CN1517889A - 具有身份认证功能的键盘装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有身份认证功能的键盘装置以及方法，特别是一种以使用者的行为习惯作为认证依据的身分认证系统。用户透过键盘装置键入一定长度的任意字符串，对这些键击时产生的电气信号变化波形取样，并整理取样所得的波形已撷取出使用者敲击按键的行为特征，统计用户击键特征的参数分布与预存的原始认证信息的吻合概率，及多个按键连击过程中的联合特征概率，判断出此次按键行为是否合法；对通过验证的用户，根据其权限，相应地开放部分或全部资源；因认证过程由独立于主机的键盘完成，且认证信息为个人使用习惯，攻击者很难透过观察他人的认证过程来窃取秘密，也难以模拟他人的输入习惯，该装置及其方法具有极高的安全强度。

Description

具有身份认证功能的键盘装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种具有身份认证功能的键盘装置及其方法，尤指一种以用户键击键盘的行为习惯作为身分认证依据，该装置和方法是一种具有高度的安全性及隐私保护功能的键盘身份认证系统的设计。

背景技术

传统的键盘是一种向计算机系统传送程序或资料的输入周边装置，其工作原理如图1所示。在传统键盘10架构中，按键开关采用矩阵排列，键盘扫描装置12不断地对键盘数组11进行行列扫描，一旦发现有按键按下，该键盘数组11即送出信号，经去抖动电路13对该信号过滤毛刺信息，即成为具有明确的按键状态信号，该信号为”1”时表示有按键已按下，该信号为”0”则反的；这样的信号最终为检测器14所检测。前述的毛刺信息乃按键时因开关接触产生的阻尼现象所致，其产生的大小关系着使用者按压时的力道大小与键盘10制作所采用的材质，而按键的力道大小又与使用者使用键盘10的习惯息息相关。换言之，传统键盘10所设计的去抖动电路13消除了一切能展现每一个使用者使用键盘的特有的个性化特征，因此传统键盘10在计算机周边的定义只是计算机的入口装置，它允许任意用户自由地通过它对系统进行操作，并无任何可对使用者身份作认证的安全机制。

随着计算机的广泛普及，用户对系统安全的要求日益提高，而建立在确保用户隐私权基础上的系统安全解决方案更成了关注的议题。为了提供系统一个安全的入口，目前常见建构于键盘的安全解决方案有以下两种。其中一种为利用IC卡进行身份验证的键盘，该种键盘的每一个合法用户均配备一张包含有认证信息的IC卡，使用键盘前，用户必须经过IC卡验证身份。通过身份验证者，键盘即送出一信号至系统，进而控制系统电源开机或是开放系统资源。然而IC卡属于外界赋予用户的特征，与用户自身没有实质性的联系，IC卡具有易遗失、易被窃取、复制容易等缺点，因此不能达到实质性的安全。

另一种具有身份认证功能的键盘为指纹键盘。这种键盘透过指纹扫描仪获得用户的指纹图像，以此作为身份验证的依据，进而识别用户的身份。这种认证方法以用户特有的指纹特征作为认证信息，因此具有较高的安全性能。但是，指纹验证与用户自身的联系过密，用户的隐私权被侵犯程度较高，并容易泄漏用户身份而造成用户利益的受损。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种具有身份认证功能的键盘装置，该键盘装置以用户行为习惯作为身份认证的依据，用户透过键盘装置键入一定长度的任意字符串，对这些键击时产生的电气信号变化波形取样，并整理取样所得的波形，以撷取出使用者敲击按键的行为特征，统计用户击键特征的参数分布与预存的原始认证信息的吻合概率，及多个按键连击过程中的联合特征机率，判断出此次按键行为是否合法；对通过验证的用户，根据其权限，相应地开放部份或全部资源；因认证过程由独立于主机的键盘完成，且认证信息为个人使用习惯，攻击者很难通过观察他人的认证过程来窃取秘密，也难以模拟他人的输入习惯，具有极高的安全强度及隐私保护功能。

