专利名称：安全系统中流密码、伪随机数产生方法
技术领域：
本发明涉及用于安全认证中的伪随机数产生方式，和安全传输中对高速数据流进行加密 的流密码生成方式。
技术背景在数字时代，信息安全一直是人们关注的焦点。在各种信息传送系统中，为了保证参与 信息交换的实体是合法的、有效的，需要对参与实体的身份进行安全认证。例如在军事通信 中需要对对方的身份进行认证，以防止军事情报信息的泄露；在电子商务等互联网环境中， 需要对对方的身份进行鉴别，防止非法分子的恶意攻击和破坏；在智能卡等应用环境中，需 要对接入设备的合法有效性进行认证。同时，对在合法设备之间的数据传输也必须进行加密 保护，防止被第三方窃听、盗取。例如在数字电视领域，在合法的视频源设备与显示设备的 接口间必须进行加密保护，防止影音内容被非法窃取、肆意盗版。在安全系统中，在通信双方进行传输加密的数据之前，要对设备进行身份认证以保证通 信双方的身份都是真实的、合法有效的。如果认证不能获得成功，则不进行数据传输或者不 能对加密的数据进行正确的解密，以让受保护的数据信息不受非法侵害。但是对通信的双方 ，其颁发的数字证书或识别ID都是固定的，在认证过程中交换的数据也需遵循固定的格式和 流程，这就为不法分子进行重复攻击留下了机会。如果，不法分子多次窃听通信双方在认证 过程中传输的数据，就可以分析出通信双方的信息，或者窃取通信数据，伪装成合法设备， 窃取秘密信息。目前，为了增加安全认证系统的安全性，通信双方都会在认证过程中加入伪 随机数，以降低认证过程中的数据重现率，增加不法分子攻击的难度。但是随着计算机技术 的进步，普通的伪随机数产生方法已经不能满足信息安全的要求，不法分子可以利用重放、 假冒、统计等方法进行攻击，其随机性不足以抵抗攻击。 一旦伪随机数的产生方式被破解， 系统将面临被彻底破解的威胁。因此，需要一种安全性更好、更强大的伪随机数产生方式。流密码的情况与伪随机数的情况相同。现在，为了实现对高速数据流进行实时加解密， 传统的分组加密已经变得不合时宜，流密码开始被广泛应用。例如国外的HDCP (宽带数字内 容保护)系统。HDCP用于保护HDMI和DVI接口传输的数字内容，其中使用的加密技术也是流 密码技术。用于HDCP保护的普通流密码、伪随机数生成机制包含三个线性反馈移位寄存器、 S盒子、两个线性变换模块和一个组合输出模块(详见图l)。其中，三个线性反馈移位寄存器LFSR每个时钟触发为S盒子和线性变换模块提供1比特的更新数据。两个轮函数变换，输出 168比特的数据，密钥流输出函数选取其中的部分数据作为输出，经过线性变换，每次脉冲 输出24比特的数据流。HDCP的流密码保护机制包含三个LFSR，输入密钥长度为56比特，对于 目前高速的计算机搜索速度来说，这一长度的密钥并不足以抵抗密钥搜索攻击。另外，HDCP系统已经被证实安全性不高，攻击者只需要大约40台装有HDCP系统的设备， 就可以得到一些系统参数，进而在没有授权的情况下可以任意制造非法设备，而且这些非法 设备不能被合法设备检验出来。而目前绝大多数的流密码、伪随机数产生系统都采用了与 HDCP类似的架构，安全性不足几乎已经成为流密码、为随机数产生系统的一个致命弱点。变换结果称为杂凑值。在密码学中，杂凑函数h的基本特性必须满足找到两个不同的输 入杂凑成同一个杂凑值是计算上不可行的，同时对于一个给定的杂凑值y，找到一个输入x， 是h (x) 二y成立也是计算上不可行的。杂凑函数通常应用在数字签名和数据完整性检査中， 本发明利用杂凑变换的特性以消除数据相关性。