CN107070948A - 云存储中基于混合加密算法的签名与验证方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种云存储中基于混合加密算法的签名与验证方法，对于发送方A，用户密码M经过加盐后得到新密码M1，通过哈希运算得到散列值H(M1)，利用发送方A的私钥KPRA经过SM2签名后，再经过AES的密钥K对M1和散列值D(H)进行加密，得到密文C，并再次用SM2算法，用接收方B的公钥KPUB对AES的密钥K加密形成Ck，发送方A将密文C和Ck一起发送给接收方B。接收方B采用与之相应的算法进行解密和验证签名。在用户密码加盐的基础上，结合对称密码算法AES和公钥密码算法SM2的混合加密算法进行加密，并引用SM2签名算法，既保证AES加密算法的快速与高效性，又能发挥SM2加密算法的安全性的优势。

Description

云存储中基于混合加密算法的签名与验证方法
技术领域
本发明涉及云存储中的信息安全技术领域，具体涉及一种云存储中基于混合加密算法的签名与验证方法。
背景技术
加盐加密就是在密码中混入一段“随机”的字符串再进行哈希加密，这个字符串被称作盐值，这使得同一个密码每次都被加密为完全不同的字符串。为了校验密码是否正确，我们需要储存盐值。通常和密码哈希值(即散列值)一起存放在账户数据库中，或者直接存为哈希字符串的一部分。
盐值并不需要保密，由于随机化了哈希值，查表法、反向查表法和彩虹表都不再有效。攻击者无法确知盐值，于是就不能预先计算出一个查询表或者彩虹表。这样每个用户的密码都混入不同的盐值后再进行哈希，因此反向查表法也变得难以实施。
AES加密算法，即高级加密标准(Advanced Encryption Standard)，是用来替代原先的DES的新的标准，已经被多方分析且广为全世界所使用。经过五年的甄选流程，高级加密标准由美国国家标准与技术研究院(NIST)于2001年11月26日发布于FIPS PUB 197，并在2002年5月26日成为有效的标准。2006年，高级加密标准已然成为对称密钥加密中最流行的算法之一。
SM2是国家密码管理局于2010年12月17日发布的椭圆曲线公钥密码算法，SM2签名算法是基于SM2密码算法的签名算法。SM2算法和RSA算法都是公钥密码算法，SM2算法是一种更先进安全的算法，在我们国家商用密码体系中被用来替换RSA算法。随着密码技术和计算技术的发展，目前常用的1024位RSA算法面临严重的安全威胁，我们国家密码管理部门经过研究，决定采用SM2椭圆曲线算法替换RSA算法。
发明内容
本发明的目的在于针对云存储面临的安全性问题，提出了一种云存储中基于混合加密算法的签名与验证方法，包括以下步骤，
发送方A加密和签名的过程如下：
1)发送方A在对用户密码M加盐后生成新的密码M1；
2)使用哈希加密算法SHA-256计算得到新密码M1的散列值H(M1)；
3)采用SM2算法，利用发送方A的私钥KPRA对散列值H(M1)进行签名，得到签名的散列值D(H)；
4)采用AES算法，利用密钥K对新密码M1和散列值D(H)进行加密，得到密文C；
5)再次采用SM2算法，使用接收方B的公钥KPUB对AES的密钥K加密形成Ck，保障密钥K的安全性；
6)发送方A将密文C和Ck一起发送给接收方B。
接收方B解密和验证签名的过程如下:
1)接收方B收到C和Ck后，先用自己的私钥KPRB对Ck解密，得到AES密钥K；
2)接收方B在通过密钥K对密文C解密，得到加盐后的用户密码M1和散列值D(H)；
3)接收方B用A的公钥KPUA对D(H)进行数据签名验证，得到散列值H(M1)；
4)同时接收方B使用相同的SHA-256哈希函数得出新的散列值H(M1)’；
5)接收方B对比H(M1)和H(M1)’，若两者相同，说明签名是真实有效，数据是完整的，此时用户请求成功，否则用户请求失败。