依据前述，本发明的键盘装置包括有用户身份认证接口、键盘按键、认证控制器、按键波形采集器、信息验证器、加密器及储存单元；该用户身份认证接口，要求用户作身份验证，并将通过认证的新增用户产生一认证信息列表储存于储存单元中；该认证控制器控制按键波形采集器对用户击键的信号进行波形采样，藉以提取出该波形的特征信息；并由信息验证器对采样的用户击键特征与预存于认证信息列表的资料作身份的比对认证，对通过验证的用户，根据其权限，相应地开放部份或全部资源。

前述的键盘按键由键帽、薄膜、衬垫、二金属膜及基底所组成，该键帽的表面材料采用弹性阻尼材料，藉以使用户敲击键盘时遇到的阻力增大，迫使用户增大击键力度，从而凸显出用户击键的行为特征。该产生按键信号的金属膜中不均匀地掺杂入导电物质，使用户敲击键盘的行为特征通过按键波形放大而凸显出来。

本发明的另一目的即是前述的信息验证器在对单个按键进行多特征吻合概率统计，同时也对多个按键敲击进行概率联合统计，综合单按键多特征的吻合概率以及多按键的联合概率状况，可得到每一个按键的联合概率分布，从而判断用户对该按键的操作行为是否满足认证要求。

本发明的另一目的即是信息验证器与认证信息列表之间的通讯透过加密器进行数学加密，避免个人认证信息的泄漏。

以下将对本发明的结构设计与技术原理，作一详细的说明，并参阅所示附图，将对本发明的特征做更进一步了解。

附图说明

图1为为传统键盘的工作原理示意图；

图2为为本发明较佳实施例的键盘装置电路方块图；

图3为为本发明的薄膜式键盘按键的结构示意图；

图4为为本发明的系统工作流程图；

图5为为本发明的信息验证器工作流程图；

图6为为本发明的身份验证过程的信号波形示意图；

图中符号说明

10传统键盘

11键盘数组

12键盘扫描装置

13去抖动电路

14检测器

20键盘装置

21用户身份认证接口

22键盘按键

221薄膜

222衬垫

223基底

224金属膜

225键帽

23认证控制器

24按键波形采集器

25信息验证器

26加/解密器

30系统

31认证信息列表

32储存单元

具体实施方式

本发明的具有身份认证功能的键盘装置应用于任何需用到按键作为输入信息的装置，例如：计算机、电话(包含手提式无线电话或有线电话等)、个人数字助理器(PDA)等电子装置，如图2所示，该键盘装置20主要包括有：

一用户身份认证接口21，要求用户作身份验证，进而使用系统30资源或请求成为合法用户，未通过认证的用户将无法通过进入正常的系统30操作接口，而新用户则于此由系统管理员增加或完成身份认证操作，并将通过认证的新增用户产生一认证信息列表31储存于储存单元32中。

至少一键盘按键22(如图3所示)，供用户击键输入资料，并将用于验证身份的字符串处理为具有个性化的波形特征传送至按键波形采集器24；

该按键22由绝缘材料制成的薄膜221、衬垫222及基底223所组成，该基底223与薄膜222相对的面上，分别设有一层金属膜224。薄膜222上装有键帽225，键帽225未按压时，上下金属膜224因薄膜222所具有的弹性而呈自动分离状态；按压键帽225的压力将使上下金属膜224相互接触导通而产生按键信号。另外，于本较佳实施例中对前述按键架构进行了一些特殊的处理，该键帽225的表面材料采用高弹性阻尼材料，藉以增大用户敲击按键的阻力，迫使用户增大击键力度，使按键信号能凸显出用户击键的行为特征，前述的金属膜224中不均匀地掺杂入导电物质，将使用户敲击键盘产生的行为特征波形放大而凸显出来，并可以为波形采集器24所捕捉。

一认证控制器23(如图2所示)，用以判断目前键盘20的使用模式状态，包括有管理者模式、身份认证模式及正常操作模式；用于管理员模式时，需要向认证信息列表31添加新用户的原始认证信息；用于身份认证模式时，需要控制按键波形采集器24对用户击键的信号进行波形采样；用于正常操作模式时，将允许用户通过键盘20直接访问系统30。

