)，加密汉明重量W(z1)得到汉明重量密文E(W(z1))，存储E(z′1)和E(W(z1))；步骤五、计算密文E(z3)＝E(W(z))+E(W(z1))-E(z)·E(z′1)，其中E(z)·E(z′1)解密得到
z·z′1＝(a0b0+a1b1+…+an-1bn-1)xn+…，y＝a0b0+a1b1+…+an-1bn-1，y是z和z1中0和1不同的个数；步骤六、解密E(z3)可得W(z)+W(z1)-2y，便获得采集指纹码z和输入指纹码z1的相同位置不同0或者1的个数；步骤七：根据步骤六的计算结果以及门限设定值判定是否认证通过；
上述部分同态加密算法是指可以同时支持有限次密文加法和乘法的加密算法。
本发明中的密文指纹匹配方法主要思路是：将用户输入的指纹通过指纹提取算法转换为比特串，然后将比特串加密成密文，继而通过部分同态密文计算其与模板之间0和1不同的个数，计算获得的结果也是密文的，再将其解密进行指纹匹配，如果小于设定域值，则说明匹配通过，否则匹配不通过。匹配过程中采用的是密文匹配，因此即使密文的指纹信息泄露，但私钥未被泄露，也能保证指纹信息的安全。
本发明中参与的实体如下
证书中心(CA)：为每个用户颁发加密公私钥，签名公私钥(用户也可以根据需求通过软件自行生成公私钥)。因此优选地，上述方法还包括用户的加密公私钥、签名公私钥由证书中心颁发或者由用户根据需求通过软件自行生成。
认证服务端(S)：采集并存储用户指纹密文模板，进行密文匹配。
认证客户端(C)：采集用户指纹加密发送给认证服务端，解密认证服务端返回的密文结果，判断用户是否认证通过，拥有一对指纹加解密公私钥。
密文指纹模板采集协议为：用户自己产生加密公私钥或者由证书中心颁发，并将其存储在认证客户端中，用户通过认证客户端进行初始化，并完成指纹采集。
其数据交互协议详细包括以下的步骤：第一步：用户U输入指纹信息；第二步：客户端C采集用户的指纹信息，并对信息进行处理，获得用户的指纹码z(比如640bit长度的0,1字符串)，计算指纹码的汉明重量W(z)，将指纹码和汉明重量加密为Epk(z)，Epk(W(z))，将密文发送给服务端；第三步：服务器S存储信息作为用户的指纹模板，其中，W(z)表示字符串的汉明重量。
优选地，上述方法还包括，在数据交互过程中，信息传送的格式均为E(str||time||H(str||time)||S(H))，其中str是传输的主要内容，其包括需要进行操作的标识符id、操作用户的姓名user、用户指纹码以及汉明重量；time是时间，H()代表杂凑，S()表示签名。通过时间time和签名值S(H)的引入可以防止中间人攻击以及重放攻击等。
密文指纹匹配协议为：用户输入指纹，通过认证客户端将指纹加密，然后发送给认证服务器，认证服务器直接通过密文进行指纹匹配，并将结果返回给认证客户端，认证客户端解密获得匹配结果，并对用户是否通过认证进行判断。同样地，信息传送格式均为E(str||time||H(str||time)||S(H))。
密文指纹匹配协议详细包括以下的步骤：第一步：用户U输入指纹信息；第二步：客户端C采集用户的指纹信息，并对信息进行处理，获得用户的指纹码z1(比如640bit长度的0,1字符串)，计算指纹码的汉明重量W(z1)，将指纹码和汉明重量加密为Epk(z1)，Epk(W(z1))，将密文发送给服务端；第三步：服务端S提取该用户的模板信息Epk(z)，Epk(W(z))，通过部分同态算法的同态性质计算得到指纹模板中的不同的字符串数目是
Epk(z3)＝Epk(W(z))+Epk(W(z1))-Epk(z1)×Epk(z)，将结果返回给客户端；第四步：客户端C使用用户的私钥解密Epk(z3)，获得的z3便是两个模板中不同比特数目，客户端根据门限值进行比较，判断用户认证是否通过。
在上述的两个协议中，主要对协议交互过程中的主要交互内容进行了简单的描述，为了保护数据流转的安全性和可靠性，在整个数据的交互过程都必须进行加密和签名，主要体现在信息传送格式均为E(str||time||H(str||time)||S(H))，根据传送内容定义传送简要数据格式如图3所示，其中id主要指需要进行操作的标识符；user表示操作用户的姓名，用以提取模板；E(z)和E(w)代表用户指纹码及指纹码的汉明重量的密文；id，file，E(z)和E(w)共同构成了传输的主要内容str；H代表杂凑值，主要是计算str和time的串联值；签名对H进行签名。最后传输的内容是对整个字符串采用传输对方的公钥进行加密传输。其具体实现中可能根据采用算法和应用环境的不同对协议的数据格式产生影响，此处简单描述协议的数据格式。
密钥管理中心或者用户在接收到信息之后，首先使用自己的通信传输私钥对信息解密获得明文内容，然后通过杂凑值H验证数据传输工程中的完整性，通过signature验证数据的来源是否准确，通过time验证数据是否有效，继而根据操作标识对信息进行操作。
本发明还公开了一种采用密文实现指纹匹配的系统，其具体包括用户U，客户端C以及服务器端S，用户U用于提供指纹模板以及待匹配的指纹，所述客户端C用于用户模板指纹以及待匹配指纹的采集，并将用户的指纹加密成密文；所述认证服务端S用于通过部分同态算法密文计算其与模板之间的不同，再将其计算结果解密进行指纹匹配是否成功的判断。
上述的实施例中所给出的系数和参数，是提供给本领域的技术人员来实现或使用发明的，发明并不限定仅取前述公开的数值，在不脱离发明的思想的情况下，本领域的技术人员可以对上述实施例作出种种修改或调整，因而发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。

