CN108259185B - 一种群组通信中抗泄漏的群密钥协商系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种群组通信中抗泄漏的群密钥协商系统及方法，系统有n个用户，所有用户共享一个口令pw；系统具有抗连续事后泄漏安全模型，具体包括协议参与者、敌手、随机预言机；协议参与者是参与协议的联网设备；敌手是一个概率多项式时间算法，通过它来模拟网络中可能出现的各种攻击；随机预言机通过与敌手的通信来模拟敌手可能在网络中获取的信息。本发明首先系统初始化，然后每个协议参与者自主计算，接着每个协议参与者结合计算，最后每个协议参与者生成共同的会话密钥；本发明在抵抗泄漏攻击的情况下实现了群密钥协商，具有很高的实用性；提出了基于口令认证的高质量密钥协商协议，提高了方案的效率。

Description

一种群组通信中抗泄漏的群密钥协商系统及方法

技术领域

本发明属于信息安全技术领域，涉及一种群组通信中抗泄漏的群密钥协商系统及方法，特别涉及针对群组通信领域的特点、用户对安全性的需要、便捷高效的需求，通过结合抗泄露安全存储刷新算法、密钥生成技术的一种具有抗泄漏攻击能力的基于口令认证的群密钥协商系统及方法。

背景技术

随着网上协同工作、电视电话会议、网格计算、网络游戏、网上教学等业务的大量应用，公共网络上群组通信业务日益增长。这些应用中，群成员数可能达数十上百个。在这种群成员数较多的情况下，一个至关重要的问题是如何保证群成员间通信的安全性，而该问题的核心是群组成员间如何安全高效地进行密钥协商交换。

随着移动互联网和物联网的发展，信息的网络化数字化极大地促进了社会的发展并改善了人们的生活。如今，智能手机，物联网产品等智能设备已经融入到人们的生活中。人们在享受智能设备带来的舒适与便捷的同时各种网络攻击手段的不断涌现对数据安全构成了严重的威胁。移动智能终端或物联网智能终端在运行过程中会产生时间消耗、功率消耗或电磁辐射之类的信息泄漏，基于此，近年来出现了新的攻击手段----侧信道攻击，攻击者可能利用这些泄漏信息获取秘密信息。侧信道攻击(Side Channel Attack，SCA)是通过测量电子设备在运行过程中的时间消耗、功率消耗或电磁辐射之类的信息，并利用这些泄漏信息对密码系统或安全协议进行攻击的方法。这类新型攻击的有效性有时远高于密码分析，因为其不需要复杂的数学计算也不需要昂贵的特殊设备，因此给设备或系统安全带来了严重的威胁，对于侧信道攻击的防范也变得越来越重要。现在人们开始逐渐重视对侧信道攻击的研究，由此产生了大量的关于侧信道攻击及其对策的探讨。

目前，国内外研究者们针对于上述问题提出的解决方案有向前安全密码系统、密钥隔离、秘密共享、入侵回弹等，但这些方案都没有完备解决侧信道攻击的密钥泄漏问题；此外，侧信道的攻击手段与方式多种多样，传统的方法大多只能针对于特定现有类型的攻击加以防护，对于新的攻击手段只能采取事后的对策，因而构建在密钥存在宽泛定义的攻击出现有限泄露时系统与密钥依旧保持安全性的通用理论模型成为现代密码学解决泄漏问题的重要问题之一，研究并设计抗泄漏的密码方案具有很大的理论与现实意义。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种群组通信中抗泄漏的群密钥协商系统及方法。

本发明的系统所采用的技术方案是：一种群组通信中抗泄漏的群密钥协商系统，有n个用户，所有用户共享一个口令pw；其特征在于：所述系统具有抗连续事后泄漏安全模型，具体包括协议参与者、敌手、随机预言机；所述协议参与者是参与协议的联网设备；所述敌手是一个概率多项式时间算法，通过它来模拟网络中可能出现的各种攻击；所述随机预言机通过与敌手的通信来模拟敌手可能在网络中获取的信息。