一按键波形采集器24(如图2所示)，采样经过波形整理后用户按键波形，藉以提取出该波形的特征信息，例如，此波形的频谱分布、敲击各按键的延时统计、各按键的敲击强度统计等，而这些特征是每个按键用户所特有的。

一信息验证器25(如图2所示)，这是键盘装置20中身份认证的主体，用以对采样的用户击键特征与预存于认证信息列表31的资料作身份的比对认证。

一加/解密器26(如图2所示)，这是对所有往来于信息验证器和认证信息列表间的信息进行加密(或解密)动作，以避免个人认证信息的泄漏。

一储存单元32(如图2所示)，可独立于键盘装置之外，如：利用应用装置原有的存储组件(计算机系统的硬盘、闪存(flash)等)，亦能结合于键盘装置20内，用以储存认证信息列表31。

如图4所示，为本发明实施例的系统工作流程图；以计算机为例，步骤S1为用户在激活计算机初次使用时，该用户身份认证接口21将先进入管理者模式，由管理者确定其身份后获准设置为新的用户，并被赋予一定的系统权限。用户身份认证接口21将要求用户键入一定长度的字符串作为原始认证信息。该按键22将对击键输入的数据处理为具有个性化的波形特征，经按键波形采集器24对该按键波形采样和分析提取出波形的各个特征，如波形的频谱分布、敲击各按键的延时统计、按键的敲击强度统计等作为认证资料。

步骤S2在获得原始认证数据后，采用Hash函数处理此原始认证信息，获得原始认证信息的消息摘要，将前述消息摘要保存在键盘装置20中，以便日后认证过程再次使用这些信息时，可以确认保存的原始认证信息的完整和未被修改。

在本实施例中，认证信息列表31可储存于硬盘中，则步骤S3前述认证资料必须通过加/解密器26数学加密后，则步骤S4以密文的型式增列至认证信息列表31中，作为日后认证的依据。当然，此认证信息列表31也可以内存或闪存的方式，归并在键盘装置20中，这样键盘装置20将成为封闭而且独立的认证设备，此时加/解密器26即可以省略。

步骤D1为非首次访问该计算机的用户，由认证控制器23判断是否已经通过身份认证。如果，用户已通过身份认证，则直接进入系统30正常操作接口，允许用户通过键盘，对其具有权限部分的系统30资源进行操作。

若尚未通过身份认证，则步骤D2设定为该用户被要求任意键入一定长度的字符串，此字符串长度可根据相应的系统安全要求而灵活设定。步骤D3设定为信号采集器24采样该用户敲击键盘时的电信号变化波形，并对采样得到的波形进行整理；步骤D4设定为信息验证器25接收前述采集到的按键波形，并具体实施身份认证过程。若认证成功，则步骤D6为信息验证器25分别通知身份认证接口21和认证控制器23，根据该用户拥有的访问权限，相对应地开放部分或全部系统30资源，供用户使用；否则，步骤D5则向身份认证接口21和认证控制器23发送错误信息，拒绝用户的资源访问请求，并严密保护系统资源30。

管理者所允许用户资料完全建立于认证信息列表31后，下一次欲使用系统30时，除非是管理者本人，否则系统30将永远处于使用模式状态下。

以下将详细说明信息验证器25中的身份认证过程(步骤D4)。如图5所示，为本发明信息验证器的工作流程图；步骤R1信息验证器25首先接收由波形采集器24采样并整理用户按键波形，由于用户敲击键盘的特征具有固有概率，因此可将用户的按键特征从按键波形中提取出，如此波形的频谱分布、敲击各按键的延时统计、各按键的敲击强度统计等。信息验证器25与认证信息列表31的间的通讯必须经由加解密器26进行数学加密，因此送至认证信息列表31中的信息均为经过加密的密文，以避免了个人认证信息的泄漏。步骤R2将经过加密后的认证信息提交给认证信息列表31进行查表，取得原始认证信息中各特征信息相应的标准统计曲线；步骤R3在获得原始认证信息后，首先通过Hash函数获取原始认证信息的消息摘要，将此摘要与保存在键盘装置20中的原始认证信息的消息摘比较，确认所获得的原始认证信息是否完整，是否未被改动，若匹配，方可进入以下校验。步骤R4信息验证器25将认证信息与其相应的标准统计曲线进行相关处理，所得到各个特征的相关曲线可以体现出每一按键特征的吻合概率(如步骤R5)。另外，用户连续敲击多个按键的过程也体现了该用户的某些习惯，如对于击键的间隔时间、敲击不同按键的连贯程度等，因此，信息验证器25在对单个按键进行多特征吻合概率统计同时，也在对多个按键敲击进行概率联合统计(如步骤R6)。