发明内容本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于杂凑函数的增强型伪随机数、流密码产生 方法。本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，安全系统中流密码、伪随机数产生方 法，包括以下步骤a、 经过认证后产生共享密钥Ki;b、 将共享密钥Ki输入线性反馈移位寄存器，利用线性反馈移位寄存器对共享密钥Ki进 行置乱，将置乱后的Ki选择输出得到线性反馈移位寄存器输出结果Si;c、 将线性反馈移位寄存器输出结果Si、随机数An和前一流密码序列的部分数据Mi，作 为S盒子与线性变换模块的输入，经过S盒子变换与线性变换，得到S盒子与线性变换模块输 出结果Gi;d、 将S盒子与线性变换模块输出结果Gi输入至输出组合模块，通过特定的组合逻辑进行 位组合与变换，得到输出组合模块输出结果Ci;e、 将输出组合模块输出结果Ci作为生成的流密码序列或伪随机数序列； 其特征在于，对上述步骤中所述共享密钥Ki、线性反馈移位寄存器输出结果Si、随机数An、前一流密码序列的部分数据Mi、 S盒子与线性变换模块输出结果Gi、输出组合模块输出 结果Ci中任意一个或多个进行杂凑变换。本发明的有益效果是，使生成的流密码、伪随机数具有的单向特性，提高了伪随机数、流密码的安全性。
图l是现有的流密码、随机数产生结构； 图2是本发明流密码、伪随机数产生结构l; 图3是本发明流密码、伪随机数产生结构2; 图4是本发明流密码、伪随机数产生结构3; 图5是本发明流密码、伪随机数产生结构4;图6是本发明流密码、伪随机数产生结构5;图7是本发明流密码、伪随机数产生结构6。
具体实施方式
如图1所示，现有的流密码、随机数产生方法如下a、 经过认证后产生共享密钥Ki;b、 将共享密钥Ki输入线性反馈移位寄存器，利用线性反馈移位寄存器对共享密钥Ki进行置乱，将置乱后的Ki选择输出得到线性反馈移位寄存器输出结果Si;c、 将线性反馈移位寄存器输出结果Si、随机数An和前一流密码序列的部分数据Mi，作 为S盒子与线性变换模块的输入，经过S盒子变换与线性变换，得到S盒子与线性变换模块输出结果Gi;d、 将S盒子与线性变换模块输出结果Gi输入至输出组合模块，通过特定的组合逻辑进行位组合与变换，得到输出组合模块输出结果Ci;e、 将输出组合模块输出结果Ci作为生成的流密码序列或伪随机数序列；本发明在流密码、伪随机数的产生过程或使用过程中使用杂凑函数，对流密码、伪随机数产生过程中的输入初始数据(共享密钥Ki)，或中间过程数据(线性反馈移位寄存器输出 结果Si、 S盒子与线性变换模块输出结果Gi)，或输出流密码序列、伪随机数(输出组合模 块输出结果Ci)进行杂凑变换，以达到提高流密码、伪随机数产生方式安全性的目的。可对共享密钥Ki、线性反馈移位寄存器输出结果Si、随机数An、前一流密码序列的部分 数据Mi、 S盒子与线性变换模块输出结果Gi、输出组合模块输出结果Ci中任意一个或多个进 行杂凑变换安全系统完成认证，产生共享密钥Ki。将共享密钥Ki，或者再加上一个可选择参数Vi， 输入线性反馈移位寄存器LFSR。利用LFSR对Ki、 Vi进行置乱，然后将置乱后的Ki选择输出， 得到线性反馈移位寄存器输出结果Si。在这一过程中可以先对Ki、 Vi进行杂凑变换，如图2所示，再将变换结果Xi作为LFSR的输入。这样可以使线性反馈移位寄存器输出结果Si与共享 密钥Ki的相关性大大降低，而且只要Ki、 Vi发生很小的变化，输出结果Si将发生很大的变化 ，要从Si得到Ki在计算上是不可行的。