CN109257161A - 二进制数据加密设备及加密方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及二进制数据加密设备及加密方法，其包括外壳体，其作为外载体；加密器，装入在外壳体中，其加密与解密器解密具有同步运行的算法，加密器将随机选择的参数为；加密器包括USB插头，用于与外部设备进行数据传输与充电；输出寄存器，其长度，每次加密操作时候，将对应的ASCII格式的代码字符用于输出；通过读取具有个数据字到n比特位长的只读存储器进行加密；微控制器，其输出端与USB插头连接，接收输出寄存器输出的代码字符；本发明设计合理、结构紧凑且使用方便。

Description

二进制数据加密设备及加密方法

技术领域

本发明涉及二进制数据加密设备及加密方法。

背景技术

目前，二进制数据的加密方法，该方法用最普通的形式，即用不同的和更长的位模式对原有的位模式进行替换，其中对于每个明文位模式，从经由公众未知关系连接到该位模式的密文组中随机选择加密，该非公开关系的逆关系是满射，并且对于加密序列的每个状态，相互通信的加密和解密器会使用同步运行的算法产生新的参数值和加解密关系标识。

发明内容

本发明所要解决的技术问题总的来说是提供一种二进制数据加密设备及加密方法；详细解决的技术问题以及取得有益效果在后述内容以及结合具体实施方式中内容具体描述。

为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：

一种二进制数据加密设备，包括外壳体，其作为外载体；

加密器，装入在外壳体中，其加密与解密器解密具有同步运行的算法，加密器将随机选择的参数为m_t；

加密器包括

USB插头，用于与外部设备进行数据传输与充电；

输出寄存器，其长度n＞m_t，每次加密操作时候，将对应的ASCII格式的代码字符用于输出；通过读取具有2ⁿ个数据字到n比特位长的只读存储器进行加密；

微控制器，其输出端与USB插头连接，接收输出寄存器输出的代码字符；

输入寄存器，接收微控制器输出的随机值与参数m_t；

只读存储器，输入端与输入寄存器输出端连接；其存储器地址由输入寄存器的内容与n-m_t个随机生产的比特连接形成；

移位寄存器，其接收并处理微控制器输出的输入数据流，其输出端与输入寄存器的输入端连接。

加密器将随机选择的参数m_t范围设置在1到20之间。

二进制数据加密方法，借助于加密器，以及通过协议通信且解密与加密器加密具有同步运行的算法的解密器；

其包括以下步骤；

步骤一，前提是设定要传送的是来自任意字母表S的消息符号即明文符号序列s0，s1，...；首先，具有加密功能的发送器对明文符号加密；然后，发送器将其传送到具有反向解密功能的接收器解码；其次，并根据在发送器与接收器两者的通信单元之间通过保密的信道约定，对密钥K进行参数化；

步骤二，首先，依据步骤一的密钥K，在离散时间t>0内的发射器和接收器上，由状态转换函数f生成状态序列

σ_t+1＝f(σ_t，K) 公式(1)；

然后，由公式(1)生成函数g得出密钥流

z_t＝g(σ_t，K) 公式(2)；

其中，初始状态σ₀为公开或者从密钥K导出；

其次，将明文符号和密文符号根据状态序列公式(1)通过可逆映射

c_t＝h(z_t，s_t) 公式(3)

以及密钥流公式(2)结合，密文符号通过反向映射

s_t＝h^-1(z_t，c_t) 公式(4)

进行解密；

其中，公式(1)中的密钥流序列与随机序列对应；

再次，依据具有固定的l的密文符号c_t，...，c_t-l+1，其中l≥1，确定状态序列σ_t+1。

步骤三、首先，在每个状态σ_t中，随机选择m_t个比特位一起加密，其中，参数m_t是奇数并且不同于明文字母符号编码的比特位数k；然后，对于密钥流中的每m_t个比特位都根据状态依赖关系

其中，参数n＞m_t，{0，1}ⁿ的每个元素都是的一个元素的有效密文，得出具有参数n＞m_t个比特位的加密；

步骤四、当公式(5)逆关系是一个满射映射

时，存在可解密性；该解密函数是秘密的，因此用于加密的关系R_t是秘密的；是有限集合{0，1}ⁿ到另一个有限集合的所有映射中的任意一个；

步骤五，首先，在根据公式(1)中出于σ_t状态的加密器中，把数据流的下m_t＞1个比特位发送到输入寄存器前面的位置；然后，将随机值分配给输入寄存器的后n-m_t个位置；其次，以输入寄存器的内容作为地址读取只读存储器；最后，通过掩盖和加密操作实现关系R_t；

