CN105553649A - 用于产生秘密密钥的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于产生秘密密钥的方法和装置。本发明涉及一种用于产生秘密密钥的方法，其具有如下特征：经由通信信道（13）与第二节点（12）连接的第一节点（11）在预先给定的时间窗之内测量传输信道（13）的物理信道参数的序列，为多个预先给定的码字确定每个码字到所述序列的距离，在所述码字中选择具有到所述序列的最小距离的码字，并且与第二节点（12）经由传输信道（13）对被分配给所选择的码字的位序列进行匹配。本发明此外涉及被设立用于执行这样的方法的装置、相应的计算机程序以及具有这样的计算机程序的机器可读存储介质。

Description

用于产生秘密密钥的方法和装置

技术领域

本发明涉及根据权利要求1的前序部分的方法。本发明此外涉及被设立用于执行这样的方法的装置、相应的计算机程序以及具有这样的程序的机器可读存储介质。

背景技术

对称密码系统是一种如下的密码系统：在该密码系统中，与非对称密码系统不同，所有有关的（合法的）用户都使用相同的密钥。将同一密钥用于加密和解密数据、计算和检验消息认证码等等引起，在每次加密的交换以前，首先必须分配密钥本身。但是由于整个方法的安全性依赖于对密钥的保密，因此常规方案大多规定经由安全信道的密钥交换。这尤其是可以通过手动地将密钥引入相应用户中而发生，例如通过输入口令，然后可以从该口令中导出实际密钥。

而经由不安全信道的密钥交换对于本领域技术人员而言仍然是一个在密码学中作为“密码分配问题”已知的挑战。现有技术为该问题的解决方案提供诸如已知的Diffie-Hellman密钥交换或所谓的混合加密方法的方案，这些方案使得能够通过包括非对称协议来进行对称密钥的交换。

但是在最近的过去越来越多地讨论将密钥建立的问题从OSI参考模型的应用层转移到其位传输层（物理层，PHY）的密码系统。这样的方案譬如应用于信息物理系统的还是新近的专业领域，所述信息物理系统的特点是主要利用无线的以及因此固有地不安全的通信信道。

相应的方法规定：参与方中的每方都从将其连接的信道的物理特性中导出密钥，使得这样生成的密钥一致，而不需要传送密钥的具体部分。US 7942324 B1示例性地公开了一种这样的方法。

这样的方法的弱点在于其易受噪声效应、干扰和其它局部干扰的影响。在参与节点一方的测量时间或测量频率的偏差有时也损害信道的互易性。这样的不可衡量性可能使得需要对双方生成的密钥进行花费大的匹配。

发明内容

 本发明的出发点是根据独立权利要求的方法、被设立用于执行这样的方法的装置、相应的计算机程序以及机器可读存储介质。

该解决方案的优越性在于鲁棒地生成用于密钥产生的初始位串，因为不仅仅量化所观察的物理特性的唯一的测量值，而是量化这样的测量值的完整序列。借助于该方案，尤其是可以减小譬如由于噪声峰值或临时高的干扰造成的个别偏差的影响。

本发明的另外的有利的构型在从属权利要求中予以说明。这样，第二节点也可以在时间窗之内测量物理信道参数的序列，针对该序列确定该序列基于合适的度量到确定码书的每个码字的距离，并且在所述码字中选择具有到该序列的最小距离的码字。由第一和第二节点确定的初始位序列的匹配然后共同地由两个节点进行。参与的节点的这种镜像的协同作用允许根据共同的功能性来构成两个节点，这决定性地降低相应装置的单位成本。

此外，第一节点和第二节点可以分别存储一致的码书，该码书包括码字并且给每个码字分配要用于密钥匹配的初始位序列。以这种方式，例如由于信道的不足的可变性而由几乎相同的信道参数组成的序列仅可以量化为一个或少量位，而具有许多不同信道参数的序列被量化为更大数目的位。这尤其是通过如下方式变得可能：不同码字不一定总是必须被分配给相同数目的位。更确切而言，每码字的位的数目可以根据码字的出现概率或选择概率来规定。因此，实际上存在如下可能性：将一种信源编码集成到该过程中，以便提高或最大化每个所产生的初始位串的有效熵。

此外，该距离可以借助于很多合适的距离度量来确定。尤其是可以考虑欧几里得距离、预先给定的阶数的明可夫斯基距离、弦距离（Sehnendistanz）或者切比雪夫距离。以这种方式可以进一步减小在参与的节点处初始位序列不相等的概率。