综合单按键多特征的吻合概率以及多按键的联合概率状况，可得到每一个按键的联合概率分布，从而判断用户对该按键22的操作行为是否满足认证要求。例如，信息验证器25总共对每个按键提取了6个按键特征信息，并综合考虑了2个多按键联合特征，分别进行校验，其中，3个特征信息达到75％的吻合概率，1个特征信息的吻合概率为35％，另外两个特征信息的吻合概率为55％；而2个按键联合特征的吻合状况是一个概率为80％，另一个为45％，则可以得到61.875％的综合分布概率，以此综合分布机率判断此次按键行为的合法性(如步骤R7)。

信息验证器25同时对键盘装置20上的每个按键22进行监控，统计所有按键动作中合法按键行为的概率，以此概率作为最终通过认证的直接依据，例如，用户输入100个字符的字符串，其中75个字符的按键行为为合法操作，达到了75％的合法按键概率，则认为该用户为合法用户。系统管理人员还可以灵活地设定合法按键概率标准，从而实现不同安全要求的身份认证(如步骤R6)。

图6为本发明实施例身份验证过程的信号波形示意图；包括：图6a显示存放于认证信息列表31中的标准认证曲线，此曲线是合法用户的按键波形的特征统计曲线，以频谱分布图为例。图6b显示对合法用户验证身份时的频谱分布图，可以看到二者具有一定的相关性。而图6c显示非法用户按键波形的频谱分布图，它和标准曲线的变化趋势不具有相似的特征。将欲认证用户的频谱曲线图6b与认证信息列表3 1中记录的该用户标准频谱曲线图6a进行相关校验，可以观察到相关处理的结果是标准的门限波峰曲线，说明此二曲线较好的吻合，此曲线即为图6d所示。而从图6e中可以看到，非合法用户的频谱曲线与标准曲线具有不同的特征，因此相关得到的结果不存在上述标准的分布曲线性质。从相关后的曲线可以计算出该特性信息与原始认证信息的吻合概率。

本发明在身份验证方面具有很独特的优势。如下：

1.身份认证信息为个人的行为习惯，不需要记忆，也不会遗忘。

2.不同的安全要求可以用同样的设备，而设置不同的输入字符串长度和不同的概率分布区间要求来完成，在安全设置上非常灵活。

3.每个人可以随意选择不同的输入字符串，攻击者很难通过观察他人的认证过程来窃取秘密，也难以模拟他人的输入习惯，在安全上具有很大的强度。

4.个人的输入习惯经过安全键盘的变换，无从反推出个人身份，在个人的隐私保护上具有明显的优势。

综上所述，本发明所提供的具有身份认证功能的键盘装置及其方法，对键盘装置进行了特殊的处理，从而使用户敲击键盘的行为习惯可以被捕获，并以此为认证的依据；在身份认证的过程中，不是认证信息的简单对照，而是对行为的特征进行概率统计，通过认证的特征信息分布必须符合一定的分布区间要求；另外，该身份认证方法的所有的数据处理工作由安全键盘独立完成，不经由主机处理，使得此种身份认证方式可以更有效的保证系统安全，且本发明为前所未有的设计，具有显著的创造性和新颖性。确实已符合发明专利的申请要件。

唯以上所叙述的技术、附图、程序或控制等方法，仅仅为本发明较佳实施例的一而已；举凡依本发明申请专利范围的技术所作的均等变化或修饰或撷取部分功能的雷同制作，皆仍属本发明专利权所涵盖的范围；当不能依此限定本发明实施的范围。

