WO2008151540A1 - Procédé, système et dispositif pour générer une clé de groupe - Google Patents
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- WO2008151540A1 WO2008151540A1 PCT/CN2008/071104 CN2008071104W WO2008151540A1 WO 2008151540 A1 WO2008151540 A1 WO 2008151540A1 CN 2008071104 W CN2008071104 W CN 2008071104W WO 2008151540 A1 WO2008151540 A1 WO 2008151540A1
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Definitions
- the present invention relates to the field of network communications, and in particular, to a method, system and device for generating a group key. Background technique
- Ad Hoc (self-organizing) network is a multi-hop, self-organizing, topology dynamic network, node mobile frequency
- the power reserve is limited, and the trust relationship between nodes and the wireless transmission link are relatively poor, which makes the design of the group key agreement protocol of the Ad Hoc network very different from the traditional scheme.
- the Ad Hoc network in order to ensure communication security, it is usually necessary to encrypt and transmit the message. Due to the efficiency advantage of the symmetric cryptosystem, the group shared key can greatly reduce the complexity of message processing. .
- the Ad hoc network is also a dynamic peer group, which lacks fixed trusted third party support. Therefore, the group session key used to encrypt messages must be established through negotiation among all group members to improve the security of the group key. Sex.
- the Ad Hoc network group key agreement protocol should also consider the dynamic topology of the network. The key agreement protocol is required to implement the forward security and backward security of the key, and can effectively support the joining and exiting of the node.
- the existing group key negotiation scheme is based on the discrete logarithm problem on the finite field.
- 2 indicates the number of group members; 1 ⁇ 2 indicates that the number is i. Member of the group; "Indicating the chosen organizer, the organizer is temporary and may be held by any member.
- FIG. 1 is a flowchart of a method for a group key negotiation scheme in the prior art, the group key negotiation scheme is as follows:
- a ⁇ be a large prime number, which is a set of integer modulo P, which is an element of , and the order of q is the smallest positive integer satisfying the equation ⁇ lm 0 d .
- All members select the DH secret value, generate a DH public value based on the DH secret value, and broadcast the generated DH public value in the group.
- the members in the group randomly select the DH secret value r.e z.
- the DH public value ⁇ is generated according to the selected DH secret value, and the generated DH public value ⁇ is broadcasted in the group.
- i takes 1, 2, ..., n.
- the organizer After receiving the DH public value of other members, the organizer selects a secret index, generates an intermediate message according to the secret index and the DH public value, broadcasts the intermediate message in the group, and generates a group key.
- Key g.
- the members in the group After receiving the intermediate message broadcast by the organizer, the members in the group extract the secret index, and generate a group key according to the secret index and the DH public value of each member.
- the group key is generated based on the changed members. The calculation process is similar to the above steps and will not be described again.
- embodiments of the present invention provide a method, system, and device for generating a group key.
- the technical solution is as follows:
- the members in the group form a star structure, and the organizer is selected among the members of the group;
- the members in the group randomly select DH confidential values according to the system parameters, generate DH public values according to the system parameters and the selected DH confidential values, and broadcast the DH public values in the group;
- the organizer After receiving the DH public value of other members in the group, the organizer selects a secret index, calculates an intermediate message DH value according to the secret index, generates an intermediate message carrying the intermediate message DH value, and broadcasts the middle in the group. a message, and generating a group key according to the selected DH secret value and the DH public value of other members in the group other than the organizer;
- the other members in the group other than the organizer calculate the DH secret value selected by the organizer according to the intermediate message, according to the received After the organizer's DH public value verifies that the DH secret value is correct, the group key is generated according to the DH secret value and the DH public value of other members in the group.
- An embodiment of the present invention further provides a system for generating a group key, where the system includes: a communication device for an organizer and a communication device for a member;
- the communication device for the organizer is configured to select a DH secret value according to the system parameter, generate a DH public value according to the system parameter and the selected DH secret value, and broadcast the DH public value in the group; receive other devices After the DH public value, the secret index is selected, and the intermediate message DH value is calculated according to the secret index, and the intermediate message DH value is generated and generated. Intermediate message, and broadcasting the intermediate message within the group; and generating a group key according to the selected DH secret value and the DH public value of all devices in the group;
- the communication device for the member is configured to select a DH secret value according to the system parameter, generate a DH public value according to the system parameter and the selected DH secret value, and broadcast the DH public value; and receive the organizer for receiving After the DH public value and the intermediate message broadcast by the communication device, calculate the DH secret value selected by the organizer according to the intermediate message, and verify that the DH confidential value is correct, according to the DH public value of all devices in the DH confidential value group. Generate a group key.
- the embodiment of the present invention further provides a communication device, where the communication device includes:
- a system parameter selection module for selecting system parameters based on an elliptic curve
- a DH public value generation and broadcast module configured to select a DH secret value according to the system parameter selected by the system parameter selection module, generate a DH public value according to the system parameter and the selected DH secret value, and broadcast the DH public value;
- the intermediate message generating and broadcasting module is configured to: after receiving the DH public value broadcasted by the other communication device, select a secret index, calculate an intermediate message DH value according to the secret index, and generate a DH secret selected by the broadcast module according to the DH public value. a value, generating an intermediate message carrying the intermediate message DH value, and broadcasting the intermediate message;
- An organizer group key generation module configured to receive a DH public value broadcasted by another communication device, and generate, according to the DH public value, a DH secret value selected in the broadcast module and a DH public value broadcast by the other communication device. Group key.
- the embodiment of the invention further provides a communication device, where the communication device includes:
- a system parameter selection module for selecting system parameters based on an elliptic curve
- a DH public value generation and broadcast module configured to select a DH secret value according to the system parameter selected by the system parameter selection module, generate a DH public value according to the system parameter and the selected DH secret value, and broadcast the DH public value;
- a member group key generation module configured to receive a DH public value and an intermediate message broadcast by other communication devices, calculate a DH secret value selected by the organizer according to the intermediate message, and display a DH public value broadcasted by the communication device that broadcasts the intermediate message according to the intermediate message After verifying that the DH confidentiality value is correct, the group key is generated according to the DH secret value and the DH public value broadcasted by other communication devices other than the communication device that broadcasts the intermediate message.
- the technical solution provided by the embodiment of the present invention is based on an elliptic curve cryptosystem.
- the organizer securely transmits the secret index to other members in the group through the intermediate message DH value shared with other members, and finally all members negotiate based on the public key cryptography on the elliptic curve.
- the group key is obtained, and compared with the existing technical solution, when the same security is achieved, the calculation speed is fast, the storage space is small, and the network bandwidth requirement is low.
- 1 is a flow chart of a method for generating a group key provided by the prior art
- 2 is a flowchart of a method for generating a group key according to Embodiment 1 of the present invention
- FIG. 3 is a schematic diagram of a star structure of a group member provided by Embodiment 1 of the present invention.
- FIG. 4 is a schematic diagram of a star structure composed of members of a group when a member is added according to Embodiment 2 of the present invention
- FIG. 5 is a flowchart of a method for generating a group key when a member joins according to Embodiment 2 of the present invention
- FIG. 6 is a schematic diagram of a star structure composed of members of a combined time group according to Embodiment 3 of the present invention.
- FIG. 7 is a flowchart of a method for combining and generating a group key in combination according to Embodiment 3 of the present invention.
- FIG. 8 is a structural diagram of a system for generating a group key according to Embodiment 6 of the present invention.
- FIG. 9 is a structural diagram of a communication device according to Embodiment 7 of the present invention.
- FIG. 10 is a structural diagram of another communication device according to Embodiment 8 of the present invention. detailed description
- the embodiment of the invention provides a method, a system and a device for generating a group key for an Ad Hoc network.
- the group members form a star structure, and a member is selected as an organizer, which is responsible for passing the secret index to other members.
- the shared intermediate message DH value is securely transmitted to other members of the group, and finally all members negotiate the group key based on the public key cryptography on the elliptic curve.
- the intermediate message DH value is based on the Diffie-Hellman Key Agreement (DH Key Agreement Protocol) on the elliptic curve.
- the embodiment of the present invention is based on an elliptic curve cryptosystem.
- Elliptic Curves Cryptography ECC was independently developed by Neal Koblitz and Victor Miller in 1985.
- This cryptosystem has the characteristics of high security performance, small amount of calculation, short key length, fast processing speed, small storage space occupation and low bandwidth requirement. Therefore, it has broad application prospects in the security field.
- elliptic curve cryptosystems have been used, such as ANSI (American National Standard Institute, IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), ISO (International Standardization Organization, International). Standardization organizations) and NIST (National Institute of Standards and Technology, National Institute of Standards and Technology) and other standardization organizations are included as standards.
- Example 1 Example 1
- FIG. 2 is a flowchart of a method for generating a group key according to an embodiment of the present invention. The specific steps of the method are as follows:
- a group of members lk, ..., 1 ⁇ 2 form a star structure, and select an organizer to serve as the axis.