Claims (6)

1.一种采用密文实现指纹匹配的方法，其具体包括以下的步骤：将用户输入的指纹加密成密文，继而通过部分同态算法密文计算其与指纹模板密文之间的不同，再将其计算结果解密后进行指纹匹配是否成功的判断，其具体包括以下的步骤：步骤一、采集用户指纹的模板信息，获得模板信息的指纹码z＝(a0,a1,…,an-1),ai∈{0,1}，n是指纹编码多项式的维数，模板信息的指纹码的汉明重量为W(z)；步骤二、将指纹码z编码成多项式z′＝a0+a1x+…+an-1xn-1,ai∈{0,1}，使用部分同态算法加密模板信息的指纹码得到指纹模板密文E(z′)，加密汉明重量W(z)得到汉明重量密文E(W(z))；步骤三、输入待匹配的用户指纹，获得待匹配指纹码为z1＝(b0,b1,…,bn-1),bi∈{0,1}，其汉明重量为W(z1)；步骤四、将指纹码z1编码成多项式z′1＝b0xn+b1xn-1+…+bn-1x,bi∈{0,1}，使用部分同态算法加密待匹配指纹码得到待匹配指纹的密文E(z′1)，加密汉明重量W(z1)得到汉明重量密文E(W(z1))；步骤五、计算密文E(z3)＝E(W(z))+E(W(z1))-E(z′)·E(z′1)；步骤六、解密E(z3)可得W(z)+W(z1)-2y，y是z和z1中0和1不同的个数，便获得采集指纹码z和输入指纹码z1的相同位置不同0或者1的个数；步骤七：根据步骤六的计算结果以及门限设定值判定是否认证通过；
上述部分同态加密算法是指可以同时支持有限次密文加法和乘法的加密算法。
2.如权利要求1所述的采用密文实现指纹匹配的方法，其特征在于所述方法还包括，在数据交互过程中，信息传送的格式均为E(str||time||H(str||time)||S(H))，其中str是传输的主要内容，其包括需要进行操作的标识符id、操作用户的姓名user、用户指纹码以及汉明重量；time是时间，H()代表杂凑，S()表示签名。
3.如权利要求1所述的采用密文实现指纹匹配的方法，其特征在于用户的加密公私钥、签名公私钥由证书中心颁发或者由用户根据需求通过软件自行生成。
4.一种采用密文实现指纹匹配的系统，，其特征在于具体包括用户U、认证客户端C以及认证服务端S，所述用户U用于提供指纹模板以及待匹配的指纹，所述客户端C用于用户模板指纹以及待匹配指纹的采集，并将用户的指纹加密成密文；所述认证服务端S用于通过部分同态算法密文计算其与模板之间的不同，再将其计算结果解密进行指纹匹配是否成功的判断，所述认证客户端C包括加密单元，所述加密单元用于获得模板指纹和输入指纹的指纹码以及指纹码的汉明重量，并将指纹码及汉明重量使用部分同态算法加密并发送给认证服务端S；所述认证服务端S计算密文E(z3)＝E(W(z))+E(W(z1))-E(z′)·E(z′1)，其中E(W(z))为模板指纹的汉明重量密文，E(W(z1))为待匹配指纹的汉明重量密文，E(z′)为使用部分同态算法加密模板指纹码得到指纹模板密文，E(z′1)为使用部分同态算法加密待匹配指纹码得到待匹配指纹的密文；所述认证服务端S用于将E(z′)·E(z′1)解密得到z·z′1＝(a0b0+a1b1+…+an-1bn-1)xn+…，y＝a0b0+a1b1+…+an-1bn-1，n是指纹编码多项式的维数，y是z和z1中0和1不同的个数；解密E(z3)可得W(z)+W(z1)-2y，便获得采集指纹码z和输入指纹码z1的相同位置不同0或者1的个数；认证服务端S根据计算结果以及门限设定值判定是否认证通过；上述部分同态加密算法是指可以同时支持有限次密文加法和乘法的加密算法。
5.如权利要求4所述的采用密文实现指纹匹配的系统，其特征在于用户U自己产生加密公私钥或者由证书中心颁发，并将其存储在认证客户端C中，用户U通过认证客户端C进行初始化，并完成指纹采集。
6.如权利要求4所述的采用密文实现指纹匹配的系统，其特征在于在认证客户端C和认证服务端S之间的数据交互过程中，信息传送的格式均为E(str||time||H(str||time)||S(H))，其中str是传输的主要内容，其包括需要进行操作的标识符id、操作用户的姓名user、用户指纹码以及汉明重量；time是时间，H()代表杂凑，S()表示签名。
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基于Fingercode和同态加密的指纹认证方案;贺康等;《计算机工程与应用》;20131215;第49卷(第24期);79页第2栏，12-15行；80页第1栏，8-23行
基于同态加密的生物认证研究;瞿遥，应艳丽;《信息与电脑(理论版)》;20150623;148页17-25行，149页14-16行

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