步骤六，首先，从存储器读取的比特位模式表示密文，并写入输出寄存器；然后，参数n为N的整数倍：

n＝N×l 公式(7)；

l≥1，

其次，分l次每次从输出寄存器中取出N个位，并通过与32相加关联到一个有效的ASCII字符；再次，该ASCII字符在数据网络中使用通用协议传输给解密器；紧接着，在解密器中，相应的反向操作以相反的顺序执行，在作为密文接收的ASCII字符中，减去32并提取N个最低有效位，将l个组中的N个比特位联接起来，通过映射解密其结果；下一步，通过寻址和读取存储在只读存储器的值表；最后，从获得的比特向量重新组合明文符号。

步骤六、首先，在操作期间，加密器在随机选择的时间点上在一到输入寄存器的长度范围内改变参数m_t的值，并相应地识别各自适用的加密关系该设备和镜像构建和运行的解密设备就加密中的零星变化达成一致。

本发明的有益效果不限于此描述，为了更好的便于理解，在具体实施方式部分进行了更加详细的描述。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

二进制数据加密方法，已知所有的加密方法的共同之处在于：它们是要传输的数据元素，无论是比特、字母数字字符，还是包含二进制数据的字节、单独或成组，但总是作为未修改的单位进行加密，例如香农加密系统，因此，诸如数据元素之间的边界和它们的数量之类的信息也被可观察地且未加密地传输到密文中：通常情况下，明文符号与密文符号是对应的。即使使用分组密码，也几乎不使用大于256位的数据单元，明文和密文中的符号是以相同的顺序排列或者至少被放在非常接近的位置，因此，在明文和密文中，相应的符号可以很容易地进行匹配，这使得破解使用的密码变得更加容易。

在现有技术中可以使用双射(即可逆)映射，而且还可以使用逆关系是满射的关系来进行加密。这两种方法允许在加密明文符号时从加密中随机选择一个图像符号，这自然增加了密文符号的长度。

按照明文符号被双射映射到长度更大的图像集合中的图像符号的等价类。为了对明文符号进行加密，图像符号是从与其对应的图像集合的等价类中随机选择的，从而以这种方式使得密文尽可能无法用统计方法分解。明文符号与密文中的图像符号一一对应替换，这就是为什么可以直接从图像符号之间的边界推断明文符号之间的边界的原因。

例如(拉丁文)明文字母的字符首先一一映射到另一个公开的字母表的元素上。这个所谓的“丹尼尔字母”的元素由固定数量的字母表示。如果在丹尼尔明文中相同的字母相互紧挨，则在它们之间插入特殊字母W。如此修改的丹尼尔明文的每个字母可以在实际加密之前按需要重复。解密后，所有重复的字母和W字母被删除，还原丹尼尔明文。用任意的图作为钥匙，其节点用字母标记。为了进行秘密的信息交换，发送器和接收器同意以这样一个图作为钥匙和一个节点作为起点。密文就可以看作是由沿着有扩展的丹尼尔明文的字母标记的节点中的一个(可能是几个)路径对应的边标记序列组成。由于接收器知道起点，它可以沿着指定的边在图中的移动并读取到达节点的标记来解密。明文符号之间的边界可见地传播到密文，因为这包含了(密钥)图形从节点到节点漫游的固定长度的方向信息。不管起始节点如何，这直接得出在扩展丹尼尔明文(包含丹尼尔明文)中的字母之间的边界，其元素与明文符号一一对应。虽然扩展丹尼尔明文在丹尼尔明文的基础上用W字母和重复的字母延长了而且在密文中不可能看到方向数据是否对应于多余的W或其他重复的字母，然而，在加密期间原始字母和附加字母的边界没有模糊，而是在方向数据之间保持原样，从而为密码分析提供了攻击点。

所有已知的加密方法的共同之处在于它们是要传输的数据元素，无论是比特、字母数字字符，还是包含二进制数据的字节、单独或成组，但总是作为未修改的单位进行加密。香农加密系统的信息理论模型也是以这个限制性的基本假设为依据。因此，诸如数据元素之间的边界和它们的数量之类的信息也被可观察地且未加密地传输到密文中：通常情况下，明文符号与密文符号是对应的。即使使用分组密码，也几乎不使用大于256位的数据单元，明文和密文中的符号是以相同的顺序排列或者至少被放在非常接近的位置。因此，在明文和密文中，相应的符号可以很容易地进行匹配，这使得破解使用的密码变得更加容易。