当然，也可对Ki或Vi单独进行杂凑变换。将线性反馈移位寄存器输出结果Si输入到S盒子与线性变换模块中。在这一过程中可以 先对Si进行杂凑变换，如图3所示，再将变换结果Xi作为S盒子与线性变换模块的输入。经过 进一步的变换得到一个与Si几乎不相关的S盒子与线性变换模块输出结果Gi。当然，如图4所 示，也可将任意随机数An和前一流密码序列的部分数据Mi进行杂凑变换，得到变换结果Xi， 将Xi作为S盒子与线性变换模块的输入，经过一系列的S盒子变换或线形变换，得到S盒子与 线性变换模块输出结果Gi。 S盒子变换可以是一个，也可以是多个，可以是多重S盒子变换， 也可以是多个S盒子并行变换。线性变换可以是矩阵运算，也可以行列变换，甚至移位变换将S盒子与线性变换模块输出结果Gi输入至输出组合模块，通过特定的组合逻辑进行位 组合与变换，得到输出组合模块输出结果Ci。在此过程中，可将Gi先进行杂凑变换，并将变 换结果Xi输入至输出组合模块，如图5所示；也可将组合模块输出结果Ci直接进行杂凑变换 ，将变换结果Xi作为生成的流密码序列或伪随机数序列，如图6所示。如图7所示，组合模块输出结果Ci作为流密码序列或伪随机数序列输出，同时将Ci进行 杂凑变换后，将变换结果Xi的结作为下一次流密码、伪随机数产生器的种子。当然，还可对上述的任意基于杂凑变换的随机数、流密码产生方法组合使用，进一步降 低前一个流密码序列与后一个流密码序列的相关性。根据系统对流密码、伪随机数安全性的要求，使用者可以直接利用组合模块输出结果 Ci作为流密码来进行加解密，或作为伪随机数以加强认证过程的安全性。对于特殊场合的流 密码、伪随机数的应用，如需要对流密码、伪随机数产生器的初始密钥进行更新的场合。可 以存储l个或几个流密码、伪随机数，然后利用杂凑函数对存储的流密码进行杂凑变换，将 变换后的结果作为新的流密码序列的初始密钥，使整个流密码加密或扰乱机制更加有效。在以上的流密码、伪随机数产生过程中，发送设备和接收设备必须成功完成认证，并产 生相同的共享密钥。然后发送端和接收端就可以利用基于杂凑函数的流密码、伪随机数产生 算法在两个设备中生成相同的流密码、伪随机数，为数据加解密或下一步认证建立基础。基 于杂凑函数产生的流密码、伪随机数具有更好的随机性，使流密码序列中两个相邻数或两个 相邻的流密码序列的相关性大大降低。同时，由于杂凑函数的单向特性，使得利用截取的流 密码去破解流密码产生算法，变得不可行，这大大加强了流密码、伪随机数产生的安全性。在认证过程中或保密数字内容传输中，安全的流密码、伪随机数产生算法对可以大大增强系 统的安全性。发送设备和接收设备利用流密码、伪随机数对传输的数据进行加密和解密，即 使部分流密码、伪随机数被截获，也可以保证系统的安全。具体操作实现时，改算法可以根据实际情况的不同，灵活应用。首先设计选定一种流密 码、伪随机数产生算法，可以是已有的各种常规算法，也可以是自行设计的新算法。然后选 择合适的杂凑算法。如上所述，杂凑算法与流密码、伪随机数产生算法的组合可以是很灵活 的。为简便起见，本实施实例选用了常规的流密码、伪随机数产生算法和NIST所制定的 SHA-256算法。