- the organizer is not a trusted institution, is temporary, and can be held by any member. See Figure 3 for a schematic diagram of the star structure of the group members.
- ⁇ , ⁇ is a public base point, the order of which is a large prime number g (-like g ⁇ l20bit S ).
- G ⁇ 0, P, 2P, ..., - It can be seen that G is a finite cyclic Abel group, and q is a cycle period.
- the member in the group selects the DH confidential value r.ez according to the system parameter, generates the DH public value according to the DH confidential value r. and the public base point.
- the second (,, ) two ⁇ ⁇ , and broadcasts the DH public value in the group. ( , , ) ⁇ ⁇ , where i is taken 1, ..., n.
- the intermediate message may also be generated according to the received y-axis coordinate values of the DH public value of the other member, the selected secret index z, the DH secret value, and the intermediate message DH value.
- the principle of generating an intermediate message according to the received XH coordinate value of the other member's DH public value, the selected secret index z, the DH secret value and the intermediate message DH value zP is similar, and will not be described again.
- the purpose of the verification equation is to verify that the DH secret value selected by the organizer has not been tampered with.
- the group keys calculated by the members in each group are the same result, that is, the group key. value.
- This embodiment provides a method for negotiating a group key when a new member joins the group.
- This embodiment is based on Embodiment 1, and assumes that the group ⁇ «, ⁇ , ..., ft ⁇ has performed the basic negotiation provided in Embodiment 1, and obtained the shared secret. .
- Existing members need to join the group ft. They are represented by ft +1 , I , ..., ft« respectively.
- the negotiation process of the new key only needs the participation of the newly added t members and the organizer. See Figure 4, ⁇ ,, a, ..., ft « together form a star structure.
- ⁇ , a, ... the axis coordinate value of the shared key
- all members in the group know in advance that the organizer "choose X coordinate or y coordinate as z'.
- the new member l (i ⁇ ⁇ n+l, ..., n+t) ) receives the organizer's "intermediate message of the broadcast"
- step 304 New member l U ⁇ ⁇ n+l, ..., n+t ⁇ )
- the purpose of the verification equation is to verify that the DH secret value selected by the organizer has not been tampered with.
- K' r , p+ / n+2 p+''' t p).
- members in each group are 1 ⁇ 2 (ie ⁇ 1, ..., ) Calculate the new group key ⁇ : + ⁇ ⁇ + +2 ⁇ + ⁇ ⁇ ), and the newly added members retain the value received by the member during the key negotiation phase.
- the purpose of the verification equation is to verify that the DH secret value selected by the organizer has not been tampered with.
- This embodiment provides a negotiation method for generating a group key when combined.
- This embodiment is based on the embodiment 1.
- the existing groups need to be merged, and are respectively represented by 1 ⁇ 2, G 2 , ..., and each group has ⁇ members, that is, Gi: ⁇ U , ⁇ ⁇ , ..., u mi ⁇ U ⁇ , t ⁇ ), and each group has already performed the basic negotiation provided by Embodiment 1, and the members in the group share the group key £.
- the new organizer is selected, G is the merge group, and G 2 , ... is the sub-merger group.
- the operation of the protocol only needs the organizer & participation of each group. Referring to Figure 6, the groups that need to be merged together form a star structure. , see Figure 7, the key negotiation process between them is as follows:
- the purpose of the verification equation is to verify that the selected DH secret value has not been tampered with.
- This embodiment provides a method for generating a group key when a member quits.
- ⁇ ' 2 ⁇ + ⁇ + r h _ x P + r h+l P + r ⁇ P + r h+ P + ⁇ ⁇ ⁇ + r intersectP ).
- This embodiment provides a method for negotiating a group key in large-scale group communication.
- This embodiment is based on Embodiment 1.
- the grouping method it can be grouped according to the unique machine code corresponding to each node device (similar to the MAC address of the Ethernet network card), or grouped by geographical location, etc.
- the specific process of the protocol is as follows:
- the organizer of G is selected as the organizer of the large group, and the organizers of each subgroup represent the subgroups and form a star structure, and the basic protocol in Embodiment 1 is run again.
- an embodiment of the present invention provides a system for generating a group key, including:
- a communication device for the organizer configured to select a DH secret value according to the system parameter, generate a DH public value according to the system parameter and the selected DH secret value, and broadcast the DH public value in the group; after receiving the DH public value of the other device Selecting a secret index, calculating an intermediate message DH value according to the secret index, generating an intermediate message carrying the intermediate message DH value, and broadcasting the intermediate message within the group; and generating according to the selected DH confidential value and the DH public value of all devices in the group Group key.
- a communication device for the member configured to select a DH secret value according to the system parameter, generate a DH public value according to the system parameter and the selected DH secret value, and broadcast the DH public value; receive the DH disclosure for the organizer's communication device broadcast After the value and the intermediate message, the DH secret value selected by the organizer is calculated according to the intermediate message, and after verifying that the DH secret value is correct, the group key is generated according to the DH public value of all devices in the DH secret value group.
- the communication device for the organizer and the communication device for the member in the system also include:
- a group key update module is used to notify the re-generation and broadcast of a new DH public value when a new member joins or exits the group.
- an embodiment of the present invention provides a communications device, including:
- a system parameter selection module is used to select system parameters based on an elliptic curve.
- the DH public value generation and broadcast module is configured to select a DH secret value according to the system parameter selected by the system parameter selection module, generate a DH public value according to the system parameter and the selected DH secret value, and broadcast the generated DH public value.
- the intermediate message generating and broadcasting module is configured to: after receiving the DH public value broadcasted by the other communication device, select a secret index, calculate an intermediate message DH value according to the secret index, generate a DH confidential value selected by the broadcast module according to the DH public value, and generate the carrying Intermediate message of intermediate message DH value, and broadcast intermediate message.
- the organizer group key generation module is configured to receive the DH public value broadcasted by the other communication device, and generate a group key according to the DH public value selected and the DH public value selected by the broadcast module and the DH public value broadcast by the other communication device.
- the communication device when a member joins or quits, the communication device further includes: a group key update module, configured to notify the DH public value generation and the broadcast module to generate and broadcast when a new member joins or exits the group.
- the new DH public value when a member joins or quits, the communication device further includes: a group key update module, configured to notify the DH public value generation and the broadcast module to generate and broadcast when a new member joins or exits the group. The new DH public value.
- the group key update module notifies the DH public value generation and the system parameter selected by the broadcast module according to the system parameter selection module. Select a new DH secret value for the organizer and the new member, generate a new DH public value based on the system parameters and the selected new DH secret value, and broadcast the new DH public value.
- the new secret index is selected
- the intermediate message DH value is calculated according to the new secret index
- the new DH secret value selected by the broadcast module is generated according to the DH public value.
- a new intermediate message carrying the intermediate message DH value is generated and a new intermediate message is broadcast.
- the organizer group key generation module generates a new group key based on the DH public value to generate a new DH secret value selected in the broadcast module and a DH public value of a new member broadcasted by other devices.
- the group key update module notifies the DH public value generation and the broadcast module to select a new DH secret value according to the system parameter selected by the system parameter selection module, generates a new DH public value according to the system parameter and the selected new DH secret value, and broadcasts a new value.
- DH public value notifies the DH public value generation and the broadcast module to select a new DH secret value according to the system parameter selected by the system parameter selection module, generates a new DH public value according to the system parameter and the selected new DH secret value, and broadcasts a new value.
- DH public value notifies the DH public value generation and the broadcast module to select a new DH secret value according to the system parameter selected by the system parameter selection module, generates a new DH public value according to the system parameter and the selected new DH secret value, and broadcasts a new value.
- the new secret index is selected
- the intermediate message DH value is calculated according to the new secret index
- the new DH secret value selected by the broadcast module is generated according to the DH public value.
- a new intermediate message carrying the intermediate message DH value is generated and a new intermediate message is broadcast.
- the organizer group key generation module generates a new group key based on the DH public value to generate a new DH secret value selected in the broadcast module and a DH public value of the remaining members broadcasted by other devices.
- an embodiment of the present invention further provides a communications device, including:
- a system parameter selection module is used to select system parameters based on an elliptic curve.
- the DH public value generation and broadcast module is configured to select a DH secret value according to the system parameter selected by the system parameter selection module, generate a DH public value according to the system parameter and the selected DH secret value, and broadcast the generated DH public value.
- a member group key generation module configured to receive a DH public value and an intermediate message broadcast by other communication devices, calculate a DH secret value selected by the organizer according to the intermediate message, and verify the DH secret value according to the DH public value broadcasted by the communication device of the broadcast intermediate message.
- the group key is generated based on the DH secret value and the DH public value broadcast by other communication devices other than the communication device that broadcasts the intermediate message.
- the communication device when a member joins or quits, the communication device further includes: a group key update module, configured to notify the DH public value generation and the broadcast module to generate the newly joined member when a new member joins And broadcast the DH public value.