二进制数据加密设备，包括外壳体，其作为外载体；

加密器，装入在外壳体中，其加密与解密器解密具有同步运行的算法，其将随机选择的参数m_t范围设置在1到20之间；

加密器包括

USB插头，用于与外部设备进行数据传输与充电；

输出寄存器，其长度n＞m_t，每次加密操作时候，将对应的ASCII格式的代码字符用于输出；通过读取具有2ⁿ个数据字到n比特位长的只读存储器进行加密；

微控制器，其输出端与USB插头连接，接收输出寄存器输出的代码字符；

输入寄存器，接收微控制器输出的随机值与参数m_t；

只读存储器，输入端与输入寄存器输出端连接；其存储器地址由输入寄存器的内容与n-m_t个随机生产的比特连接形成；

移位寄存器，其接收并处理微控制器输出的输入数据流，其输出端与输入寄存器的输入端连接。

另外，由于在传统的加密方法的技术实现中，明文和密文字符的符号最终全部以二进制编码来表示，针对这个问题可以通过在加密序列的每个状态中确定任意选择的数字作为来解决，这个数字不依赖于明文编码的比特位数也不同于要被加密的比特位数，在此定义为标识比特位数，从而由此不可能从密文推导出明文符号之间的边界，从而提高破解难度。

加密方法，借助于加密器，以及通过协议通信且解密与加密器加密具有同步运行的算法的解密器；

其包括以下步骤；

在加密序列的每个状态中，全射映射关系随机确定与明文字母编码的比特位数无关联且不同的标识比特位数，并对该标识比特位数加密；通过该标识比特位数加密不可能从密文推导出明文符号之间的边界；加密序列的每个状态中，待加密的比特位数目以任意方式重新确定。为了加密这些标识比特位数，最常用的形式是用相同或者更长的位模型进行替换，在数学上可以通过一个逆关系是全射映射的关系来描述。对于明文符号的每个明文位模型，通过该全射映射关系随机地从与明文位模型相关联的一组密码中选择加密。该全射映射关系和逆关系(即)反向关系是秘密的。对于加密序列的每个状态，相互通信的加密器和解密器通过同步运行的算法以任意方式产生参数值，并借助于协议协调零散的加密更改，其中参数值例如待加密的标识比特位数，以及加密和解密关系标识。

步骤一，前提是设定要传送的是来自任意字母表S的消息符号即明文符号序列s0，s1，...；首先，具有加密功能的发送器对明文符号加密；然后，发送器将其传送到具有反向解密功能的接收器解码；其次，并根据在发送器与接收器两者的通信单元之间通过保密的信道约定，对密钥K进行参数化；

步骤二，首先，依据步骤一的密钥K，在离散时间t>0内的发射器和接收器上，由状态转换函数f生成状态序列

σ_t+1＝f(σ_t，K) 公式(1)；

然后，由公式(1)生成函数g得出密钥流

z_t＝g(σ_t，K) 公式(2)；

其中，初始状态σ₀为公开或者从密钥K导出；

其次，将明文符号和密文符号根据状态序列公式(1)通过可逆映射

c_t＝h(z_t，s_t) 公式(3)

以及密钥流公式(2)结合，密文符号通过反向映射

s_t＝h^-1(z_t，c_t) 公式(4)

进行解密；

其中，公式(1)中的密钥流序列与随机序列对应；

再次，依据具有固定的l的密文符号c_t，...，c_t-l+1，其中l≥1，确定状态序列σ_t+1；

进一步，最终明文(或修改的)和密文字母的符号都用二进制编码表示，具体地说，在这种加密过程中，明文符号之间的边界是变得模糊不清，明文符号之间的二进制码在函数上相互连接，并且对于要加密的比特位，以随机的方式在相应的组选择加密。本发明中的掩盖明文符号边界的加密方法不同于现有技术。

步骤三、首先，在每个状态σ_t中，随机选择m_t个比特位一起加密，其中，参数m_t是奇数并且不同于明文字母符号编码的比特位数k，从而就消除了明文符号之间的边界；然后，对于密钥流中的每m_t个比特位都根据状态依赖关系

其中，参数n＞m_t，{0，1}ⁿ的每个元素都是的一个元素的有效密文，从而充分利用现有的加密可能性，得出具有参数n＞m_t个比特位的加密；

其中，参数n不能小于m_t，否则信息会丢失，也不应该等于m_t，以避免上述缺点。与公式(3)的函数h相比，关系R_t不需要是映射，{0，1}ⁿ中尽可能多的元素通过R_t与中的每个元素相关联，从而在后者中可以真正随机的选择加密。