本发明的方法所采用的技术方案是：一种群组通信中抗泄漏的群密钥协商方法，应用于群组通信中抗泄漏的群密钥协商系统中；所述方法包括以下步骤：

步骤1：系统初始化；

步骤2：每个协议参与者自主计算；

步骤3：每个协议参与者结合计算；

步骤4：每个协议参与者生成共同的会话密钥并刷新秘密信息。

作为优选，步骤1的具体实现包括以下子步骤：

步骤1.1：群中的每个成员生成共享密钥pw的哈希值s；

步骤1.2：群中的每个成员执行λ-DF-LRS抗泄漏安全存储方案。

作为优选，步骤2的具体实现包括以下子步骤：

步骤2.1：群中的每个成员在指定的集合中随机选择一个数，并根据该数生成参数A；

步骤2.2：根据步骤1.2中的一个参数生成参数B；

步骤2.3：将步骤2.1和2.2中生成的参数A和参数B通过广播发送给群内的其他成员。

作为优选，步骤3的具体实现包括以下子步骤：

步骤3.1：每个成员根据自己的相关参数和广播中接收的参数生成参数C；

步骤3.2：每个成员将参数C通过广播发送给其群内其他成员。

作为优选，步骤4的具体实现包括以下子步骤：

步骤4.1：每个成员计算参数A；

步骤4.2：每个成员计算参数B；

步骤4.3：利用参数A和参数B以及群成员的信息，生成群密钥。

步骤4.4：运行抗泄露安全存储刷新算法将秘密信息刷新，为下一次密钥协商做准备。

本发明方法与现有的技术相比有如下的优点和有益效果：

(1)本发明提出了一种更接近实际的系统模型，该系统模型考虑了泄漏攻击，这样的模型更符合实际生活中的群组通信。

(2)本发明在抵抗泄漏攻击的情况下实现了群密钥协商，具有很高的实用性。通过抗泄漏存储刷新方案使得模型可以在存在泄漏的情况下也能安全稳定的运行。

(3)本发明提出了基于口令认证的高质量密钥协商协议，使用方便，无需硬件支持。

附图说明

图1：本发明实例化的系统模型图；

图2：本发明实例化的方法流程图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实例化对本发明做进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

请见图1，本发明提供的一种群组通信中抗泄漏的群密钥协商系统，系统有n个用户，所有用户共享一个口令pw；系统具有抗连续事后泄漏安全模型，具体包括协议参与者、敌手、随机预言机；协议参与者是参与协议的联网设备；敌手是一个概率多项式时间算法，通过它来模拟网络中可能出现的各种攻击；随机预言机通过与敌手的通信来模拟敌手可能在网络中获取的信息。

请见图2，本发明提供的一种群组通信中抗泄漏的群密钥协商方法，具体包括以下步骤：

步骤1：系统初始化；

步骤1.1：每个参与者U₁,...,U_n,n＝poly(κ)(其中n代表协议参与者的个数，κ代表系统安全参数，poly(κ)代表一个关于κ的多项式,它的值是有限的，表示协议参与者个数有限)将共享口令pw通过执行哈希算法s＝H(pw)生成密钥s，(其中H代表哈希算法)。

步骤1.2：每个参与者执行λ-DF-LRS抗泄漏安全存储方案

随机选择

然后生成

(其中

代表模p的剩余类，p为素数，

代表λ-DF-LRS抗泄漏安全存储方案

的生成参数，它属于剩余类

)，则有

定义运算e:

其中符号Ω代表一个有限集合，

代表从一个集合中均匀的随机选取其中一个或多个值，s代表从集合中均匀的随机选取的一个值；

步骤2：每个协议参与者自主计算；

步骤2.1：每个协议的参与者U_i,i＝1,...,n选择一个随机数r_i∈_RZ_q，计算参数

(g代表群G的生成元，q代表素数，i代表群内的第i个协议的参与者)。

步骤2.2：每个协议的参与者U_i计算参数

(其中参数

代表系统初始化阶段(即步骤1.2)生成的参数

经过j次刷新后生成的参数，见步骤4.4。)

步骤2.3：每个协议的参与者U_i广播消息(U_i,z_i,t_i)。

步骤3：每个协议参与者结合计算；

步骤3.1：每个协议的参与者U_i,i＝1,...,n计算参数

(假设下标从1到n构成一个环，z_i+1和z_i-1代表协议参与者U_i在环中相邻的两个参与者U_i+1和U_i-1在步骤2.1中生成的参数，

代表系统初始化阶段(即步骤1.2)随机选择的

经过j次刷新后生成的参数，见步骤4.4。)

步骤3.2：每个协议的参与者U_i广播消息(X_i)。

步骤4：每个协议参与者生成共同的会话密钥并刷新秘密信息。

步骤4.1：每个协议的参与者U_i,i＝1,...,n计算参数

步骤4.2：计算参数

假设下标从1到n构成一个环，…代表省略的算式，省略部分算式下标的规律是从i-1到n然后从n到i-2的环。

步骤4.3：每个协议的参与者U_i计算会话密钥k_G＝KDF(U₁||...||U_n,Y_i,K_i)，(其中KDF代表密钥生成算法)会话密钥k_G生成。

步骤4.4：每个协议的参与者U_i运行抗泄露安全存储刷新算法

(其中

代表抗泄露安全存储刷新算法的输入参数，

代表刷新后的结果)将秘密信息刷新，为下一次密钥协商做准备。

本发明在泄漏环境中实现了群组通信密钥协商，它可以在泄漏环境中建立安全信道。在传统的群密钥协商方案中，都没有考虑泄漏攻击，一旦存在泄漏攻击，可能会给用户带来财产或者其他重要文件的损失。本方案通过对口令使用抗泄漏存储刷新技术，使敌手在获得泄漏信息的情况下，仍然能高效地进行群密钥协商。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求书所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种群组通信中抗泄漏的群密钥协商方法，采用群组通信中抗泄漏的群密钥协商系统；其特征在于：所述系统有n个用户，所有用户共享一个口令pw；所述系统具有抗连续事后泄漏安全模型，具体包括协议参与者、敌手、随机预言机；所述协议参与者是参与协议的联网设备；所述敌手是一个概率多项式时间算法，通过它来模拟网络中可能出现的各种攻击；所述随机预言机通过与敌手的通信来模拟敌手可能在网络中获取的信息；

