CN109104270B - 一种基于Hill运算和混沌的不可信云中心资源分享方法 - Google Patents

一种基于Hill运算和混沌的不可信云中心资源分享方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于Hill运算和混沌的不可信云中心资源分享方法；该方法客户端A调用混沌加解密函数，用初始密钥k1对资源s进行加密；创建一个目标密钥k2，计算得到过程密钥k3；以客户端B的公钥对目标密钥k2进行加密得到加密后的密钥PBK；将过程密钥k3和加密后的密钥PBK发送给云中心；云中心记录一个资源共享列表；云中心通过骤响应客户端B下载请求；客户端B从云中心获取PBK和e2后，最终得到解密后的共享资源。本发明分享过程不需要客户端参与具体的加密操作；并且保证了分享者可以查看资源的明文信息但却不具备修改资源明文信息的能力，解决了加密资源分享时算法复杂度高，客户端压力大的难题。

Description

一种基于Hill运算和混沌的不可信云中心资源分享方法
技术领域
本发明为一种不可信云的加密资源分享方法，特别是涉及一种基于Hill运算和混沌的不可信云中心资源分享方法，属于云安全技术领域。
背景技术
对将加密的秘钥告知被分享者，随着被分享人员数量变多，秘钥泄露出去可能性增大，同时具备该秘钥的人具有修改原文的能力，安全性不足。
比较合理的做法是对原始文档的加密只使用一个唯一的对称密钥Key，服务器上只有一份加密资源。需要分享资源时，用目标方的公钥对文档密钥Key进行加密后上传到服务器，目标方获取后用自身的私钥解密，便可获得文档的密钥。虽然该方法保证了云中心无法获取原资源内容，但该方式有两个风险。首先尽管被分享者是你所相信的人，但随着被分享人变多，密钥Key泄露的风险越大，很多时候密钥泄露并不是泄密者本身意愿，而是意外导致或被黑客攻击。另外，初始密钥分享出去之后，标志着被分享者不但具备查看明文的能力，而且具备修改原始资源的能力，只需要用同一密钥对修改后的明文进行加密后让云中心服务器覆盖原加密资源。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种不需要客户端参与具体加密的过程的基于Hill运算和混沌的不可信云中心资源分享方法。
本发明云中心在整个分享过程中都无法获取资源的明文信息，并且资源分享给不同用户时，无需用户端参与具体的加解密运算；另外，尽管被分享者可以查看明文信息，但他并不知道初始密钥，也就不具备修改云中心原文的能力。
本发明目的通过如下技术方案实现：
一种基于Hill运算和混沌的不可信云中心资源分享方法，包括以下步骤：
S1:客户端A调用混沌加解密函数ChaoticEncDec，用初始密钥k1对资源s进行加密，得到加密后的资源e1＝ChaoticEncDec(s,k1)，将加密后的资源e1上传到云中心；
S2：当所述客户端A需要将资源分享给客户端B时，创建一个目标密钥k2，根据初始密钥k1，目标密钥k2计算得到过程密钥k3；客户端A使用非对称密钥加密算法，以客户端B的公钥对目标密钥k2进行加密得到加密后的密钥PBK；
S3：所述客户端A将过程密钥k3和加密后的密钥PBK发送给云中心；
S4：云中心记录一个资源共享列表share_list，格式为一个四元组(e1,B,PBK,k3)；
S5：所述客户端B向云中心发起下载加密后的资源e1的请求；
S6：云中心通过如下步骤响应所述客户端B下载请求；
S6.1云中心查询资源共享列表share_list，将加密后的资源e1对应的密钥PBK发送给客户端B；
S6.2云中心调用混沌加解密函数ChaoticEncDec，根据过程密钥k3对加密后的资源e1进行加密，得到e2＝ChaoticEncDec(e1,k3)；
S6.3云中心将e2发送给所述客户端B；
S7：所述客户端B从云中心获取PBK和e2后，用自己的私钥解密PBK得到目标密钥k2，所述客户端B调用混沌加解密函数ChaoticEncDec，用目标密钥k3对e2进行解密，得到解密后的共享资源s＝ChaoticEncDec(e2,k2)。
为进一步实现本发明目的，优选地，所述的混沌加解密函数ChaoticEncDec通过如下步骤运行：