除了已经提到的几点以外，但是所描述的方法尤其是也使得能够使初始密钥产生动态地与占优势的环境条件和边界条件相适配。这不仅包括自适应地优化所产生的初始位串，而且也可以一并考虑到例如可用的计算和存储资源或能量预算之类的方面。根据这些角度，第一节点和第二节点譬如可以在确定距离以前在多个一致地存储在两个节点上的码书中选择相同的码书。

附图说明

本发明的实施例在附图中予以示出并且在下面予以进一步阐述。

图1示出经由共同的传输信道连接的两个节点的所观察的布置。

图2图解物理信道参数序列的量化。

具体实施方式

图1说明本发明所基于的装置10。在此，第一节点11以及第二节点12经由传输信道13通信并且基于该传输信道13的合适特性生成对称密码密钥。在此，传输信道13既可以是无线的、有线的、又可以是光学性质的，其中在本发明的一种有利的实现形式中，专门观察无线的传输信道13。

根据本发明的基本方法一般来说被细分为多个步骤，所述步骤中的第一步骤现在根据图2的时间变化曲线予以阐述。该步骤用于凭借合适的测量方法来估计传输信道13的物理信道参数21。作为信道参数21原则上可以考虑完整系列的参量，诸如所谓的“接收信号强度指示器（Received Signal Strength Indicators）”（RSSI值）或者传输信道13的当前信道系数的幅度或相位。该估计例如可以借助于合适的导频信号进行，第一节点11或第二节点12将所述导频信号借助于传输信道13传输到分别另一节点。

具体而言，第一节点11和第二节点12在预先给定的时间窗22之内分别测量所观察的信道参数21的序列23、24、25、26、27，其中两个测量之间的时间间隔可以是恒定的或者可以变化。概括地表达，第一节点11因此获得估计信道参数的长度为N的序列 ，并且第二节点12获得相应的序列。 由于第一节点11和第二节点12为量化施加一致的判定阈值28，因此在该上下文中重要的是，对于i =1,…,N，第一节点11的第i个信道参数一般而言与第二节点12的第i个信道参数具有高相关性。这例如可以通过如下方式来保证：第一节点11和第二节点12非常快速地（尤其是在比传输信道13的相干时间更短的时间内）相继估计第i个信道参数，或者该估计甚至同时地、但在稍微不同的频率范围中被执行，其中于是两个频率范围的间隔应当小于传输信道13的相干带宽。

在第二方法步骤中，第一节点11确定由其估计的序列与已知码书C的每个条目之间的距离，所述码书C具有总共M个码字 。在此，该距离可以以不同方式来确定。具体的示例包括欧几里得距离、阶数p的明可夫斯基距离、弦距离（“chordal distance”）、以及切比雪夫距离。但是一般来说为此也可以使用任何其它距离函数。

第二节点12首先独立于第一节点11执行恰好相同的操作，并且在此使用相同码书和相同距离函数。

在第三方法步骤中，第一节点11和第二节点12彼此独立地确定如下码字或，所述码字或（根据所使用的距离度量）具有到其相应信道参数序列或的最小的距离：

以及

如果应当存在具有恰恰相同的距离的多个码字，则随机地选择其中之一。

从码书给每个码字分配某个位序列这一先决条件出发，第一节点11和第二节点12为由它们确定的码字和确定该位序列，并且这些位序列然后是第一节点11和第二节点12的实际初始位序列的基础。在最简单的情况下，所述位序列简单地直接作为初始位序列被接受。这些位序列的长度可以对每个码字而言是相等或不同的。

最后，所述初始位序列在第一节点11与第二节点12之间被匹配，并且可选地被进一步调整。用于这些最后的方法步骤的合适方案是本领域技术人员充分已知的。为此，存在多种通常称为“信息协调（Information Reconciliation）”方法的方案。例如，可以借助于纠错码以及合适的通信协议进行该匹配。

基于该基本方法，可以设想完整系列的进一步的优化或替代方案，而不偏离本发明的范围。这样，第一节点11和第二节点12可以多次重复信道参数21的测量、距离的确定以及码字的选择。在这样的修改方案中，第一节点11和第二节点12因此不是在唯一的步骤中确定其初始位序列，而是观察所测量的信道参数21的同样多个序列（上面被称为和），其中被分配给分别所选择的码字的位序列在匹配以前被相互关联。合适的关联例如可以是子序列的简单级联，但是也可以是逻辑关联，例如借助于XOR函数。