该方法所述的加盐方法，通过伪随机数生成器产生随机字符串，将用户密码M和随机字符串混合后，形成用户密码和盐的组合作为新的密码M1，生成的M1有三种基本形式：盐连接在用户密码之前的位置，盐连接在用户密码之后的位置以及盐所包含的字符串随机插入用户密码中形成随机组合。
该方法所述的混合加密系统结合了AES算法运算速度快、对内存要求低、算法可靠、能够有效抵抗查分分析和现行分析攻击的优点；SM2算法能够提供最高比特强的公钥密码，用较短的密钥加密，得到较高安全级别密文的优势，能够有效解决大数据加密效率与算法安全性的矛盾。
该方法所述的签名与验证方法，利用公钥密码SM2的优势，分别对M1生成的散列值H(M1)和AES加密密钥K进行签名；针对H(M1)，是用发送方A的私钥KPRA进行SM2签名，后续再用发送方A的公钥KPUA进行SM2解密，还原出H(M1)；针对AES加密密钥K，用接收方B的纲要KPUB进行SM2签名，后续再用接收方B的私钥KPRB进行SM2解密，还原出AES密钥K。
附图说明
图1为混合加密算法的签名与验证流程图；
图2为加盐加密的原理图；
图3为AES的加密解密原理图；
图4为SM2的加密模型图；
图5为SM2加密的认证模型图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
一种云存储中基于混合加密算法的签名与验证方法，参照附图1，包括以下步骤，
发送方A加密和签名的过程如下：
1)发送方A在对用户密码M加盐后生成新的密码M1；
2)使用哈希加密算法SHA-256计算得到新密码M1的散列值H(M1)；
3)采用SM2算法，利用发送方A的私钥KPRA对散列值H(M1)进行签名，得到签名的散列值D(H)；
4)采用AES算法，利用密钥K对新密码M1和散列值D(H)进行加密，得到密文C；
5)再次采用SM2算法，使用接收方B的公钥KPUB对AES的密钥K加密形成Ck，保障密钥K的安全性；
6)发送方A将密文C和Ck一起发送给接收方B。
接收方B解密和验证签名的过程如下:
1)接收方B收到C和Ck后，先用自己的私钥KPRB对Ck解密，得到AES密钥K；
2)接收方B在通过密钥K对密文C解密，得到加盐后的用户密码M1和散列值D(H)；
3)接收方B用A的公钥KPUA对D(H)进行数据签名验证，得到散列值H(M1)；
4)同时接收方B使用相同的SHA-256哈希函数得出新的散列值H(M1)’；
5)接收方B对比H(M1)和H(M1)’，若两者相同，说明签名是真实有效，数据是完整的，此时用户请求成功，否则用户请求失败。
图2为加盐加密的原理图。通过伪随机数生成器随机生成一段字符串，即生成了盐，将盐与用户密码连接在一起，形成的新的字符串，有三种连接方式：盐连接在用户密码之前的位置，盐连接在用户密码之后的位置以及盐所包含的字符串随机插入用户密码中形成随机组合。
图3为AES的加密解密原理图。AES为对称密码算法，加密和解密采用的是相同的密钥，运算速度快、对内存要求低、算法可靠、能够有效抵抗查分分析和现行分析攻击。
公钥密码SM2算法能够提供最高比特强的公钥密码，用较短的密钥加密，得到较高安全级别密文的优势，能够有效解决大数据加密效率与算法安全性的矛盾；混合密码系统先用快速的对称密码AES算法来对消息进行加密，这样消息就转换成了密文，从而也就保证了消息的机密性，然后用公钥密码SM2算法对加密消息时使用的对称密码的密钥进行加密，由于对称密码的密钥一般比消息本身要短，所以公钥密码速度慢的问题就可以忽略了。
利用公钥密码SM2的优势，分别对M1生成的散列值H(M1)和AES加密密钥K进行签名；针对H(M1)，是用发送方A的私钥KPRA进行SM2签名，再用发送方A的公钥KPUA进行SM2解密，还原出H(M1)；针对AES加密密钥K，用接收方B的公钥KPUB进行SM2签名，再用接收方B的私钥KPRB进行SM2解密，还原出AES密钥K；其对应的SM2的加密和认证模型分别如附图4和附图5所示。