1)ChaoticEncDec函数的输入为Data和key，其中，Data是一个数值数组，代表需加密或需解密的资源，key是一个四元组(M,u,x,n)，通常M是一个随机生成的n*n可逆方阵，u的取值范围为3.5699456<u<＝4，x的取值范围为：0<x<1，n为整数，取值范围为n>＝1；
2)如果Data的长度不是2*2的整数倍，则对Data末尾填充0，得到填充后资源的总长度为Len＝2n*2n；
3)计算分组迭代次数t，t＝Len/(n*n)；
4)令x’＝x；
5)将需加密或需解密的资源Data划分为t个长度为2n*2n的分组(D1,D2,...Dt)，对每一个分组Di执行如下操作：
6)更新x’的值，x’计算公式为x’＝u*x’(1-x’)；
7)随机生成一个2n*2n的单位方阵H；
8)将x’作为伪随机数发生器的种子，得到2个随机正整数，用L1,L2,L3,…,L2n-2,L2n-1,L2n表示，其中1≤Li≤2n，将单位方阵H的L1行/列与L2n行/列互换，L2行/列与L2n-1行/列，L3行/列与L2n-2互换，以此类推，并计算行/列调换后单位方阵H的逆矩阵，得到H-1；
9)计算Di’，Di’的计算公式为：Di’＝H*M*H-1*Di，其中*为矩阵乘；
10)返回(D1’,D2’,...Dt’)。
优选地，所述的初始密钥k1，目标密钥k2，过程密钥k3计算方法如下：
随机生成三个随机数u,x,n，其中u的取值范围为3.5699456<u<＝4，x的取值范围为：0<x<1，n为整数，取值范围为n>＝1；
生成初始密钥k1，初始密钥k1是一个四元组(M1,u,x,n)，其中M1为一个随机生成的2*2可逆方阵；
生成目标密钥k2，目标密钥k2是一个四元组(M2-1,u,x,n)，其中M2为一个随机生成的2*2可逆方阵，M2-1为M2的逆；
生成过程密钥k3，过程密钥k3是一个四元组(M3,u,x,n)，其中M3为步骤S9、S10所得的矩阵M2和M1-1相乘的结果，M3＝M2*M1-1；M1-1为M1的逆。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
(1)本发明整个分享过程中云中心无法获取明文信息，被分享者尽管可以查看明文信息但是没有修改原文的能力。
(2)本发明资源分享给不同的人，不需要客户端参与具体加密的过程。
(3)本发明在构造ChaoticEncDec函数时引入了混沌理论的Logistic模型，降低了根据词频进行猜测破解的可能性。
附图说明
图1为本发明所述批量资源分享模式流程图。
具体实施方式
为更好地理解本发明，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的说明，但本发明的实施例方式不限如此。
实施例：客户端A通过利用基于Hill加密算法和混沌理论算法与客户端B分享一个资源，该资源为一个字符串“abcd”。
一、客户端A加密资源，并上传到云中心
客户端A将分享的字符串资源映射为数值数组s＝{97,98,99,100}，映射方法为取字符串“abcd”的ascii码；
1.1客户端A生成初始密钥k1，k1是一个四元组(S1＝{},u＝3.5699457,x＝0.5,n＝2)，其中u,x,n为随机数，u的取值范围为3.5699456<u<＝4，x的取值范围为：0<x<1，n为2，S1为一个随机生成的n*n可逆方阵；
1.2客户端A调用混沌加解密函数ChaoticEncDec，传入初始密钥k1对资源s进行加密，得到加密资源e1＝ChaoticEncDec(s,k1)，ChaoticEncDec函数的具体计算过程如下：
1.2.1：待加密的资源s＝{97,98,99,100}，s的长度为4是2*2的整数倍，不用进行末尾填充。
1.2.2：计算分组迭代次数t＝4/(2*2)＝1
1.2.3：令x’＝x＝0.5
1.2.4:将s划分为t＝1个长度为2*2的分组(D1＝{})，对每一个分组Di进行如下操作：
(1)：更新x’的值，x’＝u*x’*(1-x’)＝0.892486425。
(2)：生成一个2*2的单位矩阵H1＝{}。{}为2*2可逆方阵。