码书C优选地动态地与分别占优势的环境条件或边界条件相匹配。这样，第一节点11或第二节点12例如可以通知分别另一节点：下面应当使用哪个码书。这可以进行，使得存在一系列预先定义的码书，并且然后仅还用信号通知：应利用这些码书中的哪个。替代于此地，可以详细地用信号通知要使用的码书的组成（即包括所分配的位序列在内的所有码字）。合适码书的选择例如可以根据所观察的信道参数21的统计量进行。这样，例如可以针对具有强视线分量或没有视线分量的场景存在不同地优化的码书。此外，不同码书也可以是不同大小的。针对资源极端受限的设备，于是例如可以与针对更高性能的设备相比选择更小的码书。

在一个替代的构型中，第一节点11或第二节点12首先观察多个距离度量，并且为所观察的度量中的每个确定到要使用的码书中的所有码字的距离。然后，选择一个距离度量并且用信号通知另一通信用户：应当使用哪个度量。该通信用户然后接受另一用户的选择。这可以是有利的，因为对于确定的信道参数序列和码书而言，确定的距离度量与其它距离度量相比可以是更加合适的，但是这总是依赖于和。

作为对最后所提到的变型方案的扩展，第一节点11或第二节点12也可以将包括所确定的到来自的码字的最小距离在内的潜在距离度量的列表用信号通知另一节点，其中对于不同度量，不同码字可能是最优的。该另一节点然后同样可以观察多个距离度量，并且为此确定到来自的码字的最小距离，并且然后基于其结果以及从另一用户获得列表确定：哪个距离度量总体上最优。该度量然后又被用信号通知给另一用户并且随后被使用。

Claims (10)

1. 用于产生秘密密钥的方法，其特征在于如下特征：

-经由传输信道（13）与第二节点（12）连接的第一节点（11）在预先给定的时间窗（22）之内测量所述传输信道（13）的物理信道参数（21）的序列（23，24，25，26，27），

-所述第一节点（11）为多个预先给定的码字确定每个码字到所述序列（23，24，25，26，27）的距离，

-所述第一节点（11）在所述码字中选择具有到所述序列（23，24，25，26，27）的最小距离的码字，以及

-所述第一节点（11）与所述第二节点（12）经由所述传输信道（13）对被分配给所选择的码字的位序列进行匹配。

2. 根据权利要求1所述的方法，

其特征在于如下特征：

-所述第二节点（12）也在所述时间窗（22）之内测量所述物理信道参数（21）的序列（23，24，25，26，27），

-所述第二节点（12）也为所述码字确定每个码字到所述序列（23，24，25，26，27）的距离，

-所述第二节点（12）也在所述码字中选择具有到所述序列（23，24，25，26，27）的最小距离的码字，以及

-对所述位序列的匹配共同地由所述第一节点（11）和所述第二节点（12）进行。

3. 根据权利要求2所述的方法，

其特征在于如下特征：

-所述第一节点（11）和所述第二节点（12）分别存储一致的码书，以及

-所述码书包括所述码字并且给每个码字分配所述位序列。

4. 根据权利要求3所述的方法，

其特征在于如下特征：

-所述第一节点（11）和所述第二节点（12）一致地分别存储多个码书，以及

-所述第一节点（11）和所述第二节点（12）在确定所述距离以前在所述码书中选择相同的码书。

5. 根据权利要求1至4之一所述的方法，

其特征在于，所述距离借助于下列距离度量中的至少一个确定：

-欧几里得距离，

-预先给定的阶数的明可夫斯基距离，

-弦距离，或者

-切比雪夫距离。

6. 根据权利要求5所述的方法，

其特征在于如下特征：

-借助于多个距离度量确定每个码字的距离，

-针对每个距离度量选择具有最小距离的码字，以及

-在所述距离度量中选择如下距离度量，针对该距离度量，所选择的码字具有最小距离。

7. 根据权利要求1至6之一所述的方法，

其特征在于如下特征：

-多次重复所述信道参数（21）的测量、所述距离的确定、以及所述码字的选择，以及

-在匹配以前将被分配给分别所选择的码字的位序列相互关联。

8. 尤其是用于执行根据权利要求1至7之一所述的方法的装置，

其特征在于如下特征：

-用于在预先给定的时间窗（22）之内测量传输信道（13）的物理信道参数（21）的序列（23，24，25，26，27）的装置，

-用于为多个预先给定的码字确定每个码字到所述序列（23，24，25，26，27）的距离的装置，

-用于在所述码字中选择具有到所述序列（23，24，25，26，27）的最小距离的码字的装置，以及

-用于与第二节点（12）经由所述传输信道（13）对被分配给所选择的码字的位序列进行匹配的装置。

9. 计算机程序，其被设立用于执行根据权利要求1至7之一所述的方法的所有步骤。

10. 机器可读存储介质，其具有存储在其上的根据权利要求9所述的计算机程序。