图4为SM2的加密模型图。SM2加密和解密时使用不同的密钥，即加密和解密功能分开。发送方A和接收方B各保存一对密钥——公钥和私钥，公钥是公开信息，不需要保密；在加密模型中，用接收者B的公钥作为加密密钥，用接收者的私钥作为解密密钥，即只有接收者B才能解密消息。
图5为SM2的认证模型图。在认证模型中，用发送者A自己的私钥作为加密密钥，用A的公钥作为解密密钥，即只有拥有私钥的发送者才能发送该消息，而其他人都可以用公钥来解读消息。
本发明提出了一种基于混合加密算法的签名与验证方法在云存储中的应用。云存储用户将他们的数据存放到云端，这些数据中可能就包括企业的商业机密、个人的隐私信息等重要机密数据，如果这些数据丢失、泄露或者被篡改，那么将给使用云存储的企业和个人带来不可估量的损失，由此带来一系列的安全问题。
本发明通过分析云存储面临的安全挑战，采取对用户密码加盐，并结合AES和国密SM2算法的混合密码算法进行签名与验证，既增强了云存储的安全性、完整性，又满足了云数据处理的高效性。
针对云存储的问题，本发明的创新点如下：
在用户密码加盐的基础上，可以增加用户密码的不可推测性，结合对称密码算法AES和公钥密码算法SM2的混合加密算法进行加密，并引用SM2签名算法，既能保证AES加密算法的快速与高效性，又能发挥SM2加密算法的安全性的优势。
上述实施例为本发明的一种实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种云存储中基于混合加密算法的签名与验证方法，其特征在于，包括以下步骤，
发送方A加密和签名的过程如下：
1)发送方A在对用户密码M加盐后生成新的密码M1；
2)使用哈希加密算法SHA-256计算得到新密码M1的散列值H(M1)；
3)采用SM2算法，利用发送方A的私钥KPRA对散列值H(M1)进行签名，得到签名的散列值D(H)；
4)采用AES算法，利用密钥K对新密码M1和散列值D(H)进行加密，得到密文C；
5)再次采用SM2算法，使用接收方B的公钥KPUB对AES的密钥K加密形成Ck，保障密钥K的安全性；
6)发送方A将密文C和Ck一起发送给接收方B；
接收方B解密和验证签名的过程如下:
1)接收方B收到C和Ck后，先用自己的私钥KPRB对Ck解密，得到AES密钥K；
2)接收方B在通过密钥K对密文C解密，得到加盐后的用户密码M1和散列值D(H)；
3)接收方B用A的公钥KPUA对D(H)进行数据签名验证，得到散列值H(M1)；
4)同时接收方B使用相同的SHA-256哈希函数得出新的散列值H(M1)’；
5)接收方B对比H(M1)和H(M1)’，若两者相同，说明签名是真实有效，数据是完整的，此时用户请求成功，否则用户请求失败。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的用户密码加盐方式是通过伪随机数生成器产生随机字符串，将用户密码M和随机字符串混合后，形成用户密码和盐的组合作为新的密码M1。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述生成新的密码M1有三种基本形式：盐连接在用户密码之前的位置，盐连接在用户密码之后的位置以及盐所包含的字符串随机插入用户密码中形成随机组合。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，用户密码加盐后利用哈希加密算法SHA-256计算散列值。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用公钥密码SM2的优势，分别对M1生成的散列值H(M1)和AES加密密钥K进行签名；针对H(M1)，是用发送方A的私钥KPRA进行SM2签名，再用发送方A的公钥KPUA进行SM2解密，还原出H(M1)；针对AES加密密钥K，用接收方B的公钥KPUB进行SM2签名，再用接收方B的私钥KPRB进行SM2解密，还原出AES密钥K。
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