(3)：将x’设置为伪随机函数种子，通过伪随机函数选取随机数{0，0}和{0，1}，将H1的0行与0行互换，1行与0行互换，得到新的H1＝{}，计算H1-1＝{}。
(4)：计算D1’，公式如下：
D1’＝H1*k1.S1*H1-1*D1。
1.2.5：加密资源e1＝{D1’}。
1.3客户端A将加密后的资源e1＝{}上传到云中心；
二、客户端A分享加密后的资源e1给客户端B
2.1：当客户端A希望将资源e1分享给客户端B时，创建一个目标密钥k2：k2＝(S2-1,u＝3.5699457,x＝0.5,n＝2)，其中S2为一个随机生成的2*2可逆方阵＝{}，S2-1为S2的逆矩阵
Figure GDA0002953142980000041
u,x,n取值范围与步骤1.1一样；
2.2客户端A生成过程密钥k3：k3＝(S3,u＝3.5699457,x＝0.5,n＝2)，其中S3为步骤1.1和步骤2.1所得的矩阵S1,S2的逆矩阵相乘，即
Figure GDA0002953142980000042
2.3：客户端A使用非对称密钥加密算法，以B的公钥对k2进行加密得到PBK。
2.4：客户端A将k3和PBK发送给云中心。
2.5：云中心在资源共享列表share_list登记一条四元组(e1,B,PBK,k3)记录；资源共享列表share_list，是一个表格，每行保存了资源、客户及对应的密钥。
三、客户端B向云中心申请下载共享资源e1
3.1：云中心接收到客户端B下载资源e1的请求后，根据申请下载的客户端B和资源名e1查询资源共享列表share_list，得到e1对应的PBK和k3。
3.2：云中心将e1对应的密钥PBK发送给客户端B
3.3：云中心调用混沌加解密函数ChaoticEncDec，传入k3和e1进行加密，具体过程如下：
3.3.1：数值数组e1＝{}，因为e1的长度为4是2*2的整数倍，不用进行末尾填充。
3.3.2：计算分组迭代次数t＝4/(2*2)＝1
3.3.3：令x’＝x＝0.5
3.3.4:将e1划分为t＝1个长度为2*2的分组(D1＝{})，对每一个分组Di进行如下操作：
(1)：更新x’的值，x’＝u*x’*(1-x’)＝0.892486425。
(2)：生成一个2*2的单位矩阵H1＝{}。
(3)：将x’设置为伪随机函数种子，通过伪随机函数选取随机数{0，0}和{0，1}，将H1的0行与0行互换，1行与0行互换，得到新的H1＝{}，计算H1-1＝{}。
(4)：计算D1’，公式如下：
Figure GDA0002953142980000051
3.3.5：加密资源e2＝{D1’}。
步骤5：加密后的资源e2＝{D1’}。
S6.3：云中心将加密后的资源e2发送给B
四、客户端B用目标密钥k2解密下载的加密资源e2，得到共享资源s。
4.1：客户端B从云中心获取PBK和加密资源e2后，用自己的私钥解密PBK得到目标密钥k2；
4.2：客户端调用混沌加解密函数ChaoticEncDec，传入k2和e2进行解密，具体过程如下：
4.2.1：数值数组e2＝{}，因为e2的长度为4是2*2的整数倍，不用进行末尾填充。
4.2.2：计算分组迭代次数t＝4/(2*2)＝1
4.2.3：令x’＝x＝0.5
4.2.4:将e2划分为t＝1个长度为2*2的分组(D1＝{})，对每一个分组Di进行如下操作：
(1)：更新x’的值，x’＝u*x’*(1-x’)＝0.892486425。
(2)：生成一个2*2的单位矩阵H1＝{}。
(3)：将x’设置为伪随机函数种子，通过伪随机函数选取随机数{0，0}和{0，1}，将H1的0行与0行互换，1行与0行互换，得到新的H1＝{}，计算H1-1＝{}。
(4)：计算D1’，公式如下：
Figure GDA0002953142980000061
4.2.5：解密后的资源s＝{D1’}。
4.3客户端B将解密后的资源s＝{}重新映射为字符串，将数值映射为ascii码，从而得到解密后的字符串“abcd”。
从实施例可见，本发明利用Hill加解密算法对资源进行加密分享，保证了在资源分享过程中，云中心无法获取资源的明文信息；整个分享过程中云中心无法获取明文信息，被分享者尽管可以查看明文信息但是没有修改原文的能力。
本发明资源分享给不同的人，不需要客户端参与具体加密的过程。
