CN112383397B - 一种基于生物特征的异构签密通信方法 - Google Patents

一种基于生物特征的异构签密通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于生物特征的异构签密通信方法，在初始化系统时公开系统参数，运用无证书环境的发送端生成公钥和完全私钥以及基于身份环境的接收方端生成公钥和私钥，计算无证书环境的发送端向基于身份环境的接收端发送消息的签密密文，最后在基于身份环境的接收端解签密来自发送端的签密密文，解签密后对承诺值进行验证，验证通过输出密文，本发明利用人体的生物特征信息(比如掌纹，虹膜，心电图等)作为用户的唯一的身份，使用户的身份认证过程具有更好的安全性和可靠性，为发送端基于无证书密码环境、接收端基于身份环境的的情况提供了一种解决方案。

Description

一种基于生物特征的异构签密通信方法
技术领域
本发明涉及信息安全技术领域，特别涉及一种基于生物特征的异构签密通信方法。
背景技术
签密技术可以在一个逻辑步骤内同时实现保密性，认证性，完整性和不可否认性。在计算量和通信成本上，签密技术低于传统的先签名后加密或者先加密后签名技术。在标准的基于身份签密方案中，用户的身份信息可以是电话号码，email地址或者是网络地址，这些身份信息是可以改变的。由于人体的生物特征信息(比如掌纹，虹膜，指纹等)是唯一的，不会随着用户年龄的改变而改变。因此，将人体的生物认证信息作为用户的身份是非常理想的。为了充分发挥人体生物特征的优势，将其与签密技术结合，能够实现更好的安全性和可靠性。
在已有的基于生物特征的签密方案中，发送端和接收端处于相同的密码体制中。也就是说，他们或者处于基于身份的环境，或者处于无证书的环境。然而，在很多实际的应用中，要求发送端和接收端处于不同的密码体制来实现异构通信。
2012年，Li等人提出了一个基于生物特征的身份签密方案[Li,F,Khan,M K.Abiometric identity-based signcryption scheme[J].Future Generation ComputerSystems,2012,28(1):306-310.]，但是他们的方案是基于身份密码系统的，存在密钥托管问题。也就是说，一个可信的第三方PKG知道所有用户的私钥。2013年，Luo等人设计了一个基于生物特征的无证书签密方案[Luo,M,Huang,D,&Hu,J.An Efficient BiometricCertificateless Signcryption Scheme.Journal of Computers,2013,8(7),1853-1860.]，他们的方案可以解决基于身份密码体制中的密钥托管问题，同时可以在一个逻辑步骤内实现保密性，认证性，完整性和不可否认性。同年，Wang等人提出了一个基于生物特征的无证书非对的签密方案[Wang,M,Ren,Z,Cai,J,Zheng W.International Conferenceon Graphic and Image Processing(ICGIP 2012).Proceedings of the SPIE,Volume8768,id.87686J5,2013.]。由于没有使用比较耗时的双线性对运算，所以他们的方案在效率方面比较有优势。2018年，Xia等人提出了一个基于生物特征的无证书在线/离线签密方案[Xia,Y,Huang,R,Jin,X,Zheng,H,&Ji,S.A Novel Certificateless Signcryption forE-Health Record System.2018 1st International Cognitive Cities Conference(IC3),2018.]。在他们的方案中，将签密分成了两个阶段：离线阶段和在线阶段。离线阶段在不知道消息的情况下完成大部分计算工作。当消息可用的时候，在线阶段只需要完成很少的计算就完成了整个签密过程。
上述基于生物特征的签密方法都没有讨论基于异构系统的通信问题。因此，很有必要设计一种新的基于生物特征的异构签密方法来保证发送端处于无证书环境，接收端处于基于身份环境的安全通信。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种基于生物特征的异构签密通信方法，能够实现无证书环境的发送端利用承诺的信息对消息进行加密，利用基于生物特征信息生成的私钥对消息进行签名，然后基于身份环境的接收端先解密消息，再验证签名的合法性。
技术方案：本发明所述的一种基于生物特征的异构签密通信方法，包括有以下步骤：
S1：初始化系统：KGC选择一个循环加法群G1，阶为素数p,G2为具有相同阶的循环乘法群；P为循环加法群G1的一个生成元，
Figure GDA0003771750100000021
是一个双线性映射；定义四个安全哈希函数：
Figure GDA0003771750100000022