Claims (13)

1.一种具有安全验证功能的键盘装置，其特征在于，包括有：

一用户身份认证接口，要求用户作身份验证，并将通过认证的新增用户产生一认证信息列表；

一按键波形采集器，采样用户按键波形，藉以提取出该波形的特征信息；

至少一键盘按键，供用户击键输入资料，并将用于验证身份的字符串处理为具有个性化的波形特征传送至该按键波形采集器；

一认证控制器，判断键盘的使用模式状态，进而控制一信息验证器或该按键波形采集器；

该信息验证器，对采样的用户击键特征与一储存单元预存的认证信息列表作身份的比对认证，并由该认证控制器于身份认证通过准予使用系统。

2.如权利要求1所述的具有安全验证功能的键盘装置，其特征在于，该键盘按键由一键帽、一薄膜、一衬垫及一基底所组成，该基底与该薄膜相对的面上分别有一层金属膜，该键帽设于该薄膜之上。

3.如权利要求2所述的具有安全验证功能的键盘装置，其特征在于，该金属膜不均匀地掺杂一导电物质。

4.如权利要求2所述的具有安全验证功能的键盘装置，其特征在于，该键帽表面采用一弹性阻尼材料。

5.如权利要求1所述的具有安全验证功能的键盘装置，其特征在于，该信息验证器与该储存单元间更包括有一加/解密器，用以对该认证信息列表的存入和读取，均进行数学加密处理。

6.如权利要求1所述的具有安全验证功能的键盘装置，其特征在于，该使用模式状态包括有一管理者模式、一身份认证模式及一正常操作模式，用于该管理者模式时，将向该认证信息列表添加新用户的原始认证信息；用于该身份认证模式时，将控制该按键波形采集器对用户击键的信号进行波形采样；用于该正常操作模式时，将允许用户通过键盘直接访问系统。

7.如权利要求1所述的具有安全验证功能的键盘装置，其特征在于，更包括有一用以储存认证信息列表的储存单元，其可独立于键盘装置之外，亦能结合于键盘装置内。

8.如权利要求7所述的具有安全验证功能的键盘装置，其特征在于，该储存单元为计算机系统内的一硬盘或一闪存。

9.一种具有安全验证功能的键盘装置的用户身份认证方法，其特征在于，主要以用户敲击键盘的行为习惯作为身份认证的依据，包括以下步骤：

a.设定一认证信息列表的原始认证信息；

b.用户通过键盘装置输入一定长度的字符串，对用户敲击按键所造成的电信号变化波形进行采样，并提取该按键波形信号的特征信息；

c.统计用户击键特征的参数分布与该认证信息列表中的原始认证信息的吻合概率，以及多个按键连击过程中的联合特征概率，以判断此次按键行为是否合法；并统计所有按键，行为中合法按键的概率，此概率达到一定要求，方可通过验证；

d.对通过验证的用户，根据其权限，相应地开放部分或全部资源；若认证失败，拒绝用户的任何资源访问请求。

10.如权利要求9所述的具有安全验证功能的键盘装置的用户身份认证方法，其特征在于，该步骤a保存原始认证信息时，对原始认证信息进行Hash函数运算，获得认证信息摘要，并将其保存在安全键盘装置中。正式认证中读取储存单元原始认证信息时，再经过Hash函数运算，确定该原始认证信息有否经过改动。

11.如权利要求9所述的具有安全验证功能的键盘装置的用户身份认证方法，其特征在于，该步骤b用于身份认证的字符串的内容是任意的，其长度亦可根据安全要求的不同而灵活设置。

12.如权利要求9所述的具有安全验证功能的键盘装置的用户身份认证方法，其特征在于，该步骤c可设定不同的概率统计标准作为认证的标准，从而满足不同等级的安全要求。

13.如权利要求9所述的具有安全验证功能的键盘装置的用户身份认证方法，其特征在于，该步骤c系提取按键波形的多个特征信息，分别判断各特征与该认证信息列表中对应的原始认证信息的吻合概率，再根据前述的判断结果，综合考量前述各个特征的联合分布概率，以判定此次按键行为是否合法。

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