本发明在构造ChaoticEncDec函数时引入了混沌理论的Logistic模型，降低了根据词频进行猜测破解的可能性。
本行业技术人员应该了解，本发明不受实施例的限制。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于Hill运算和混沌的不可信云中心资源分享方法，其特征在于包括以下步骤：
S1:客户端A调用混沌加解密函数ChaoticEncDec，用初始密钥k1对资源s进行加密，得到加密后的资源e1＝ChaoticEncDec(s,k1)，将加密后的资源e1上传到云中心；
S2：当所述客户端A需要将资源分享给客户端B时，创建一个目标密钥k2，根据初始密钥k1，目标密钥k2计算得到过程密钥k3；客户端A使用非对称密钥加密算法，以客户端B的公钥对目标密钥k2进行加密得到加密后的密钥PBK；
S3：所述客户端A将过程密钥k3和加密后的密钥PBK发送给云中心；
S4：云中心记录一个资源共享列表share_list，格式为一个四元组(e1,B,PBK,k3)；
S5：所述客户端B向云中心发起下载加密后的资源e1的请求；
S6：云中心通过如下步骤响应所述客户端B下载请求；
S6.1云中心查询资源共享列表share_list，将加密后的资源e1对应的密钥PBK发送给客户端B；
S6.2云中心调用混沌加解密函数ChaoticEncDec，根据过程密钥k3对加密后的资源e1进行加密，得到e2＝ChaoticEncDec(e1,k3)；
S6.3云中心将e2发送给所述客户端B；
S7：所述客户端B从云中心获取PBK和e2后，用自己的私钥解密PBK得到目标密钥k2，所述客户端B调用混沌加解密函数ChaoticEncDec，用目标密钥k2对e2进行解密，得到解密后的共享资源s＝ChaoticEncDec(e2,k2)。
2.根据权利要求1所述的基于Hill运算和混沌的不可信云中心资源分享方法，其特征在于，所述的混沌加解密函数ChaoticEncDec通过如下步骤运行：
1)ChaoticEncDec函数的输入为Data和key，其中，Data是一个数值数组，代表需加密或需解密的资源，key是一个四元组(M,u,x,n)，M是一个随机生成的n*n可逆方阵，u的取值范围为3.5699456<u<＝4，x的取值范围为：0<x<1，n为2；
2)如果data的长度不是2n*2n的整数倍，则对data末尾填充0，得到填充后资源的总长度为Len＝2n*2n；
3)计算分组迭代次数t，t＝Len/(n*n)；
4)令x’＝x；
5)将需加密或需解密的资源Data划分为t个长度为2n*2n的分组(D1,D2,...Dt)，对每一个分组Di执行如下操作：
6)更新x’的值，x’计算公式为x’＝u*x’(1-x’)；
7)随机生成一个2n*2n的单位方阵H；
8)将x’作为伪随机数发生器的种子，得到2n个随机正整数，用L1,L2,L3,…,Li…L2n-2,L2n-1,L2n表示，其中1≤i≤2n，将单位方阵H的L1行/列与L2n行/列互换，L2行/列与L2n-1行/列，L3行/列与L2n-2互换，以此类推，并计算行/列调换后单位方阵H的逆矩阵，得到H-1；；
9)计算Di’，Di’的计算公式为：Di’＝H*M*H-1*Di，其中*为矩阵乘；
10)返回(D1’,D2’,...Dt’)。
3.根据权利要求1所述的基于Hill运算和混沌的不可信云中心资源分享方法，其特征在于，所述的初始密钥k1，目标密钥k2，过程密钥k3计算方法如下：
随机生成三个随机数u,x,n，其中u的取值范围为3.5699456<u<＝4，x的取值范围为：0<x<1，n为整数，取值范围为n>＝1；
生成初始密钥k1，初始密钥k1是一个四元组(M1,u,x,n)，其中M1为一个随机生成的2*2可逆方阵；
生成目标密钥k2，目标密钥k2是一个四元组(M2-1,u,x,n)，其中M2为一个随机生成的2*2可逆方阵，M2-1为M2的逆；
生成过程密钥k3，过程密钥k3是一个四元组(M3,u,x,n)，其中M3为矩阵M2和M1-1相乘的结果，M3＝M2*M1-1；M1-1为M1的逆。
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