H3:G2→{0,1}n，
Figure GDA0003771750100000023
其中n是发送明文信息的比特数；KGC随机选择一个主密钥
Figure GDA0003771750100000024
并且计算公钥Ppub＝sP；KGC选择
Figure GDA0003771750100000025
一个加密(编码)函数Ce和一个解码函数Cd，并且使用一个生物特征提取的方法Fe；公开系统参数
Figure GDA0003771750100000026
并且保密s，其中
Figure GDA0003771750100000027
S2：在无证书环境的发送端生成公钥和完全私钥，包括有以下步骤：
S2.1：发送端使用特征提取器Fe获得自己的生物特征数据bA,则发送端的身份字符串可以计算为IDA＝H5(bA),KGC计算相应的部分私钥
Figure GDA0003771750100000028
并且将DA发送给发送端，其中s为随机数，H1(IDA)为发送方身份ID的hash值，IDA为发送方的身份信息；
S2.2：无证书环境的发送端随机生成一个秘密值xA，
Figure GDA0003771750100000029
计算PKA＝xA(H1(IDA)P+Ppub)作为其公钥；
S2.3：发送端根据xA与接收到的来自私钥生成中心发送的部分私钥DA设置发送端的完全私钥
Figure GDA00037717501000000210
S3:在基于身份环境的接收方端生成公钥和私钥：基于身份环境的接收端使用特征提取器Fe获得用户的生物特征数据bB，则用户的身份信息可以计算为IDB＝H5(bB),KGC计算相应的私钥
Figure GDA0003771750100000031
并将SB发送给用户，其中H1(IDB)为接收方身份ID的hash值；
S4:无证书环境的发送端向基于身份环境的接收端发送消息m以及签密，包括有以下步骤：
S4.1：无证书环境的发送端获取基于身份环境的接收端的一段生物特征数据b′B以及相关的公共参数PARB，同时计算基于身份环境接收端的身份信息ID′B＝Rep(b′B,PARB)；
S4.2：无证书环境的发送端获取他自己的生物特征数据bA，并且计算其身份信息IDA＝H5(bA)；
S4.3：无证书环境的发送端随机生成一个随机数x，
Figure GDA0003771750100000032
并且计算承诺值r，r＝gx；
S4.4：无证书环境的发送端计算消息m的密文
Figure GDA0003771750100000033
其中
Figure GDA0003771750100000034
是异或运算，H3(r)是对承诺r进行hash运算；
S4.5：无证书环境的发送端计算Hash值h，h＝H4(m,IDA,PKA,r)；
S4.6：无证书环境的发送端生成签名S，S＝(x+h)SA；
S4.7：无证书环境的发送端生成验证值T，T＝x(H1(ID′B)P+Ppub)，其中H1(ID′B)为基于身份环境的接收端的身份信息ID′B的hash值；
S4.8：无证书环境的发送端计算与产生身份信息有关的公共参数
Figure GDA0003771750100000035
S4.9：最后生成消息m的签密密文σ，σ＝(c,S,T,PARA)，其中c为消息m的密文。
S5:在基于身份环境的接收端解签密来自发送端的签密密文σ，包括以下步骤：
S5.1：基于身份环境的接收端计算基于无证书环境发送端选择的一段生物特征数据b′A以及相关的公共参数PARA，并且计算基于无证书环境发送端的身份信息ID′A＝Rep(b′A,PARA)；
S5.2：基于身份环境的接收端使用特征提取器Fe获得他自己的生物特征数据bB，计算其相应的身份信息IDB＝H5(bB)；
S5.3：基于身份环境的接收端计算承诺值
Figure GDA0003771750100000041
S5.4：基于身份环境的接收端恢复消息
Figure GDA0003771750100000042
S5.5：基于身份环境的接收端计算Hash值h′，h′＝H4(m,ID′A,PKA,r)，
S5.6：验证等式
Figure GDA0003771750100000043
是否成立，如果成立，输出消息m，如果不成立，输出表示错误的符号。
作为优选，所述
Figure GDA0003771750100000044
表示不包括0的整数群。
作为优选，所述公钥PKA无需认证就可以发布。
作为优选，所述发送的明文信息m∈{0,1}n。
作为优选，所述Rep()是一个确定性的复制函数。
有益效果：本发明利用人体的生物特征信息(比如掌纹，虹膜，心电图等)作为用户的唯一的身份，使用户的身份认证过程具有更好的安全性和可靠性，为发送端基于无证书密码环境、接收端基于身份环境的情况提供了一种解决方案。
具体实施方式
本申请提供了一种基于生物特征的异构签密通信方法，具体包括有以下步骤：