- a group key update module configured to notify the DH public value generation and the broadcast module to generate the newly joined member when a new member joins And broadcast the DH public value.
- the group key update module When a new member joins, notifies the DH public value generation and the broadcast module to select a DH secret value for the new member according to the system parameter selected by the system parameter selection module, and generates a new member according to the system parameter and the selected DH secret value.
- DH exposes the value and broadcasts the DH public value of the new member; after the member group key generation module receives the intermediate message, The intermediate message calculates the new DH secret value selected by the organizer, and after verifying that the new DH secret value is correct according to the received organizer's new DH public value, generates a DH of the new member broadcasted by the broadcast module according to the new DH secret value and the DH public value.
- the public value generates a new group key.
- the new DH secret value selected by the organizer is calculated according to the new intermediate message, and the new DH secret value is verified according to the received organizer's new DH public value.
- a new group key is generated based on the new DH secret value and the DH public value to generate a DH public value with the remaining members of the broadcast module broadcast.
- the key length and system parameters of the elliptic curve system are much smaller than those of RSA and DSA.
- the 160-bit ECC (Elliptic Curve Ciphers) has the same security strength as the 1024-bit RSA and DSA.
- the 210-bit ECC has the same security strength as the 2048-bit RSA and DSA, which means that it occupies less storage space. Much more.
- ECC has smaller parameters than RSA and DSA.
- the difference in parameter size is more pronounced.
- the benefits of smaller parameters are faster calculations, shorter keys, and smaller key certificates, resulting in shorter signature lengths and cipher text lengths.
- elliptic curve ciphers can achieve higher security with less overhead (such as bandwidth, computational load, storage space, power consumption, etc.) and delay, especially for computing power and bandwidth-constrained situations, such as Ad. Secure communication in a Hoc network environment. Compared with similar solutions, it has the characteristics of fast calculation speed, small storage space occupation and low network bandwidth requirement when achieving the same security.
- the joining and exiting of the member is supported. Since only the newly joined member and the organizer participate in the participation agreement when the member joins, only the organizer reselects the random number when the member exits, and the random numbers of the remaining members do not have to be reselected. Therefore, the calculation speed is fast, the storage space is small, and the use is flexible.
- the technical solution provided by the embodiment of the present invention can effectively reduce the computing load of the organizer under the condition of increasing the small traffic when the large-scale group communication is performed.
- the protocol is based on elliptic curve cryptosystem, it can achieve higher protocol operation efficiency, including lower protocol interaction rounds, lower network bandwidth usage, smaller key storage space and Faster calculation speed, etc.
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Description
一种生成组密钥的方法、 系统和设备 技术领域
本发明涉及网络通信领域, 特别涉及一种生成组密钥的方法、 系统和设备。 背景技术
Ad Hoc (自组织) 网络是一种多跳、 自组织、 拓扑结构动态变化的网络, 节点移动频 说
繁, 电能储备有限, 而且节点之间的信任关系以及无线传输链路都比较差, 使 Ad Hoc网络 的组密钥协商协议的设计与传统方案有很大的不同。在 Ad Hoc网络中, 为了保证通信安全, 通常需要对消息进行加密后再传输, 由于对称密码体制在效率上的优势, 因此采用群组共 享密钥能在很大程度上降低消息处理的复杂性。 同时书, Ad hoc网络也是一种动态对等群组, 缺少固定的可信第三方支持, 因此用于加密消息的组会话密钥必须通过所有组成员协商建 立, 来提高组密钥的安全可靠性。 另外, Ad Hoc 网络组密钥协商协议还应考虑网络的动态 拓扑特性, 要求密钥协商协议能够实现密钥的前向安全性以及后向安全性, 并能有效地支 持节点的加入与退出。
现有的组密钥协商方案都是基于有限域上离散对数难解问题的, 有一种应用于 Ad Hoc 网络的组密钥协商方案, 该方案中 2表示组成员数; ½表示编号为 i的组内成员; 《表示选 取的组织者, 该组织者是临时的, 可由任意成员担任。 参见图 1, 为现有技术中一种组密钥 协商方案的方法流程图, 该组密钥协商方案具体如下:
101: 选取系统参数, 进行系统初始化。
设 A ^为大素数, 是整数模 P构成的集合, 是 中的一个元素, 且 的阶为 q 为满足等式 ≡l m0d 的最小正整数。
102: 所有成员选取 DH机密值, 根据 DH机密值生成 DH公开值, 并在组内广播生成的 DH公开值。组内成员 ½随机选取 DH机密值 r.e z。,根据选取的 DH机密值生成 DH公开值 ^, 并在组内广播生成的 DH公开值 ^。 其中 i遍取 1, 2, …, n。
103: 组织者收到其它成员的 DH公开值后, 选取秘密指数, 根据秘密指数和 DH公开值 生成中间消息, 在组内广播该中间消息, 同时生成组密钥。
组织者《随机选取秘密指数 e z。, 根据秘密指数、 自己的 DH公开值和其它成员的 DH 公开值, 分别生成消息中间消息 , Mt = v - gv- , 并在组内广播生成的消息 , 其中 i遍 取 1, 2, …, n。
组织者根据每个成员的 DH公开值和自己的 DH公开值,将计算函数 F = /( , 2 ,…,^" ), 其中 ¾示一个从 到 Z。的映射, 然后根据秘密指数 生成组密钥 = g 。
104: 组内成员收到组织者广播的中间消息后, 提取秘密指数, 根据秘密指数和每个成 员的 DH公开值生成组密钥。
所有组内成员½在接收到 Λ ^后, 解密出 , 并计算函数 = /(^ , ^ · ·,^» ), 其中/ 表示一个从 到 Ζ。的映射。 组内成员½计算出组密钥 = g , 其中符号。表示 /^与 故运算, 其值需模
通过上述步骤, 每个组内成员 ½计算出的组密钥都是同一个结果, 即组密钥 = gF°v。 当有成员加入或退出时, 需要重新根据变化后的所有组内成员生成组密钥, 计算过程 与上述步骤类似, 不再赘述。
在实现本发明的过程中, 发明人发现该 Ad Hoc组密钥协商方案计算量较大, 造成处理 速度慢, 占用的存储空间比较大; 另外对带宽的要求高。 发明内容
为了使组密钥协商方法计算量小、 占用存储空间小, 且对带宽要求较低, 本发明实施 例提供了一种生成组密钥的方法、 系统和设备。 所述技术方案如下:
一种生成组密钥的方法, 基于椭圆曲线选取系统参数, 并执行以下步骤:
组内成员组成星形结构, 并在所述组内成员中选取组织者;
所述组内成员根据所述系统参数各自随机选取 DH机密值, 根据所述系统参数和选取的 DH机密值各自生成 DH公开值, 并在组内广播所述 DH公开值;
所述组织者收到组内其它成员的 DH公开值后, 选取秘密指数, 根据所述秘密指数计算 中间消息 DH值, 生成携带所述中间消息 DH值的中间消息, 在组内广播所述中间消息, 并 根据所选取的 DH机密值和所述组织者之外的组内其它成员的 DH公开值生成组密钥;
所述组织者之外的组内其它成员收到所述中间消息和所述组织者的 DH公开值后, 根据 所述中间消息计算所述组织者选取的 DH机密值, 根据收到的所述组织者的 DH公开值验证 所述 DH机密值正确后, 根据所述 DH机密值和所述组内其它成员的 DH公开值生成组密钥。
本发明实施例还提供了一种生成组密钥的系统, 所述系统包括: 用于组织者的通信设 备和用于成员的通信设备;
所述用于组织者的通信设备用于根据系统参数选取 DH机密值, 根据所述系统参数和选 取的 DH机密值生成 DH公开值, 并在组内广播所述 DH公开值; 收到其它设备的 DH公开值 后, 选取秘密指数, 根据所述秘密指数计算中间消息 DH值, 生成携带所述中间消息 DH值
的中间消息, 并在组内广播所述中间消息; 以及根据所选取的 DH机密值和组内所有设备的 DH公开值生成组密钥;
所述用于成员的通信设备用于根据系统参数选取 DH机密值, 根据所述系统参数和选取 的 DH机密值生成 DH公开值, 并广播所述 DH公开值; 收到所述用于组织者的通信设备广播 的 DH公开值和中间消息后, 根据所述中间消息计算组织者选取的 DH机密值, 验证所述 DH 机密值正确后, 根据所述 DH机密值组内所有设备的 DH公开值生成组密钥。
进一步地, 本发明实施例还提供了一种通信设备, 所述通信设备包括:
系统参数选取模块, 用于选取基于椭圆曲线的系统参数;
DH公开值生成与广播模块,用于根据所述系统参数选取模块选取的系统参数选取 DH机 密值, 根据所述系统参数和选取的 DH机密值生成 DH公开值, 并广播所述 DH公开值;
中间消息生成与广播模块,用于收到其它通信设备广播的 DH公开值后,选取秘密指数, 根据所述秘密指数计算中间消息 DH值, 根据所述 DH公开值生成与广播模块选取的 DH机密 值, 生成携带所述中间消息 DH值的中间消息, 并广播所述中间消息;
组织者组密钥生成模块, 用于接收其它通信设备广播的 DH公开值, 并根据所述 DH公 开值生成与广播模块中所选取的 DH机密值和所述其它通信设备广播的 DH公开值生成组密 钥。
本发明实施例还提供了一种通信设备, 所述通信设备包括:
系统参数选取模块, 用于选取基于椭圆曲线的系统参数;
DH公开值生成与广播模块,用于根据所述系统参数选取模块选取的系统参数选取 DH机 密值, 根据所述系统参数和选取的 DH机密值生成 DH公开值, 并广播所述 DH公开值;
成员组密钥生成模块, 用于接收其它通信设备广播的 DH公开值和中间消息, 根据所述 中间消息计算组织者选取的 DH机密值, 根据广播所述中间消息的通信设备广播的 DH公开 值验证所述 DH机密值正确后, 根据所述 DH机密值和广播所述中间消息的通信设备之外的 其它通信设备广播的 DH公开值生成组密钥。
本发明实施例提供的技术方案基于椭圆曲线密码系统, 组织者将秘密指数通过与其他 成员共享的中间消息 DH值安全传输给组内其他成员, 最后所有成员基于椭圆曲线上的公钥 密码技术协商得到组密钥, 与现有的技术方案相比, 在达到相同的安全性时, 具有计算速 度快、 存储空间占用小和网络带宽要求低的特点。 附图说明
图 1是现有技术提供的生成组密钥的方法的流程图;
图 2是本发明实施例 1提供的一种生成组密钥的方法的流程图;
图 3是本发明实施例 1提供的组成员组成的星形结构示意图;
图 4是本发明实施例 2提供的成员加入时组成员组成的星形结构示意图;
图 5是本发明实施例 2提供的成员加入时生成组密钥的方法的流程图;
图 6是本发明实施例 3提供的组合并时组成员组成的星形结构示意图;
图 7是本发明实施例 3提供的组合并时生成组密钥的方法的流程图;
图 8是本发明实施例 6提供的生成组密钥的系统的结构图;
图 9是本发明实施例 7提供的一种通信设备的结构图;
图 10是本发明实施例 8提供的另一种通信设备的结构图。 具体实施方式
为使本发明的目的、 技术方案和优点更加清楚, 下面将结合附图对本发明实施方式作 进一步地详细描述。
本发明实施例提供了一种适用于 Ad Hoc网络的生成组密钥的方法、 系统和设备, 通过 组成员构成一个星形结构, 选取一个成员担任组织者, 它负责将秘密指数通过与其他成员 共享的中间消息 DH值安全传输给组内其他成员, 最后所有成员基于椭圆曲线上的公钥密码 技术协商得到组密钥。 其中, 中间消息 DH值是基于椭圆曲线上的 Diffie— Hellman (迪菲-海 尔曼) 密钥协商协议 (简称 DH密钥协商协议) 得到的参数。
本发明实施例基于椭圆曲线密码系统, 椭圆曲线密码学 ECC (Elliptic Curves Cryptography, 椭圆曲线密码学) 是在 1985年由 Neal Koblitz和 Victor Miller独立提 出来的。 这种密码体制具有安全性能高、 计算量小、 密钥长度短、 处理速度快、 存储空间 占用小和带宽要求低等特点, 因而在安全领域具有广泛的应用前景。 近年来, 椭圆曲线密 码系统已被诸如 ANSI (American National Standard Institute, 美国国家标准学会)、 IEEE ( Institute of Electrical and Electronics Engineers, 美国电气及电子工禾呈师学会)、 ISO (International Standardization Organization, 国际标准化组织)禾口 NIST (National Institute of Standards and Technology, 美国国家标准和技术学会) 等标准化组织纳入 为标准。 实施例 1
参见图 2, 为本发明实施例生成组密钥的方法的流程图, 该方法具体步骤如下:
201: 一组成员 lk, …, ½组成一个星形结构, 并选取一个组织者担任轴心。
其中, 本发明实施例中 2表示组内成员数; 表示编号为 i的组内成员(i=l, 2, …, n); 选取一个组内成员作为组织者, 这里选取成员《作为组织者, 该组织者不是可信机构, 是临时的, 可由任意成员担任。 参见图 3, 为组成员组成的星形结构示意图。
202: 选取系统参数, 进行系统初始化。 具体过程如下:
设 是一个阶为素数 的有限域,在该域上定义一椭圆曲线 ¾i γ 2=χ'+ αχ+β (a, fi GF (p), Ad+21 β2 (mod p) ≠0; /?为 190位以上的大素数)。 则^; β) = { (χ, y) I χ=χ+Βχ+β (mod p) } U 为单位元) 组成一个 Abel (阿贝尔) 群——交换群。