步骤四、当公式(5)逆关系是一个满射映射

时，存在可解密性；与柯克霍夫原则相反，该解密函数是秘密的，因此用于加密的关系R_t是秘密的；而且也不是函数。公开的是，是有限集合{0，1}ⁿ到另一个有限集合的所有映射中的任意一个；

一串数据流由长度为k个比特位的消息符号组成；通常，在当今的信息技术中，k参数的值为8，一个符号是一个字节，它包含二进制数据或在美国信息交换标准代码(ASCII)中由7个比特位表示的一个字母数字字符和一个奇偶校验位。

步骤五，首先，在根据公式(1)中出于σ_t状态的加密器中数据流忽略明文符号边界，把数据流的下m_t＞1个比特位发送到输入寄存器前面的位置；然后，将随机值分配给输入寄存器的后n-m_t个位置；其次，以输入寄存器的内容作为地址读取只读存储器；最后，通过掩盖和加密操作实现关系R_t；

步骤六，首先，从存储器读取的比特位模式表示密文，并写入输出寄存器；然后，出于实际考虑且没有一般性的限制，参数n为N的整数倍：

n＝N×l 公式(7)；

l≥1，

其次，分l次每次从输出寄存器中取出N个位(优先为6)，并通过与32相加关联到一个有效的ASCII字符；再次，该ASCII字符在数据网络中使用通用协议传输给解密器；紧接着，在解密器中，相应的反向操作以相反的顺序执行，在作为密文接收的ASCII字符中，减去32并提取N个最低有效位，将l个组中的N个比特位联接起来，通过映射解密其结果；下一步，通过寻址和读取存储在只读存储器的值表；最后，从获得的比特向量重新组合明文符号。

上述情况已经使得本发明的数据加密非常难被破解。只有攻击者拥有一定程度的密文并进行适当的分析(完全忽略为此所必须的计算能力)才能解密。通过本发明的以下设置可以防止足够长的由选择参数和加密关系产生的密文的出现。

步骤六、首先，在操作期间，加密器在随机选择的时间点上在一到输入寄存器的长度范围内充分频繁地改变参数m_t的值，并相应地识别各自适用的加密关系该设备和镜像构建和运行的解密设备就加密中的零星变化达成一致。

出于机密性原因尽可能少地传输关于单元之间加密关系的细节，而协调重新配置的时间点，即在具有同步运行的算法的加密器与解密器中生成适用的加密和解密关系的新参数值和标识。为此，有非常好的现有方法，比如通过混沌理论方法产生的随机数发生器。

出于机密性原因尽可能少地传输关于单元之间加密关系的细节，而协调重新配置的时间点，即在具有同步运行的算法的加密器与解密器中生成适用的加密和解密关系的新参数值和标识。为此，有非常好的现有方法，比如通过混沌理论等常用算法方法产生的随机数发生器。

它允许将参数m_t设置在1到20之间的范围内。

输出寄存器的长度n固定为24。也就是说，每次加密操作会在输出端提供4个ASCII格式的代码字符用于传输。实现加密的关系是通过读取具有2²⁴个数据字到24比特位长的只读存储器来实现的。

存储器地址是通过将输入寄存器的内容与24-m_t个随机生产的比特连接在一起而形成的。这种容量的只读存储器对应于现有技术水平，并且可以与微控制器一起放置在方便的小外壳中。这些设备可以分发给个人，这是一个构成秘密信息的机密和真实渠道的过程。

设备的所有者也可以从任何地方使用以加密要传输的数据，例如，在银行交易中。

通过选择参数m_t≠k和n＞m_t，实现了由密文中的符号之间的边界不再能轻易推断出明文数据流中符号的边界。由于n＞m_t，这组可能的加密元素被转换成一个非常大的图像集，这使攻击者的密码分析变得相当困难。对于其中是满射映射，所有可能的关系的数量是出于实际考虑，选择m_t＝17和n＝24，就是数量级为10^946.701个不同关系，这是一个相当大的数量。这组关系包括了所有比特位变换的可能性，n-m_t个冗余位置，每个位置都可以填入0或者1，这样插入到输出位模型中的个位置中再和加密元素的比特位的值连接到一起。

本发明设计合理、成本低廉、结实耐用、安全可靠、操作简单、省时省力、节约资金、结构紧凑且使用方便。

本发明充分描述是为了更加清楚的公开，而对于现有技术就不再一一例举。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；作为本领域技术人员对本发明的多个技术方案进行组合是显而易见的。而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种二进制数据加密设备，其特征在于：包括外壳体，其作为外载体；

