专利名称：Cpk公钥体制抗量子计算攻击的实现方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及密码技术和计算机技术领域，特别涉及一种CPK公钥体制抗量子计算 攻击的实现方法及系统。
背景技术：
近年来，由于量子信息尤其是量子计算研究的迅速发展，现代密码学(相对于量 子密码学亦称为经典密码学)的安全性受到了严重的挑战。第一台量子计算机的问世，使 过去不可能穷举量，现在变得可行，对现行建立在穷举量基础上的密码产生了很大冲击，有 研究人员宣称15年以后现行的公钥体制和数字签名协议几乎全部“死亡”。CPK是一种新 的公钥体制，一个新体制的研究周期很长，通常，至少是10年。如果一个新体制只有10年 或15年的生命周期，这个新体制就没有存在的意义了。现在CPK获得了国家的正式批准，在五部委(发改委、科技部、工信部、商务部、知 识产权局)的联合公告中，将CPK也列入《但前优先发展的高新技术产业化重点领域指南》 中，这些都给CPK提出了更高的要求，下面结合CPK的实际例子，下面阐述量子计算攻击对 CPK的影响。首先分析一下量子计算的特点；D Wave公司提供了一张表，
图1为本发明实施例 提供的量子计算的计算步骤与电子计算机的运算步骤比较图，如图1所示，对RSA因子分解 的计算步骤做了比较。给出了两条曲线一个曲线是一个量子芯片或一秒中完成的的计算 步骤；另一曲线是全球500台最先进的计算机扩大寿命周期2000倍的计算步骤。从表中可看出，量子计算的计算步骤大大少于不同计算机，因而计算速度极快。其 次，量子计算几乎不受密钥长度的影响，1024bit的分解步骤与2048bit的分解步骤几乎相 当。目前量子计算机的准确率只达到78 %，主要用于模式识别等领域，但是15年之后，量子 计算机能用于密码破译，那么过去无法实现的穷举也变得可行了。这对建立在穷举难度的 现行公钥体制提出了严重的挑战。对密码的影响从历史发展的角度看，密码的发展受几个方面的影响。首先是受随 着工业化进程的影响。工业化的发展，为密码学的发展提供了各种元器件，不同的元器件构 成不同的密码形态，如机械密时代，主要是以机械动作取代了人工动作，电子时代主要是 以记忆单元取代了人工记忆，微电子时代，主要是以计算单元取代了人工运算。虽然密码的 形态很不相同，但是密码的基本原理，可以说是基本相同的。因此，在电子时代仍可存在手 工密码，同理，在量子时代，仍可存在电子或微电子密码，而且不会改变密码学的本质。对密 码学产生直接影响的是交信活动与数学。交信活动是密码学的基本需求，如果没有交信活 动，密码学就没有存在的必要。交信活动的需求无非是鉴别与隐私。鉴别是一方出示证明， 让各方验证的非对称活动，隐私是让大家加密，只有一方脱密的非对称活动。这种非对称活 动，只有非对称体制才能做到，而对称体制或者物理的方法是无能为力的。非对称体制只有 抽象的数学方法才能构建。量子力学对物理学领域，哲学思想领域的划时代作用是显而易 见的，但是对密码学领域，目前只是一个元器件的更新而已。量子计算对密码破译的影响是直接的，将过去不能穷举的工程，现在变得可行了，进而影响到现行公钥体制的寿命。因此急需一种能够抗量子计算攻击的CPK公钥体制的实现方法和系统。
发明内容
有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是一种能够抗量子计算攻击的CPK公钥体 制的实现方法和系统。本发明的目的之一是提出一种能够抗量子计算攻击的CPK公钥体制的实现方法； 本发明的目的之二是提出一种能够抗量子计算攻击的CPK公钥体制的实现系统。本发明的目的之一是通过以下技术方案来实现的本发明提供的CPK公钥体制抗量子计算攻击的实现方法，通过不提供或提供不完 整的判别条件，从而形成不可穷举或无穷解方程，以抗衡量子计算攻击的公钥生成方法，具 体包括以下步骤S1 :密钥管理中心生成私钥矩阵和公钥矩阵A = (rwHB: (q^.Q^-)S2 :所述公钥矩阵通过以下公式由私钥矩阵派生r^j G = (x^j, y^j) = R^j 吨,」G = (x^j, y^j) = Q^j其中，A,」和qi,」表示私钥矩阵，民,」和Qi,」表示公钥矩阵，r和q是小于n的随机 数，i，j表示矩阵的行列号；S3 :将公开的每个实体标识映射到公钥矩阵A形成标识密钥的过程函数化，即只 暴露输入、输出因素，其执行过程不暴露在函数之外，包括标识的Hash变换和Hash值的置 换变换等。进一步，所述公钥矩阵经加密后记入芯片中，其中矩阵A的前8列记入EEPR0M中 保护。所述秘密变量在外界设备读取分析时自动消失。进一步，所述标识密钥通过以下步骤具体实现S31 :所述标识密钥通过标识ID经特定密钥Hkey下的Hash变换输出的YS序列实 现的YS = Hashjj^ (ID) = w0. wu w2,v0,, f8,；其中，Wd的字长为6-bit,前3-bit指示置换序号，后3_bit指示置换起点；Wl,…，w32指示组合矩阵A的行坐标，w,,…，w32的字长为匕比特，组合矩阵A的 行长为;组合矩阵A的头8列，经置换变换。置换表是8X8的表；列为置换序号， 行为置换起点；矩阵A的列坐标经置换后统一标记为tp . t32.S32 Alice的标识私钥，由KMC计算