实施例如图2所示流密码、伪随机码生成流程为例1、 假设设备已经完成完全认证，并产生共享密钥K， Ki=0xba7816bf8f01cfea414140de5dae2223 Vi=0xb00361a396177a9cb410ff61f20015ad ;2、 把K进行杂凑变换，得到Xi，3、 将Xi作为LFSR的输入，经过若干个时钟的运算后，得到输出Si，4、 将LFSR的输出Si，作为S盒子与线性变换模块的输出，经变换后得到输出Gi， Gi=0xf7df34725cc33d;5、 将Gi作为输出组合逻辑，得到如下流密码序列，每一个时钟，同步输出l个流密码， Cf0x6e345142C2=0xel5d4409 C3=0xdd720945 C4=0x45d5c078 C5=0xlbf6b82bC3oo=Oxcl31caGl C30l=0xc5cf a3%流密码的理论周期为232个，故此流密码序列的长度可以在232周期内，由使用者随意选择；6、 按一定的规则截取流密码序列中的部分流密码，作为下一次流密码更新的初始向量 128位的Mi，Mi=0xccff36493fe4c391cl31ca61c5fa396;7、 利用前一步产生的Mi和外部生成的128位的随机数An，作为下一个流密码序列的初始 向量和初始密钥，并根据密钥更新控制信号生成新的流密码序列、伪随机码序列；8、 重复第6步，第7步产生任意长度的流密码序列、伪随机码序列。
权利要求
1. 安全系统中流密码、伪随机数产生方法，包括以下步骤a、经过认证后产生共享密钥Ki；b、将共享密钥Ki输入线性反馈移位寄存器，利用线性反馈移位寄存器对共享密钥Ki进行置乱，将置乱后的Ki选择输出得到线性反馈移位寄存器输出结果Si；c、将线性反馈移位寄存器输出结果Si、随机数An和前一流密码序列的部分数据Mi，作为S盒子与线性变换模块的输入，经过S盒子变换与线性变换，得到S盒子与线性变换模块输出结果Gi；d、将S盒子与线性变换模块输出结果Gi输入至输出组合模块，通过特定的组合逻辑进行位组合与变换，得到输出组合模块输出结果Ci；e、将输出组合模块输出结果Ci作为生成的流密码序列或伪随机数序列；其特征在于，对上述步骤中所述共享密钥Ki、线性反馈移位寄存器输出结果Si、随机数An、前一流密码序列的部分数据Mi、S盒子与线性变换模块输出结果Gi、输出组合模块输出结果Ci中任意一个或多个进行杂凑变换。
2.如权利要求l所述安全系统中流密码、伪随机数产生方法，其特征 在于，步骤b中，还将一个可选择参数Vi输入线性反馈移位寄存器。
3.如权利要求2所述安全系统中流密码、伪随机数产生方法，其特征 在于，步骤b中，将可选择参数Vi经过杂凑变换后输入线性反馈移位寄存器。
4.如权利要求l所述安全系统中流密码、伪随机数产生方法，其特征 在于，所述S盒子变换为多重S盒子变换或多个S盒子并行变换。
5.如权利要求1或4所述安全系统中流密码、伪随机数产生方法，其 特征在于，所述线性变换为矩阵运算、行列变换或移位变换。
全文摘要
本发明涉及安用于安全认证中的伪随机数产生方式，和安全传输中对高速数据流进行加密的流密码生成方式。本发明提供一种基于杂凑函数的增强型伪随机数、流密码产生方法。安全系统中流密码、伪随机数产生方法，在常规的流密码、伪随机数产生流程中将共享密钥Ki、线性反馈移位寄存器输出结果Si、随机数An、前一流密码序列的部分数据Mi、S盒子与线性变换模块输出结果Gi、输出组合模块输出结果Ci中任意一个或多个进行杂凑变换。本发明使生成的流密码、伪随机数具有的单向特性，提高了伪随机数、流密码的安全性。
文档编号H04L9/18GK101242265SQ200810300498
公开日2008年8月13日 申请日期2008年3月7日 优先权日2008年3月7日
发明者余有勇, 勇 陈 申请人:四川虹微技术有限公司