S1：初始化系统：KGC选择一个循环加法群G1，阶为素数p,G2为具有相同阶的循环乘法群；P为循环加法群G1的一个生成元，
Figure GDA0003771750100000045
是一个双线性映射；定义四个安全哈希函数：
Figure GDA0003771750100000046
H3:G2→{0,1}n，
Figure GDA0003771750100000047
其中n是发送明文信息的比特数；KGC随机选择一个主密钥
Figure GDA0003771750100000048
并且计算公钥Ppub＝sP；KGC选择H5:b→{0,1}*，一个加密(编码)函数Ce和一个解码函数Cd，并且使用一个生物特征提取的方法Fe；公开系统参数
Figure GDA00037717501000000411
并且保密s，其中
Figure GDA0003771750100000049
S2：在无证书环境的发送端生成公钥和完全私钥，包括有以下步骤：
S2.1：发送端使用特征提取器Fe获得自己的生物特征数据bA,则发送端的身份字符串可以计算为IDA＝H5(bA),KGC计算相应的部分私钥
Figure GDA00037717501000000410
并且将DA发送给发送端，其中s为随机数，H1(IDA)为发送方身份ID的hash值，IDA为发送方的身份信息；
S2.2：无证书环境的发送端随机生成一个秘密值xA，
Figure GDA0003771750100000051
计算PKA＝xA(H1(IDA)P+Ppub)作为其公钥，且无需认证即可发布；
S2.3：发送端根据xA与接收到的来自私钥生成中心发送的部分私钥DA设置发送端的完全私钥
Figure GDA0003771750100000052
S3:在基于身份环境的接收方端生成公钥和私钥：基于身份环境的接收端使用特征提取器Fe获得用户的生物特征数据bB，则用户的身份信息可以计算为IDB＝H5(bB),KGC计算相应的私钥
Figure GDA0003771750100000053
并将SB发送给用户，其中H1(IDB)为接收方身份ID的hash值；
S4:无证书环境的发送端向基于身份环境的接收端发送消息m以及签密，发送的明文信息m∈{0,1}n，包括有以下步骤：
S4.1：无证书环境的发送端获取基于身份环境的接收端的一段生物特征数据b′B以及相关的公共参数PARB，同时计算基于身份环境接收端的身份信息ID′B＝Rep(b′B,PARB)，其中Rep()是一个确定性的复制函数；
S4.2：无证书环境的发送端获取他自己的生物特征数据bA，并且计算其身份信息IDA＝H5(bA)；
S4.3：无证书环境的发送端随机生成一个随机数x，
Figure GDA0003771750100000054
Figure GDA0003771750100000055
表示不包括0的整数群，并且计算承诺值r，r＝gx；
S4.4：无证书环境的发送端计算消息m的密文
Figure GDA0003771750100000056
其中
Figure GDA0003771750100000057
是异或运算，H3(r)是对承诺r进行hash运算；
S4.5：无证书环境的发送端计算Hash值h，h＝H4(m,IDA,PKA,r)；
S4.6：无证书环境的发送端生成签名S，S＝(x+h)SA；
S4.7：无证书环境的发送端生成验证值T，T＝x(H1(ID′B)P+Ppub)，其中H1(ID′B)为基于身份环境的接收端的身份信息ID′B的hash值；
S4.8：无证书环境的发送端计算与产生身份信息有关的公共参数
Figure GDA0003771750100000061
S4.9：最后生成消息m的签密密文σ，σ＝(c,S,T,PARA)，其中c为消息m的密文。
S5:在基于身份环境的接收端解签密来自发送端的签密密文σ，包括以下步骤：
S5.1：基于身份环境的接收端计算基于无证书环境发送端选择的一段生物特征数据b′A以及相关的公共参数PARA，并且计算基于无证书环境发送端的身份信息ID′A＝Rep(b′A,PARA)，其中Rep()是一个确定性的复制函数；
S5.2：基于身份环境的接收端使用特征提取器Fe获得他自己的生物特征数据bB，计算其相应的身份信息IDB＝H5(bB)；
S5.3：基于身份环境的接收端计算承诺值
Figure GDA0003771750100000062
S5.4：基于身份环境的接收端恢复消息
Figure GDA0003771750100000063
S5.5：基于身份环境的接收端计算Hash值h′，h′＝H4(m,ID′A,PKA,r)，
S5.6：验证等式
Figure GDA0003771750100000064
是否成立，如果成立，输出消息m，如果不成立，输出表示错误的符号。
通过本发明，利用人体的生物特征信息(比如掌纹，虹膜，心电图等)作为用户的唯一的身份，使用户的身份认证过程具有更好的安全性和可靠性，为发送端基于无证书密码环境、接收端基于身份环境的情况提供了一种解决方案。