对给定的 ECC系统, Ρ≡Εθ, β) 为一公开基点, 的阶为大素数 g (—般取 g^l20bitS)。 定义 G: {0, P, 2P, …, - 由此可知 G是有限的循环 Abel群, q 为循环周期。
203: 组内成员 ½根据系统参数选取 DH机密值 r.ez, 根据 DH机密值 r.和公开基点 生成 DH公开值 .二 ( ,, )二 Ι Ρ, 并在组内广播 DH公开值 .二 ( ,, )二 Ι Ρ, 这里 i遍 取 1, …, n。
204: 组织者《收到其它成员广播的 DH公开值 ·后, 随机选取秘密指数 Ζ。(Ζ。为整 数模 ^所得到的最小非负余数的集合, ^为系统参数中的素数), 基于椭圆曲线上的 Diffie-Hellman密钥协商协议计算中间消息 DH值 zP= x, y), 然后根据收到的其它成员的 DH公开值、 选取的秘密指数 z、 DH机密值 A和中间消息 DH值 对应的 X轴的坐标生成中 间消息 {c¾, c2, …, cn) ={rix{aodp) , ηζΡ, ηζΡ, ···, rnzP] , 其中 /?为系统参数中的素数。 在组内广播中间消息 {t¾, c2, …, cn\ ={rix{^ Ap) , r2zP, ηζΡ, ···, rnzP} 0 组织者 根据 自身选取的 DH机密值 Α和其它成员的 DH公开值, 生成组密钥 Κ=Γί r2P+nP— +rnP)。
需要说明的是, 在本实施例中, 中间消息也可以根据收到的其它成员的 DH公开值、 选 取的秘密指数 z、 DH机密值 和中间消息 DH值 共同对应的 y轴的坐标值生成, 具体原 理根据收到的其它成员的 DH公开值、 选取的秘密指数 z、 DH机密值 和中间消息 DH值 zP 共同对应的 X轴的坐标值生成中间消息的原理类似, 不再赘述。
205: 组内成员 l (i遍取 2, 3, …, n) 收到组织者《广播的中间消息后, 提取中间 消息中的中间消息 DH值, 该中间消息 DH值 具体通过计算 =(χ, = ^ 得出, 根据 中间消息 DH值 ζΡ= ( X, y) 得出对应的 因为 Cl = nximodp), 所以, η = x- 1 (mod p), 进而计算出组织者选取的 DH机密值 Α。
206: 组内成员 ½ ( 遍取 2, 3, …, η) 计算出组织者选取的 DH机密值 ^后, 验证等 式^/^¾是否成立, 如果等式成立, 则执行 207, 否则重新执行 203。
验证等式 的目的是验证组织者选取的 DH机密值是否没有被篡改。
207: 组内成员 ½ ( 遍取 2, 3, …, 2) 根据组织者选取的 DH机密值和组织者之外的 组内成员的 DH公开值, 生成组密钥 K=ri、r2P+nP— +rnP)。
实施例 2
本实施例提供了新成员加入组中时, 生组密钥的协商方法。 本实施例以实施例 1 为基 础, 假设组 ί^{«, ίί, …, ft}已经执行了实施例 1提供的基本协商, 并获得了共享的组密
。 现有 ί个成员需要加入组 ft 它们分别用 ft+1, I , …, ft«来表 示, 新密钥的协商过程只需要新加入的 t个成员与组织者《的参与, 参见图 4, υ,, a, …, ft«共同组成星形结构。
参见图 5, 为新成员加入组时生成组密钥的方法流程图, 新成员加入组时生成组密钥的 具体步骤如下:
301: 组织者《和新成员 ½根据系统参数选取 DH机密值 r/ez。, 根据 DH机密值 r/和公 开基点 P生成 DH公开值 X = ( , y) = r;P, 并在组内广播 DH公开值 X = {x , ') = r;P, 这 里 i遍取 2 1, …, n+t。
302: 组织者《收到新成员广播的 DH公开值;^后, 令秘密指数 = x^, 基于椭圆曲线 上的 Diffie-Hellman 密钥协商协议计算中间消息 DH值 P = (x', ), 然后生成中间消息 cn'+l , · · · , c'n+t } = {^'(mod pi rn'+l z'P, rn'+2z'P, · · · , rn'+t z'P}, 该中间消息携带中间消息 DH值。 在组内广播中间消息 {c;, c'n+l ,···, c'n+t } = {r ' (mod p rn'+l z'P, rn'+2z'P, ···, rn'+tz'P}。组织者 Ιλ根据 自 身 选取 的 DH 机密值 和新成员 的 DH 公开值, 生成新 的组密钥 Κ' = Γ /η+、Ρ + /η+2Ρ + ···/η+ίΡ)。
其中, 表示^ , a, …, 共享的密钥 的 轴坐标值, 组内所有成员都预先知 道组织者《是选取 X坐标还是 y坐标作为 z'。 本发明实施例中的组织者《是选取 X坐标作 为 , 也可以令 = 即组织者 选取 y坐标作为 。
303 : 新成员 l ( i≡ {n+l, …, n+t) ) 收到组织者 《 广播的中间消息
{c[,c'n+l,-,c'n+t} = {r (mod ρ), η+1ζ'Ρ, η+2ζ'Ρ ··, η+ Ρ}后, 提取中间消息中的中间消息 DH 值, 该中间消息 DH 值 Ρ具体通过计算 尸 = (χ', = — 1 得出, 根据中间消息 DH 值 z'P = (x', 得出对应的 χ', 因为 =r (modp), 所以, = - '(modp), 进而计算出组 织者选取的 DH机密值
304: 新成员 l U≡ {n+l, …, n+t} ) 计算出组织者选取的 DH机密值 后, 验证等式 ^ =;^'是否成立, 如果等式成立, 则执行步骤 305, 否则重新执行步骤 301。
验证等式 的目的是验证组织者选取的 DH机密值是否没有被篡改。
306: 组 G 内的其余成员 Ιί, …, Un, 根据先前的 ζ 值得出 ζ' = χ^, 并计算 z'P = {x y') = r'-xcx' (1≡ {2, …, n), 根据中间消息 DH值 z'P = (χ', )得出对应的 x', 因为 c
所以, = χ'- 1 (mod , 进而计算出组织者选取的 DH机密值; f; 根据组 织者选取 的 DH 机密值 和新成员 的 DH 公开值, 生成新 的组密钥
K' = r 、p+/n+2p+''' tp)。
通过上述步骤, ί个成员加入组 G后, 每个组内成员 ½ (ie { 1, …,
) 计算出新 的组密钥 {τ:+ιΡ + +2Ρ +ίΡ), 新加入的 ί个成员保留成员加入密钥协商阶段接 收到的 值。
现举例如下: 假设组 G : {«, …, ft}已经执行了基本协商, 并获得了共享的密钥 K=rAr2P+nP—+r5P)。 此时成员 G' = {¾}需要加入到组中与 G中成员共享新的密钥。 使用本 实施例提供的方法, 密钥的协商过程只需要《与新加入的成员 ½进行交互, 最终使所有组 成员均可计算得到新的组密钥。 这里《, a,…, ½共同组成星形结构后, 执行以下具体步 骤:
(1)组织者 根据系统参数选取 DH机密值 r G ,并向 广播消息;^^, ^3; ½根据系统参数选取 DH机密值 r6'ez。, 并向 广播消息 = ( , ) = r6'P。
(2)组织者《收到 ¾广播的 DH公开值;^后, 令秘密指数 = x^, 基于椭圆曲线上的 Diffie-Hellman 密钥协商协议计算中间消息 DH 值 z'P = (x', ), 然后生成中间消息 c6' } = {ry(mod p\ r6'z'P), 该中间消息携带中间消息 DH 值。 在组内广播中间消息 c6'} = {ry(mod p) 6z'P)。组织者 根据自身选取的 DH机密值 和 ¾的 DH公开值, 生成 组密钥 ^ = ?。
其中, 表示^ {«, U2, …, ½}共享的密钥 的 轴坐标值。
(3) ½收到组织者《广播的中间消息后, 提取中间消息中的中间消息 DH值, 该中间 消息 DH值 zP具体通过计算 z'P = {x, y) = r^' c,得出根据中间消息 DH值 ζ'Ρ = (χ', y')得出对 应的 x', 因为 =r (modp), 所以, = ^modp), 进而计算出组织者 选取的 DH 机密值 。
(4) ½计算出组织者《选取的 DH机密值; f后, 验证等式 ^ =;^'是否成立, 如果等式 成立, 则执行步骤 (5), 否则重新执行步骤 (1)。
验证等式 的目的是验证组织者选取的 DH机密值是否没有被篡改。
(5) ½根据组织者 选取的 DH机密值 和 ½的 DH公开值, 生成组密钥 '=« 。
(6) 组 G 内的其余成员 lh, …, U5, 根据先前的 z 值得出 z' = x^, 并计算 z'P = {x y') = r'-lci' (1≡ {2, …, 5}), 根据中间消息 DH值 ζ'Ρ = (χ',/)得出对应的 , 因 为 = ' 0(1^, 所以, = 'Cmod^, 进而计算出组织者 选取的 DH机密值; f; 根 据组织者《选取的 DH机密值 和新成员 ½的 DH公开值, 生成组密钥 ' = r;r6'P。
通过上述方法, 所有成员得到同一个组密钥 '= r(r6'P。
实施例 3
本实施例提供了组合并时, 生成组密钥的协商方法。 本实施例以实施例 1 为基础, 现 有 ί个组需要进行合并, 分别用 ½, G2, …, 表示, 每个组 内有 ^个成员, 即 Gi: {U , υΆ, …, umi } U≡{\, t}), 并且每组已经各自执行了实施例 1提供的基本协商, 组 内 的成员共享组密钥 £。 这里选取 为新组织者, G为主合并组, G2, …, 为副合并组, 协 议的运行只需要各组 的组织者&参与, 参见图 6, 需要进行合并的组共同组成星形结构, 参见图 7, 它们之间的密钥协商过程如下:
401: 根据系统参数选取 DH机密值 Zg, 根据 DH机密值 和公开基点 生成 DH 公开值 = (X; , yn' ) = r P, 并在组内广播 DH公开值 = ( ^ , yn' ) = r P。
402: 副合并组 G, ···, 的组织者&令 DH机密值 =J¾, 根据 DH机密值 和公开 基点 P生成 DH公开值 = {xn' ,yn') = rn'P, 并在组内广播 DH公开值 = {xn' ,yn') = rn'P,这 里 i遍取 2, …, U
其中, xKi表示 G= {U , Ua, …, Umi } (ie {l, ί}) 共享的密钥 的 x轴坐标值, 组内所有成员都预先知道组织者 &是选取 X坐标还是 y坐标作为 z'。 本发明实施例中的组 织者&是选取 X坐标作为 , 也可以令 = 即组织者&选取 y坐标作为 。
403: 收到 ½广播的 DH 公开值;^后, 令秘密指数 z' = x , 基于椭圆曲线上的 Diffie-Hellman 密钥协商协议计算中间消息 DH 值 z = (x', ), 然后生成中间消息 {cl,c'2,---,ct'} =
r2'lz'P ,λζ'Ρ ,·■■ Λζ'Ρ} , 该中间消息携带中间消息 DH值。 在组 内广播中间消息 = mod pi γ1'λζ'Ρ ,λζ'Ρ,··· Λζ'Ρ}。 Uu根据自身选取的 DH 机密值 和 ½ DH公开值, 生成新的组密钥 = (/^? + ^^ +…+ ^^)。
404: U U≡ {2, …, ί}) 收到 广播的中间消息后, 提取中间消息中的中间消息 DH 值, 该中间消息 DH 值 Ρ具体通过计算 ζ'Ρ = - 1 得出, 根据中间消息 DH 值 ζ'Ρ = (χ', y')得出对应的 x',, 因为 = rx x'(mod p) , 所以 = χ'- 1 (mod ρ) , 进而计算出组 织者选取的 DH机密值 。
405: Un (ie {2, ···, t}) 计算出 选取的 DH机密值 后, 验证等式 ^ = 是否
成立, 如果等式成立, 则执行 406, 否则重新执行 401。
验证等式 的目的是验证 选取的 DH机密值是否没有被篡改。
406: ¾ (1≡ {2, …, ί} ) 根据 选取的 DH机密值 和 &的 DH公开值, 生成组密 钥 二^ ^ + ^^ +…+ ^ )。
407: 副合并组 {2, …, t\ ) 内除组织者之外的其余成员根据先前的 z值得出 z' = xKi , 并计算 z'P = (x', ; (ie {l, 2, ···, ί}), 根据中间消息 DH值 z'P = (x', 得出对应的 χ', 因为 = '(^0(1^, 所以 =c '- ^modp), 进而计算出组织者选取的 DH 机密值 1 ; 根据 选取的 DH 机密值 和 ½的 DH 公开值, 生成新的组密钥 f = 408: 主合并组 内除组织者之外的其余成员根据预先得知的 , 计算 z'P = (x y') = r;i-'c1' Cl≡ {1, 2, …, t\ ), 根据中间消息 DH值 ζ'Ρ = (χ',/)得出对应的 x', 因为 = rx '(mod p) , 所以 = χ'- 1 (mod ρ), 进而计算出组织者选取的 DH机密值 ; 根 据 选取的 DH机密值 和 ¾的 DH公开值, 生成新的组密钥^ = rx + +… 尸)。
通过上述方法, ί个组合并成以 为组织者的一个组, 所有成员共享组密钥 = (0^ +
实施例 4
本实施例提供了成员退出时, 生成组密钥的方法。 本实施例以实施例 1 为基础, 假定 成员 G: {«,…, Un)已经执行了实施例 1提供的基本协商,此时有 A个成员(?' = {ί Λ,...,ί/ } 需要离开该组, 余下组成员(Τ = ¾,···,ί/Λ— i^.^,...,^— ^ ^,…,^ 余下的组成员为 了避免离开该组的成员获得本组的组密钥, 需要计算出新的组密钥, 具体执行以下步骤: 首先, Α个成员离开组 G后, 组织者《重新根据系统参数选取 DH机密值 , z'≡Z„ (T中的其余成员不必重新选取 DH机密值。
然后, 余下的组成员!:^^,…,^ ^ …,^ ,^ ,…,^/^重新运行实施例 1 中 提 供 的 组 密 钥 协 商 方 法 , 生 成 新 的 中 间 消 息 { , · ··, —, ch+l , . · ·, ―, c'h+l ,···, } = {ry(modp),
■■■ h_ zp h, z'p,... ]t_ z'p ]k, z'p,--- nz'p) , 生 成 新 的 共 享 组 密 钥
Κ' = 2Ρ + ··· + rh_xP + rh+lP + r^P + rh+P + · · · + r„P )。
若原组 ^中的组织者已经离开该组, 则需重新选取一个成员担任组 (T的组织者, 再执 行上述步骤生成新的共享组密钥 K' = r r2P + + + rh+lP + η Ρ + r]t+P + · · · + r„P )。
实施例 5
随着组规模的不断扩大, 组织者的计算量和通信量会随之迅速增加, 当网络规模增加
到一定程度的时候, 组织者的性能就成为了协议的瓶颈, 因此需要对其进行适当修改以减 少组织者的负载。
本实施例提供了在大规模群组通信中, 组密钥的协商方法。 本实施例以实施例 1 为基 础, 当参与协议的组成员规模很大时, 将组∑的成员分成《7个子组, 记为∑= , , …, G , 所有这些节点构成一个星形结构。 子组 内又有 个成员, 记为 {&, Ua, …, Umi } , 这些成员也组成星形结构, &成为子组 的组织者。
至于分组的办法, 可以依据每个节点设备对应的唯一的机器代码 (类似于以太网网卡 的 MAC地址) 进行分组, 也可以按地理位置进行分组等等, 协议具体过程如下:
首先, 子组 (i=l,2,〜, m) 内的 个成员构成一个星形结构, 执行实施例 1中的基 本协议, 得到组密钥 =^.2 + ^尸+ ." + 尸)。
然后, 选取 G的组织者&作为大组∑ 的组织者, 各子组 的组织者 代表各子组与 构成一个星形结构, 再次运行实施例 1中的基本协议。
U (ie {l, 2, …, n} ) 用各自的组密钥 对应的 坐标值¾作为 DH机密值参与运 算, 根据011机密值¾和公开基点尸生成011公开值 =( , 1) = ^尸, 并在组内广播 DH 公开值 = , ^x ^
用子组 G的密钥值 ΐ对应的 坐标值 ¾ι作为新秘密指数 = χ^, 基于椭圆曲线上 的 Diffie-Hellman 密钥协商协议计算中间消息 DH 值 P = (x', ), 然后生成中间消息 {c[,c2',---,ct'} =
xK P,xK P,---,xKmP},该中间消息携带中间消息 DH值。在组内 广播中间消息 ct'} = (mod pi xK P, xKiP ", xKm P}。 Uu根据自身选取的 DH机密 值 和 收 到 的 ΙΙΛ 广 播 的 DH 公 开 值
生 成 组 密 钥 = (½ + ¾ +〜 + ¾ )。
Un U≡ {2, …, m} ) 收到组织者 广播的中间消息后, 提取中间消息中的中间消息 DH值, 该中间消息 DH值 z'P = (x', 具体通过计算 z'P = (x', = x C;得出, 根据中间消息 DH值 ζ'Ρ = (χ', y')得出对应的 JC', 因为 = rx x'(mod p) , 所以 = χ'- 1 (mod p), 进而计算 出组织者 选取的 DH机密值 。 根据 和 & (ie {2, …, m} ) 的 DH公开值, 生成组密 钥 = (xK P + xK P + --- + xKmP)。
同时, 大组 ∑ 内的其他成员 υυ (ie [l, m , j≡ [l, 监听发送给相应组 的消 息, 利用已获得的 的私钥 可以得到 ¾, 通过广播的中间消息计算出 DH机密值 , 进 而得到组共享密钥 K = rx (xK P + xK P + --- + xKmP)0
最终, 所有成员得到同一个组密钥 K = r x (xK P + xK P + - + xK )。
通过上述方法, 将组∑分为 ffl个子组 = {G,, G2 , …, Gm} , 以减少大组∑ 中组织者的 负载, 大组∑ 内所有成员共享组密钥 = (½ + ½ +— + ½) )。
实施例 6
参见图 8, 本发明实施例提供了一种生成组密钥的系统, 包括:
用于组织者的通信设备, 用于根据系统参数选取 DH机密值, 根据系统参数和选取的 DH 机密值生成 DH公开值, 并在组内广播 DH公开值; 收到其它设备的 DH公开值后, 选取秘密 指数, 根据秘密指数计算中间消息 DH值, 生成携带中间消息 DH值的中间消息, 并在组内 广播中间消息; 以及根据所选取的 DH机密值和组内所有设备的 DH公开值生成组密钥。
用于成员的通信设备, 用于根据系统参数选取 DH机密值, 根据系统参数和选取的 DH 机密值生成 DH公开值, 并广播 DH公开值; 收到用于组织者的通信设备广播的 DH公开值和 中间消息后, 根据中间消息计算组织者选取的 DH机密值, 验证 DH机密值正确后, 根据 DH 机密值组内所有设备的 DH公开值生成组密钥。
当有成员加入或退出时, 系统中的用于组织者的通信设备和用于成员的通信设备还包 括:
组密钥更新模块,用于当有新成员加入或退出组时,通知重新生成并广播新 DH公开值。 实施例 7
参见图 9, 本发明实施例提供了一种通信设备, 包括:
系统参数选取模块, 用于选取基于椭圆曲线的系统参数。
DH公开值生成与广播模块,用于根据系统参数选取模块选取的系统参数选取 DH机密值, 根据系统参数和选取的 DH机密值生成 DH公开值, 并广播生成的 DH公开值。
中间消息生成与广播模块,用于收到其它通信设备广播的 DH公开值后,选取秘密指数, 根据秘密指数计算中间消息 DH值, 根据 DH公开值生成与广播模块选取的 DH机密值, 生成 携带中间消息 DH值的中间消息, 并广播中间消息。
组织者组密钥生成模块, 用于接收其它通信设备广播的 DH公开值, 并根据 DH公开值 生成与广播模块中所选取的 DH机密值和其它通信设备广播的 DH公开值生成组密钥。
为了进一步完善上述通信设备, 当有成员加入或退出时, 该通信设备还包括: 组密钥更新模块, 用于当有新成员加入或退出组时, 通知 DH公开值生成与广播模块生 成并广播新 DH公开值。
当有新成员加入时, 生成新组密钥的过程如下:
组密钥更新模块通知 DH公开值生成与广播模块根据系统参数选取模块选取的系统参数
为组织者和新成员选取新 DH机密值,根据系统参数和选取的新 DH机密值生成新 DH公开值, 并广播新 DH公开值。
中间消息生成与广播模块收到其它设备广播的新成员的 DH公开值后,选取新秘密指数, 根据新秘密指数计算中间消息 DH值, 根据 DH公开值生成与广播模块选取的新 DH机密值, 生成携带中间消息 DH值的新中间消息, 并广播新中间消息。
组织者组密钥生成模块根据 DH公开值生成与广播模块中所选取的新 DH机密值和收到 其它设备广播的新成员的 DH公开值生成新组密钥。
当有成员退出时, 生成新组密钥的过程如下:
组密钥更新模块通知 DH公开值生成与广播模块根据系统参数选取模块选取的系统参数 为组织者选取新 DH机密值, 根据系统参数和选取的新 DH机密值生成新 DH公开值, 并广播 新 DH公开值。
中间消息生成与广播模块收到其它设备广播的剩余成员的 DH公开值后, 选取新秘密指 数, 根据新秘密指数计算中间消息 DH值, 根据 DH公开值生成与广播模块选取的新 DH机密 值, 生成携带中间消息 DH值的新中间消息, 并广播新中间消息。
组织者组密钥生成模块根据 DH公开值生成与广播模块中所选取的新 DH机密值和收到 其它设备广播的剩余成员的 DH公开值生成新组密钥。
实施例 8
参见图 10, 本发明实施例还提供了一种通信设备, 包括:
系统参数选取模块, 用于选取基于椭圆曲线的系统参数。
DH公开值生成与广播模块,用于根据系统参数选取模块选取的系统参数选取 DH机密值, 根据系统参数和选取的 DH机密值生成 DH公开值, 并广播生成的 DH公开值。
成员组密钥生成模块, 用于接收其它通信设备广播的 DH公开值和中间消息, 根据中间 消息计算组织者选取的 DH机密值, 根据广播中间消息的通信设备广播的 DH公开值验证 DH 机密值正确后, 根据 DH机密值和广播中间消息的通信设备之外的其它通信设备广播的 DH 公开值生成组密钥。
为了进一步完善上述通信设备, 当有成员加入或退出时, 该通信设备还包括: 组密钥更新模块, 用于当有新成员加入时, 通知 DH公开值生成与广播模块为新加入的 成员生成并广播 DH公开值。
当有新成员加入时, 组密钥更新模块通知 DH公开值生成与广播模块根据系统参数选取 模块选取的系统参数为新成员选取 DH机密值, 根据系统参数和选取的 DH机密值生成新成 员的 DH公开值, 并广播新成员的 DH公开值; 成员组密钥生成模块收到中间消息后, 根据
中间消息计算组织者选取的新 DH机密值, 根据收到的组织者的新 DH公开值验证新 DH机密 值正确后, 根据新 DH机密值和 DH公开值生成与广播模块广播的新成员的 DH公开值生成新 组密钥。
当有成员退出时, 成员组密钥生成模块收到的新中间消息后, 根据新中间消息计算组 织者选取的新 DH机密值, 根据收到的组织者的新 DH公开值验证新 DH机密值正确后, 根据 新 DH机密值和 DH公开值生成与广播模块广播的剩余成员的 DH公开值生成新组密钥。
以上实施例具有:
1 ) 安全性能更高: 椭圆曲线离散对数问题的计算复杂度目前是完全指数级的, 而 RSA (RSA公钥密码体制) 是亚指数级的。
2 ) 计算量小和处理速度快: 在相同的计算资源条件下, 椭圆曲线体制比 RSA 和 DSA
(Digital Signature Algorithm, 数字签名算法) 有更快的处理速度。
3)存储空间占用小: 椭圆曲线体制的密钥长度和系统参数与 RSA及 DSA相比要小得多。 160比特 ECC (Elliptic Curve Ciphers, 椭圆曲线) 与 1024比特 RSA、 DSA具有相同的安 全强度, 210比特 ECC则与 2048比特 RSA、 DSA具有相同的安全强度, 这意味着它所占的存 储空间要小得多。
4) 带宽要求低: 对于给定的安全级别, ECC比 RSA和 DSA有更小的参数。 对于更高的 安全级别, 参数大小的差异更加明显。 更小的参数带来的好处是, 计算速度更快, 密钥更 短和密钥证书更小, 因而签名长度和密文长度更短。
综上, 椭圆曲线密码可以用较小的开销 (如带宽, 计算量, 存储空间, 功耗等)和时延 实现较高的安全性, 特别适用于计算能力和带宽受限的情况, 如 Ad Hoc网络环境下的安全 通信等。 与同类方案相比, 在达到相同的安全性时, 具有计算速度快、 存储空间占用小和 网络带宽要求低的特点。
本发明实施例支持成员的加入和退出, 由于有成员加入时只需新加入的成员与组织者的 参与协议、 有成员退出时只需组织者重新选择随机数而其余成员的随机数不必重选, 所以 计算速度快、 存储空间占用小、 使用灵活。
本发明实施例提供的技术方案在大规模群组通信时, 能在增加较小通信量的条件下有 效降低组织者的计算负载。 同时, 由于该协议是基于椭圆曲线密码体制的, 因此还能获的 较高的协议运行效率, 包括较低的协议交互轮数、 较低的网络带宽占用量、 较小的密钥存 储空间和较快的计算速度等。
以上实施例提供的技术方案可以通过硬件和软件实现, 软件存储在可读取的存储介质 上, 如计算机的软盘, 硬盘或光盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例, 并不用以限制本发明, 凡在本发明的精神和原则 之内, 所作的任何修改、 等同替换、 改进等, 均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims
1、 一种生成组密钥的方法, 其特征在于, 基于椭圆曲线选取系统参数, 包括步骤: 组内成员组成星形结构, 并在所述组内成员中选取组织者;
所述组内成员根据所述系统参数各自随机选取 DH机密值, 根据所述系统参数和选取的
DH机密值各自生成 DH公开值, 并在组内广播所述 DH公开值;
所述组织者收到组内其它成员的 DH公开值后, 选取秘密指数, 根据所述秘密指数计算 中间消息 DH值, 生成携带所述中间消息 DH值的中间消息, 在组内广播所述中间消息, 并 根据所选取的 DH机密值和所述组织者之外的组内其它成员的 DH公开值生成组密钥;
所述组织者之外的组内其它成员收到所述中间消息和所述组织者的 DH公开值后, 根据 所述中间消息计算所述组织者选取的 DH机密值, 根据收到的所述组织者的 DH公开值验证 所述 DH机密值正确后, 根据所述 DH机密值和所述组内其它成员的 DH公开值生成组密钥。
2、 如权利要求 1所述的生成组密钥的方法, 其特征在于, 所述根据所述秘密指数计算 中间消息 DH值的步骤具体包括:
根据所述秘密指数 z计算中间消息 DH值 所述秘密指数 ζ为从整数模 g所得到的最 小非负余数的集合^中选择的随机数, 所述 g为所述系统参数中的素数, 所述 ^为所述系 统参数中的公开基点。
3、 如权利要求 2所述的生成组密钥的方法, 其特征在于, 所述生成携带所述中间消息
DH值的中间消息的步骤具体包括:
提取中间消息 DH值 在椭圆曲线上对应的点的 X坐标值 X,并根据所述组织者选取的 DH机密值 A计算中间消息的组织者分量
, 所述 p为所述系统参数中的素数; 根据所述秘密指数 z和组织者之外的组内其它成员广播的所述 DH公开值 .= 计算 中间消息的其它成员分量 ηζΡ, …, rnzP , 所述 =2, …, n, 所述 2为组内成员数; 根据所述中间消息的组织者分量和所述中间消息的其它成员分量生成中间消息 {¾, c2, ···, cj
, r2zP, r3zP, ···, rnzP };
或,
4、 如权利要求 3所述的生成组密钥的方法, 其特征在于, 所述根据所述中间消息计算 所述组织者选取的 DH机密值的步骤具体包括:
根据所述中间消息 {t¾, c2 , …, CJ二 { mocLo), r2zP, nzP, …,
和所选取的 DH机密值 计算所述中间消息 DH值 , 提取中间消息 DH值 在椭圆曲线上对应的点的 X坐标值 计算组织者选取的 DH机密值 η = Clx- 1 (mod ; 或,
DH机密值 r.计算所述中间消息 DH值 , 提取中间消息 DH值 在椭圆曲线上对应的点的 y坐标值 y, 计算组织者选取的 DH机密值 = Cuy- 1 (mod 。
5、 如权利要求 1所述的生成组密钥的方法, 其特征在于, 所述根据所选取的 DH机密 值和所述组织者之外的组内其它成员的 DH公开值生成组密钥的步骤具体包括:
6、 如权利要求 1所述的生成组密钥的方法, 其特征在于, 所述根据收到的所述组织者 的 DH公开值验证所述 DH机密值的步骤具体包括:
根据计算出的所述组织者选取的 DH机密值 A和所述系统参数中选择的公开基点 7H十算 ηΡ-,
验证收到的所述组织者的 DH公开值 是否与计算出的 r 相等, 如果相等, 则所述 DH机密值正确。
7、 如权利要求 1所述的生成组密钥的方法, 其特征在于, 所述根据所述 DH机密值和 所述组内其它成员的 DH公开值生成组密钥的步骤具体包括:
8、 如权利要求 1所述的生成组密钥的方法, 其特征在于, 当有新成员加入时, 所述方 法还包括:
将新成员与所述组内成员组成新的星形结构;
所述组织者和所述新成员根据所述系统参数各自随机选取新 DH机密值, 根据所述系统 参数和选取的新 DH机密值各自生成新 DH公开值, 并在组内广播所述新 DH公开值;
所述组织者收到所述新 DH公开值后, 将所述组密钥的 X坐标值或 y坐标值作为新秘密 指数, 根据所述新秘密指数计算新中间消息 DH值, 生成携带所述新中间消息 DH值的新中 间消息, 在组内广播所述新中间消息, 并根据所选取的新 DH机密值和所述新成员的新 DH 公开值生成新组密钥;
所述组织者之外的组内其它成员收到所述组织者的新中间消息、 所述组织者的新 DH公 开值和所述新成员的新 DH公开值后, 根据所述新中间消息计算所述组织者选取的新 DH机 密值, 根据收到的所述组织者的新 DH公开值验证所述新 DH机密值正确后, 根据所述新 DH 机密值和所述组内新成员的新 DH公开值生成新组密钥。
9、 如权利要求 8所述的生成组密钥的方法, 其特征在于, 所述生成携带所述新中间消 息 D H值的新中间消息的步骤具体包括:
提取新中间消息 DH值 P在椭圆曲线上对应的点的 X坐标值 x', 并根据所述组织者选 取的新 DH机密值 计算新中间消息的组织者分量 r (mod p), 其中, 所述 p为所述系统参 数中的素数, 所述 = x^, 所述 ¾为所述组密钥的 轴坐标值, 所述/ ^为所述系统参数中 的公开基点;
根据所述新中间消息的组织者分量和所述新中间消息的新成员分量生成新中间消息
{ , cn'+l , · · ·, c'n+t } = {r (mod p rn'+l z'P, rn'+2z'P, · · · , rn'+t z'P);
或,
提取新中间消息 DH值 P在椭圆曲线上对应的点的 y坐标值 , 并根据所述组织者选 取的新 DH机密值 计算新中间消息的组织者分量 r^mod p) , 其中, 所述 p为所述系统参 数中的素数, 所述 = , 所述 ^为所述组密钥的 7轴坐标值, 所述 ^为所述系统参数中 的公开基点;
根据所述秘密指数 和所述新成员广播的 DH公开值 ' = r/P计算新中间消息的新成员 分量^ Λ +2ζ'Λ···Λ'+ίζ , 所述 i= 2+l,…, n+t, 所述 2为未加入新成员前组内成员数, 所述 ί为新成员数;
根据所述新中间消息的组织者分量和所述新中间消息的新成员分量生成新中间消息 ,···, } = ir' '(mod Pi P, rn'+2z'P, ···, rn'+tz'P)。
10、 如权利要求 8所述的生成组密钥的方法, 其特征在于, 所述根据所选取的新 DH机 密值和所述新成员的新 DH公开值生成新组密钥的步骤具体包括:
组织者根据所述新成员的 DH公开值;^ = r/P和所述组织者所选取的新 DH机密值 生成 组密钥 ^ = (^ + +2 +—0, 所述 i= 2+l, …, n+t, 所述 2为未加入新成员前组内 成员数, 所述 ί为新成员数, 所述/ ^为所述系统参数中的公开基点。
11、 如权利要求 8所述的生成组密钥的方法, 其特征在于, 所述根据所述新 DH机密值 和所述组内新成员的新 DH公开值生成新组密钥的步骤具体包括:
根据所述组织者选取的新 DH机密值 η '和所述新成员广播的 DH公开值;^ = r;P,生成新 组密钥 ^ = (^ + +^ +—0, 所述 i= 2+l, …, n+t, 所述 2为未加入新成员前组内 成员数, 所述 ί为新成员数, 所述 为所述系统参数中的公开基点。
12、 如权利要求 1 所述的生成组密钥的方法, 其特征在于, 当有成员退出后, 所述方 法还包括:
组织者根据所述系统参数选取新 DH机密值, 根据所述系统参数和选取的新 DH机密值 生成新 DH公开值, 并在组内广播所述新 DH公开值;
所述组织者选取新秘密指数, 根据所述新秘密指数计算新中间消息 DH值, 生成携带所 述新中间消息 DH值的新中间消息, 在组内广播所述新中间消息, 并根据所选取的新 DH机 密值和组织者之外的组内剩余成员的 DH公开值生成新组密钥;
组织者之外的组内剩余成员收到所述新中间消息和所述组织者的新 DH公开值后, 根据 所述新中间消息计算所述组织者选取的新 DH机密值, 根据收到的所述组织者的新 DH公开 值验证所述新 DH机密值正确后, 根据所述新 DH机密值和所述组织者之外的组内剩余成员 的 DH公开值生成新组密钥。
13、 如权利要求 12所述的生成组密钥的方法, 其特征在于, 所述生成携带所述新中间
消息 D H值的新中间消息的步骤具体包括:
提取新中间消息 DH值 P在椭圆曲线上对应的点的 X坐标值 x', 并根据所述组织者选 取的新 DH机密值 计算新中间消息的组织者分量 rx' (mod p), 所述 p为所述系统参数中的 素数;
根据所述新中间消息的组织者分量和所述新中间消息的剩余成员分量生成新中间消息 · · % -ι , c'I+i , · · ·' c]'「\ ' c'i+i '···Ό = {r'x(modp), ·
rh'+lz'P, ...„Ρ, r'i+lz'P, · · ·, ; 或,
提取新中间消息 DH值 ζ' 在椭圆曲线上对应的点的 y坐标值 , 并根据所述组织者选 取的新 DH机密值 计算新中间消息的组织者分量 r '(mod p), 所述 p为所述系统参数中的 素数;
J-l, Ji+1, …, jk-l, jk+l, … 所述 A为退出的成员数;
14、 一种生成组密钥的系统, 其特征在于, 所述系统包括: 用于组织者的通信设备和 用于成员的通信设备;
所述用于组织者的通信设备用于根据系统参数选取 DH机密值, 根据所述系统参数和选 取的 DH机密值生成 DH公开值, 并在组内广播所述 DH公开值; 收到其它设备的 DH公开值 后, 选取秘密指数, 根据所述秘密指数计算中间消息 DH值, 生成携带所述中间消息 DH值 的中间消息, 并在组内广播所述中间消息; 以及根据所选取的 DH机密值和组内所有设备的 DH公开值生成组密钥;
所述用于成员的通信设备用于根据系统参数选取 DH机密值, 根据所述系统参数和选取 的 DH机密值生成 DH公开值, 并广播所述 DH公开值; 收到所述用于组织者的通信设备广播 的 DH公开值和中间消息后, 根据所述中间消息计算组织者选取的 DH机密值, 验证所述 DH 机密值正确后, 根据所述 DH机密值组内所有设备的 DH公开值生成组密钥。
15、 如权利要求 14所述的生成组密钥的系统, 其特征在于, 所述用于组织者的通信 设备和用于成员的通信设备包括:
组密钥更新模块, 用于当有新成员加入或退出所述组时, 生成并广播新 DH公开值。
16、 一种通信设备, 其特征在于, 所述通信设备包括:
系统参数选取模块, 用于选取基于椭圆曲线的系统参数;
DH公开值生成与广播模块,用于根据所述系统参数选取模块选取的系统参数选取 DH机 密值, 根据所述系统参数和选取的 DH机密值生成 DH公开值, 并广播所述 DH公开值;
中间消息生成与广播模块,用于收到其它通信设备广播的 DH公开值后,选取秘密指数, 根据所述秘密指数计算中间消息 DH值, 根据所述 DH公开值生成与广播模块选取的 DH机密 值, 生成携带所述中间消息 DH值的中间消息, 并广播所述中间消息;
组织者组密钥生成模块, 用于接收其它通信设备广播的 DH公开值, 并根据所述 DH公 开值生成与广播模块中所选取的 DH机密值和所述其它通信设备广播的 DH公开值生成组密 钥。
17、 如权利要求 16所述的通信设备, 其特征在于, 所述通信设备还包括:
组密钥更新模块, 用于当有新成员加入或退出所述组时, 通知所述 DH公开值生成与广 播模块生成并广播新 DH公开值。
18、 一种通信设备, 其特征在于, 所述通信设备包括:
系统参数选取模块, 用于选取基于椭圆曲线的系统参数;
DH公开值生成与广播模块,用于根据所述系统参数选取模块选取的系统参数选取 DH机 密值, 根据所述系统参数和选取的 DH机密值生成 DH公开值, 并广播所述 DH公开值;
成员组密钥生成模块, 用于接收其它通信设备广播的 DH公开值和中间消息, 根据所述 中间消息计算组织者选取的 DH机密值, 根据广播所述中间消息的通信设备广播的 DH公开 值验证所述 DH机密值正确后, 根据所述 DH机密值和广播所述中间消息的通信设备之外的 其它通信设备广播的 DH公开值生成组密钥。
19、 如权利要求 18所述的通信设备, 其特征在于, 所述通信设备还包括:
组密钥更新模块, 用于当有新成员加入所述组时, 通知所述 DH公开值生成与广播模块 为新加入的成员生成并广播新 DH公开值。
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