所述方法包括以下步骤：

步骤1：系统初始化；

步骤1的具体实现包括以下子步骤：

步骤1.1：群中的每个协议参与者生成共享密钥pw的哈希值s；

步骤1.2：群中的每个协议参与者执行λ-DF-LRS抗泄漏安全存储方案；

步骤2：每个协议参与者自主计算；

步骤2的具体实现包括以下子步骤：

步骤2.1：群中的每个协议参与者在指定的集合中随机选择一个数，并根据该数生成参数A；

步骤2.2：根据步骤1.2中的一个参数生成参数B；

步骤2.3：将步骤2.1和2.2中生成的参数A和参数B通过广播发送给群内的其他协议参与者；

步骤3：每个协议参与者结合计算；

步骤3的具体实现包括以下子步骤：

步骤3.1：每个协议参与者根据自己的相关参数和广播中接收的参数生成参数C；

步骤3.2：每个协议参与者将参数C通过广播发送给其群内其他协议参与者；

步骤4：每个协议参与者生成共同的会话密钥并刷新秘密信息；

步骤4的具体实现包括以下子步骤：

步骤4.1：每个协议参与者计算参数A；

步骤4.2：每个协议参与者计算参数B；

步骤4.3：利用参数A和参数B以及群协议参与者的信息，生成群密钥；

步骤4.4：运行抗泄露安全存储刷新算法将秘密信息刷新，为下一次密钥协商做准备。

2.根据权利要求1所述的群组通信中抗泄漏的群密钥协商方法，其特征在于，步骤1的具体实现包括以下子步骤：

步骤1.1：每个参与者U₁,...,U_n,n＝poly(κ)，然后使用共享口令pw通过执行哈希算法s＝H(pw)生成密钥s；其中n代表协议参与者的个数，κ代表系统安全参数，poly(κ)代表一个关于κ的多项式，它的值是有限的，表示协议参与者个数有限；H代表哈希算法；

步骤1.2：每个参与者执行λ-DF-LRS抗泄漏安全存储方案

随机选择

然后生成

其中

代表模p的剩余类，p为素数，

代表λ-DF-LRS抗泄漏安全存储方案

的生成参数，它属于剩余类

定义运算

其中符号Ω代表一个有限集合，

代表从一个集合中均匀的随机选取其中一个或多个值，s代表从集合中均匀的随机选取的一个值。

3.根据权利要求2所述的群组通信中抗泄漏的群密钥协商方法，其特征在于，步骤2的具体实现包括以下子步骤：

步骤2.1：每个协议的参与者U_i选择一个随机数r_i∈_RZ_q，计算参数

其中，g代表群G的生成元，q代表素数，i代表群内的第i个协议的参与者；

步骤2.2：每个协议的参与者U_i计算参数

其中，参数

代表系统初始化阶段生成的参数

经过j次刷新后生成的参数；

步骤2.3：每个协议的参与者U_i广播消息[U_i,z_i,t_i]给系统其他参与者。

4.根据权利要求3所述的群组通信中抗泄漏的群密钥协商方法，其特征在于，步骤3的具体实现包括以下子步骤：

步骤3.1：每个协议的参与者U_i计算参数

其中，下标从1到n构成一个环，z_i+1和z_i-1代表协议参与者U_i在环中相邻的两个参与者U_i+1和U_i-1在步骤2.1中生成的参数，

代表系统初始化阶段随机选择的

经过j次刷新后生成的参数；

步骤3.2：每个协议的参与者U_i广播消息X_i给系统其他参与者。

5.根据权利要求4所述的群组通信中抗泄漏的群密钥协商方法，其特征在于，步骤4的具体实现包括以下子步骤：

步骤4.1：每个协议的参与者U_i计算参数

步骤4.2：计算参数

其中，下标从1到n构成一个环；

步骤4.3：每个协议的参与者U_i计算会话密钥k_G＝KDF(U₁||...||U_n,Y_i,K_i)，会话密钥k_G生成，其中KDF代表密钥生成算法；

步骤4.4：每个协议的参与者U_i运行抗泄露安全存储刷新算法

将秘密信息刷新，为下一次密钥协商做准备；其中，

代表抗泄露安全存储刷新算法的输入参数，

代表刷新后的结果。

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