Claims (3)

1.一种基于生物特征的异构签密通信方法，其特征在于：包括有以下步骤：
S1：初始化系统：KGC选择一个循环加法群G1，阶为素数p,G2为具有相同阶的循环乘法群；P为循环加法群G1的一个生成元，
Figure FDA0003771750090000011
G1×G2→G2是一个双线性映射；定义四个安全哈希函数：H1:
Figure FDA0003771750090000012
H2:
Figure FDA0003771750090000013
H3:G2→{0,1}n，
Figure FDA0003771750090000014
其中n是发送明文信息的比特数；KGC随机选择一个主密钥
Figure FDA0003771750090000015
并且计算公钥Ppub＝sP；KGC选择H5:b→{0,1}*，一个加密函数Ce和一个解码函数Cd，并且使用一个生物特征提取的方法Fe；公开系统参数
Figure FDA0003771750090000016
并且保密s，其中
Figure FDA0003771750090000017
S2：在无证书环境的发送端生成公钥和完全私钥，包括有以下步骤：
S2.1：发送端使用特征提取器Fe获得自己的生物特征数据bA,则发送端的身份字符串可以计算为IDA＝H5(bA),KGC计算相应的部分私钥
Figure FDA0003771750090000018
并且将DA发送给发送端，其中s为随机数，H1(IDA)为发送方身份ID的hash值，IDA为发送方的身份信息；
S2.2：无证书环境的发送端随机生成一个秘密值xA，
Figure FDA0003771750090000019
Figure FDA00037717500900000110
为不包括0的整数群，计算PKA＝xA(H1(IDA)P+Ppub)作为其公钥；
S2.3：发送端根据xA与接收到的来自私钥生成中心发送的部分私钥DA设置发送端的完全私钥
Figure FDA00037717500900000111
S3:在基于身份环境的接收方端生成公钥和私钥：基于身份环境的接收端使用特征提取器Fe获得用户的生物特征数据bB，则用户的身份信息可以计算为IDB＝H5(bB),KGC计算相应的私钥
Figure FDA00037717500900000112
并将SB发送给用户，其中H1(IDB)为接收方身份ID的hash值；
S4:无证书环境的发送端向基于身份环境的接收端发送消息m以及签密，包括有以下步骤：
S4.1：无证书环境的发送端获取基于身份环境的接收端的一段生物特征数据b′B以及相关的公共参数PARB，同时计算基于身份环境接收端的身份信息ID′B＝Rep(b′B,PARB)；
S4.2：无证书环境的发送端获取他自己的生物特征数据bA，并且计算其身份信息IDA＝H5(bA)；
S4.3：无证书环境的发送端随机生成一个随机数x，
Figure FDA0003771750090000021
Figure FDA0003771750090000022
为不包括0的整数群，并且计算承诺值r，r＝gx；
S4.4：无证书环境的发送端计算消息m的密文
Figure FDA0003771750090000023
其中
Figure FDA0003771750090000024
是异或运算，H3(r)是对承诺r进行hash运算；
S4.5：无证书环境的发送端计算Hash值h，h＝H4(m,IDA,PKA,r)；
S4.6：无证书环境的发送端生成签名S，S＝(x+h)SA；
S4.7：无证书环境的发送端生成验证值T，T＝x(H1(ID′B)P+Ppub)，其中H1(ID′B)为基于身份环境的接收端的身份信息ID′B的hash值；
S4.8：无证书环境的发送端计算与产生身份信息有关的公共参数
Figure FDA0003771750090000025
S4.9：最后生成消息m的签密密文σ，σ＝(c,S,T,PARA)，其中c为消息m的密文；
S5:在基于身份环境的接收端解签密来自发送端的签密密文σ，包括以下步骤：
S5.1：基于身份环境的接收端计算基于无证书环境发送端选择的一段生物特征数据b′A以及相关的公共参数PARA，并且计算基于无证书环境发送端的身份信息ID′A＝Rep(b′A,PARA)，Rep()是一个确定性的复制函数；
S5.2：基于身份环境的接收端使用特征提取器Fe获得他自己的生物特征数据bB，计算其相应的身份信息IDB＝H5(bB)；
S5.3：基于身份环境的接收端计算承诺值
Figure FDA0003771750090000026
S5.4：基于身份环境的接收端恢复消息
Figure FDA0003771750090000027
S5.5：基于身份环境的接收端计算Hash值h′，h′＝H4(m,ID′A,PKA,r)，
S5.6：验证等式
Figure FDA0003771750090000028
是否成立，如果成立，输出消息m，如果不成立，输出表示错误的符号。
2.根据权利要求1所述的一种基于生物特征的异构签密通信方法，其特征在于：所述公钥PKA无需认证就可以发布。
3.根据权利要求1所述的一种基于生物特征的异构签密通信方法，其特征在于：所述发送的明文信息m∈{0,1}n。
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Assignee: Huaian Haiheng Technology Co.,Ltd.

Assignor: HUAIYIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY

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Denomination of invention: A Biometric Based Heterogeneous Signcryption Communication Method

Granted publication date: 20220923

License type: Common License

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