加密器，装入在外壳体中，其加密与解密器解密具有同步运行的算法，加密器将随机选择的参数为m_t；

加密器包括

USB插头，用于与外部设备进行数据传输与充电；

输出寄存器，其长度n＞m_t，每次加密操作时候，将对应的ASCII格式的代码字符用于输出；通过读取具有2ⁿ个数据字到n比特位长的只读存储器进行加密；

微控制器，其输出端与USB插头连接，接收输出寄存器输出的代码字符；

输入寄存器，接收微控制器输出的随机值与参数m_t；

只读存储器，输入端与输入寄存器输出端连接；其存储器地址由输入寄存器的内容与n-m_t个随机生产的比特连接形成；

移位寄存器，其接收并处理微控制器输出的输入数据流，其输出端与输入寄存器的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的二进制数据加密设备，其特征在于:加密器将随机选择的参数m_t范围设置在1到20之间。

3.根据权利要求2所述的二进制数据加密方法，其特征在于:借助于加密器，以及通过协议通信且解密与加密器加密具有同步运行的算法的解密器；

其包括以下步骤；

步骤一，前提是设定要传送的是来自任意字母表S的消息符号即明文符号序列s0，s1，...；首先，具有加密功能的发送器对明文符号加密；然后，发送器将其传送到具有反向解密功能的接收器解码；其次，并根据在发送器与接收器两者的通信单元之间通过保密的信道约定，对加密的密钥K进行参数化；

步骤二，首先，依据步骤一的密钥K，在离散时间t>0内的发射器和接收器上，由状态转换函数f生成状态序列

σ_t+1＝f(σ_t，K) 公式(1)；

然后，由公式(1)生成函数g得出密钥流

Z，＝_g(σ_t，K) 公式(2)；

其中，初始状态σ₀为公开或者从密钥K导出；

其次，将明文符号和密文符号根据状态序列公式(1)通过可逆映射

c_t＝h(z_t,s_t) 公式(3)

以及密钥流公式(2)结合，密文符号通过反向映射

s_t＝h^-1(z_t，c_t) 公式(4)

进行解密；

其中，公式(1)中的密钥流序列与随机序列对应；

再次，依据具有固定的l的密文符号c_t，...，c_t-l+1，其中l≥1，确定状态序列σ_t+1。

4.根据权利要求3所述的二进制数据加密方法，其特征在于:步骤三、首先，在每个状态σ_t中，随机选择m_t个比特位一起加密，其中，参数m_t是奇数并且不同于明文字母符号编码的比特位数k；然后，对于密钥流中的每m_t个比特位都根据状态依赖关系

其中，参数n＞m_t，{0，1}ⁿ的每个元素都是的一个元素的有效密文，得出具有参数n＞m_t个比特位的加密；

步骤四、当公式(5)逆关系是一个满射映射

时，存在可解密性；该解密函数是秘密的，因此用于加密的关系Rt是秘密的；是有限集合{0，1}ⁿ到另一个有限集合的所有映射中的任意一个；

步骤五，首先，在根据公式(1)中出于σ_t状态的加密器中，把数据流忽略的明文符号边界把流的下m_t＞1个比特位发送到输入寄存器前面的位置；然后，将随机值分配给输入寄存器的后n-m_t个位置；其次，以输入寄存器的内容作为地址读取只读存储器；最后，通过掩盖和加密操作实现关系R_t；

步骤六，首先，从存储器读取的比特位模式表示密文，并写入输出寄存器；然后，参数n为被选择数N的整数倍：

n＝N×l 公式(7)；

l≥1，

其次，分l次每次从输出寄存器中取出N个位，并通过与32相加关联到一个有效的ASCII字符；再次，该ASCII字符在数据网络中使用通用协议传输给解密器；紧接着，在解密器中，相应的反向操作以相反的顺序执行，在作为密文接收的ASCII字符中，减去32并提取N个最低有效位，将l个组中的N个比特位联接起来，通过映射解密其结果；下一步，通过寻址和读取存储在只读存储器的值表；最后，从获得的比特向量重新组合明文符号。

5.根据权利要求4所述的二进制数据加密方法，其特征在于:步骤六、在操作期间，加密器在随机选择的时间点上在一到输入寄存器的长度范围内改变参数m_t的值，并相应地识别各自适用的加密关系该设备和镜像构建和运行的解密设备就加密中的零星变化达成一致。