权利要求
1.CPK公钥体制抗量子计算攻击的实现方法，其特征在于通过不提供或提供不完整的判别条件，从而形成不可穷举或无穷解方程，以抗衡量子计算攻击的公钥生成方法，具体包括以下步骤 51:密钥管理中心生成私钥矩阵和公钥矩阵A=和B= ( , J7Qiij.)； 52:所述公钥矩阵通过以下公式由私钥矩阵派生 ri,j G = (xi,j，Yi, j) = Ri,j ;Qi,j G = (xi,j，Yi, j) = Qi, j 其中，Qijj表示私钥矩阵，Rijj, Qijj表示公钥矩阵，r和q是小于η的随机数，i，j表不矩阵的行列号； 53:将公开的每个实体标识映射到公钥矩阵A形成标识密钥，将标识密钥的生成过程函数化，即，只暴露输入、输出，其执行过程不暴露在函数之外，包括标识的hash变换和hash值的置换变换。
2.根据权利要求I所述的CPK公钥体制抗量子计算攻击的实现方法，其特征在于所述公钥矩阵A经加密后存放在芯片内，其前8列则存放在EEPROM中保护，所述标识公钥的生成过程均在芯片内进行，EEPROM中的变量在外界设备读取分析时自动消失。
3.根据权利要求2所述的CPK公钥体制抗量子计算攻击的实现方法，其特征在于所述标识密钥通过以下步骤具体实现 531:所述标识密钥通过标识ID经特定密钥Hkey下的Hash变换输出的YS序列实现的YS = Hashllkey (ID) = w0. W1, W2,-'', v0,, ···, F8,； 其中，Wtl的字长为6-bit,前3bit指示置换序号,后3_bit指示置换起点； W1,…，W32指示组合矩阵A的行坐标，Wl，…，W32的字长为匕比特，组合矩阵A的行长为IvA1=Ztl ;组合矩阵A的头8列经置换变换；置换表是8X8的表；列为置换序号,行为置换起点； 矩阵A的列坐标经置换后统一标记为t1; . . t32 ； 532=Alice的标识私钥isk，由KMC计算
4.根据权利要求3所述的CPK公钥体制抗量子计算攻击的实现方法，其特征在于所述步骤S3中的公钥生成函数化中的标识密钥的生成是通过Hash函数和置换表的置换变换作用下进行的，其中，置换表Disk Table与Hash密钥Hkey是秘密变量，具体通过以下步骤实现 534:所述组合矩阵A的大小为Ii1 X 32，加密保护；所述组合矩阵A的前8列写入E2ROM中保护并经置换变换； 535:所述组合矩阵B的大小为h2X8，加密保护；所述组合矩阵B的8列经置换变换。
5.根据权利要求4所述的CPK公钥体制抗量子计算攻击的实现方法，其特征在于还包括分割密钥的形成的实现方法，所述分割密钥通过以下步骤具体实现541=Alice的分割私钥由KMC计算
6.根据权利要求5所述的CPK公钥体制抗量子计算攻击的实现方法，其特征在于所述标识密钥与分割密钥的复合生成Alice的合成密钥并将合成私钥alice记入Alice的ID-card 551:所述合成私钥csk由KMC计算 cskAlice = (iskAlice+sskAlice)mod n = alice, 552=Alice的合成公钥CPK的计算在各依赖方进行CPKmce = IPKAlice+SPKAlice = ALICE。
7.根据权利要求6所述的CPK公钥体制抗量子计算攻击的实现方法，其特征在于还包括公网密钥和专网密钥的实现方法，一个公网可以包括很多专网，所述公网密钥和专网密钥通过以下具体步骤实现 561:公网密钥的产生，具体包括以下步骤 公网的密钥参数由公网密钥管理中心即公网KMC定义，在公网内共有并保密，包括 定义公网矩阵A的变量和长度/I1= ； 定义公网矩阵B的变量和长度/ 2=2& ； 定义公网Hash密钥Hkey ； 定义公网矩阵A和B的加密密钥Mkey ； 562:专网密钥的产生，具体包括以下步骤 专网的密钥参数由各专网密钥管理中心即专网KMC定义，在专网内共有并保密，包括 定义专网矩阵A的长度/I1= 2"1 ； 定义专网矩阵B的长度把=2"2 ； 定义各自专网的Hash密钥Hkeyi ； 563:如果一个专网用户，需要与公网用户互通时，所述公网私钥和专网私钥同时写入用户的ID卡。
8.根据权利要求7所述的CPK公钥体制抗量子计算攻击的实现方法，其特征在于还包括数字签名协议函数化的实现方法，所述数字签名协议函数化通过以下方式具体实现 将E⑶SA标准的数字签名协议中第2条，SPk G = (X1, Y1)；c = X1 mod n ；s = k 1 (h+c alice)mod n ； 改造成k G = (X1, Y1)；c = (X^y1)2 mod 2m ；s = k 1 (h+c alice)mod n ； 其中，k是随机数，G是椭圆曲线的基点，(x1； Y1)为点的坐标，c是核对码，s是签名码，h是数据的Hash值，m是核对码的比特数。
9.根据权利要求8所述的CPK公钥体制抗量子计算攻击的实现方法，其特征在于所述数字签名协议和验证协议，具体包括以下步骤 571=Alice签名过程 选择如下Alice的签名函数 SIGaiice (h) = (s, c);其中，alice是私钥，h是Hash码，s是签名码，c是核对码； 选择一个随机数k，进行如下操作k G = (X1, Y1)；c = (X^y1)2 mod 2m ；s = k 1 (h+c alice)mod n ； 其中，k的取值为0 < k < 11，2-用于核对码长度的选择；当m < η时，方程变为多解方程;572Alice 发送sign = (s, c)； 573:验证过程 Bob的验证函数如下 VERalice(s) = C，;其中，ALICE 为公钥； Bob根据Alice的标识计算公钥；GPKmce = IPKAlice+SPKAlice = ALICE ； Bob根据签名码sign = (s, c)计算；S-1 h G+s_1 c ALICE = (x/, y/ )；c，= (x/ +y/ )2 mod 2m ； 如果C = C’，签名被认可。
10.根据权利要求9所述的CPK公钥体制抗量子计算攻击的实现方法，其特征在于还包括密钥传递协议函数化的实现方法，所述密钥传递协议函数化通过以下方式实现r BOB = β ；r G = (X1, Y1)； key = (Xl+yi)2mod 264 orl28 ； Ejiey (dcitci) — code ； 其中，r是小于n的随机数，β是传递给对方的密钥，E是对称加密函数，key是用于数据加密的密钥。
11.根据权利要求10所述的CPK公钥体制抗量子计算攻击的实现方法，其特征在于 所述密钥传递协议，具体通过以下步骤实现 S81 :选择Alice的加密函数如下ENCbob (key) = 3 ； Ekey (dcitci) — code ； 其中，ENC是非对称加密函数，BOB是对方公钥，r是随机数； 582=Alice的加密过程 计算Bob的通用公钥 GPKeob = IPKBob+SPKBob = BOB ； Alice选择随机数r,计算r BOB = 3 ；r G = (X1, Y1)； key = (Xl+yi)2 mod 264(orl28)； Ekey (dcitci) — code ；583Alice 将{code, 3 }发送给 Bob ； 584:选择Bob脱密函数如下 DECbob ( 3 ) = key ； Dkey (code) — dcitci ； 其中，DEC是非对称脱密函数，bob是自己的私钥； 585Bob的脱密过程 用自己的合成私钥bob计算出脱密密钥；(bob)—1 & = r G= (x1； Y1)；key = (xla+yi)2mod 264(orl28)；Dkey(code) — d&t&o
12.CPK公钥体制抗量子计算攻击的实现系统，其特征在于包括公钥生成模块、数字签名模块和密钥传递模块； 所述公钥生成模块，用于将实体标识映射为标识密钥、分割密钥，最终复合为合成公钥输出，所述公钥生成过程均在芯片内进行，所用秘密变量经加密后存放在芯片中；所述芯片中的E2ROM,用于保存COS、组合矩阵A的前8列、置换表、Hash密钥Hkey ； 所述数字签名模块，用于实现数字签名和验证协议，由输入和输出构成，输入和输出中不直接暴露公钥和私钥，公钥和私钥以不可解的和数形式出现； 所述数字签名和验证输入、输出因素如下 Alice —签名模块一(s, c)； Alice, s —验证模块一c’ ； 所述密钥传递模块，用于实现密钥传递协议，由输入和输出构成，输入和输出不直接暴露公钥和私钥，公钥和私钥以不可解的和数形式出现； 所述密钥传递协议的加密模块和脱密模块的输入、输出因素如下 Bob, data —加密模块一code, 3 ； . 3 , code —脱密模块一data ； 其中，在P中含有Bob的公钥BOB，但在随机数的保护之下。
全文摘要
本发明公开了一种CPK公钥体制抗量子计算攻击的实现方法及系统，通过将计算复杂度变为线性复杂度的方法，以及通过提供不完整的判别条件的方法，使量子计算成为无意义的无穷解或多解方程，包括公钥生成模块、数字签名模块、密钥传递模块；本发明将密钥生成和分发结合起来，大大简化了密钥管理的复杂性，同时，公钥及生成过程在E2ROM芯片内进行，保证了系统安全。CPK在签名和加密作业中不依赖任何外来支持，进而大大提高运行效率。
文档编号H04L9/32GK102664732SQ20121005788
公开日2012年9月12日 申请日期2012年3月7日 优先权日2012年3月7日
发明者南相浩 申请人:北京易恒信认证科技有限公司, 南相浩