三维矩阵魔方密码锁的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种三维矩阵魔方密码锁属于计算机信息安全【技术领域】。该方法对密钥做了特殊定义，把旋转后魔方的状态转化为三维矩阵，不同的旋转结果对应的三维矩阵会有不同。这些变化所对应的魔方状态就是三维矩阵魔方的密码。三阶魔方中的三维矩阵魔方电路把魔方的状态信息读出并进行线性运算会得出唯一一组和目前魔方状态所对应的解，该解即为密钥。本发明借鉴了魔方三维旋转以及三维矩阵的概念，解密方式特殊，密钥库数量巨大，加密强度大，可以防范各种密码攻击、枚举攻击等破解方法。
【专利说明】三维矩阵魔方密码锁
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种三维矩阵魔方密码锁，属于计算机中信息安全【技术领域】，应用于计算机安全、通信安全等领域。
【背景技术】
[0002]目前主流密码锁主要以“九宫格”为代表的按键输入加密方式，即用户输入固定数字及字母序列来代表密码串。
[0003]而现有的三阶魔方主要用于休闲娱乐，并没有在密码学中利用其结构简单却变化复杂的特点。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种三维矩阵魔方密码锁，以旋转三阶魔方为密码输入方式，并且输入密码以三维矩阵的形式储存，三维矩阵魔方密码锁把魔方的状态作为密码，通过这种方法输出的三维数组矩阵作为密码会提升密码强度。
[0005]三维矩阵魔方密码锁把魔方的状态作为密码，通过这种方法输出的三维数组矩阵作为密码会提升密码强度，三阶魔方总的变化数为三维矩阵魔方密码的总密钥个数，SP43，252，003, 274，489，856，000，空间3个维度的旋转方式十分简单直接并且和一维数组的密码相比强度更大更安全。
[0006]一种三维矩阵魔方密码锁，采用三阶魔方的标准架构，将内部电路镶嵌在标准架构中，内部电路包括分块电阻部分和整体连接部分；
[0007]分块电阻部分包括嵌在三阶魔方26个小方块上的电阻、导线、电极片，其中26个小方块包括6个中心块、12个棱块、8个角块；
[0008]8个角块为三阶魔方的8个角上的小方块，每个角块的角设有开关，角块与棱块相邻的面上均设有电极，电极用于和相邻棱块的电极连接，8个角块连接12个棱块，电极与开关之间的三条棱边上分别设有相同阻值的电阻，电阻与电极之间、电阻与开关之间分别通过导线连接，当开关接通，角块上三个电阻靠近开关的一端相互联通，8个角块上镶嵌的电阻值各不相同；
[0009]12个棱块是魔方12条棱上的小方块，每个棱块与角块、中心块相邻的面上均设有电极，电极用于和相邻的角块、中心块的电极连接，与角块相邻面上的电极之间串联两个电阻，电阻位于棱边上，与中心块相邻面上的电极之间串联两个电阻，电阻位于棱块的两个面上，四个电阻十字形连接，四个电阻阻值相同，12个棱块上镶嵌的电阻值不相同，棱块上的电阻值与角块内的电阻值不同；
[0010]6个中心块为魔方6各面中间的小方块，每个中心块面向棱块的面上，设有电极，电极用于连接棱块上的电极，电极通过导线连接中心轴上的电极；
[0011]整体连接部分包括镶嵌魔方中心轴上的电极片、导线；中心轴与中心块的贴合处设有电极片，电极片通过导线连接中心块的电极片，中心轴内部设有24根绝缘线，绝缘线一端连接中心轴的电极片，另一端汇总后，通过一个中心块导出，引出至魔方外部，由于中心轴和中心块相对固定，选取一个中心块作为固定块，24根绝缘导线从固定块导出，在魔方外部通过测量24根绝缘导线间的电阻，确定魔方的状态。
[0012]本发明的优点在于:
[0013](I)利用魔方结构作为密码锁，使用简单的结构产生高强度密码；
[0014](2)采用魔方状态(3维矩阵)作为密码，极大提高了密码强度；
[0015](3)使用魔方的旋转过程作为密码，比一般的字符串密码更加安全；
[0016](4)机械结构以及电路较为简单，易于实现；
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是本发明角块电路示意图；
[0018]图2是本发明棱块电路示意图；
[0019]图3是本发明中心块电路示意图；
[0020]图4是本发明中心轴电路示意图；
[0021]图5是本发明绝缘线导出电路示意图。
【具体实施方式】
[0022]下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0023]本发明是一种三维矩阵魔方密码锁，采用三阶魔方的标准架构，将内部电路镶嵌在标准架构中，内部电路包括分块电阻部分和整体连接部分，电路如图所示。
[0024]分块电阻部分包括嵌在三阶魔方26个小方块上的电阻、导线、电极片，其中26个小方块包括6个中心块、12个棱块、8个角块。
[0025]如图1所示，8个角块为三阶魔方的8个角上的小方块，每个角块的角设有开关，角块与棱块相邻的面上均设有电极，电极用于和相邻棱块的电极连接，8个角块连接12个棱块，电极与开关之间的三条棱边上分别设有相同阻值的电阻，电阻与电极之间、电阻与开关之间分别通过导线连接。当开关接通，角块上三个电阻靠近开关的一端相互联通，8个角块上镶嵌的电阻值各不相同。图1以八个角块的一个为例(即标有“I”的角块)，平行的三条细线代表导线，导线上的粗黑线代表电阻，角块上顶角的黑色三角形代表开关，角块的导线与相邻棱块的导线相接处的黑色部分代表电极片。
[0026]如图2所示，12个棱块是魔方12条棱上的小方块，每个棱块与角块、中心块相邻的面上均设有电极，电极用于和相邻的角块、中心块的电极连接，与角块相邻面上的电极之间串联两个电阻，电阻位于棱边上，与中心块相邻面上的电极之间串联两个电阻，电阻位于棱块的两个面上，四个电阻十字形连接(电阻中间的导线联通)，四个电阻阻值相同。12个棱块上镶嵌的电阻值不相同，棱块上的电阻值与角块内的电阻值不同。图2以12个棱块的其中一个为例(即标有“2”的棱块)，平行的三条细线代表导线(两条导线在交叉处导通)，导线上的粗黑线代表电阻，棱块上的导线与相邻角块上的导线相接处以及棱块上的导线与相邻中心块上的导线相接处上的黑色部分代表电极片。
[0027]如图3所示，6个中心块为魔方6各面中间的小方块，每个中心块面向棱块的面上，设有电极，电极用于连接棱块上的电极，电极通过导线连接中心轴上的电极；图3以6个中心块的其中一个为例(即标有“3”的中心块)，平行的三条细线代表导线，中心块上的导线与相邻棱块导线相接处的黑色部分为代表电极片，中心块上四条导线末端的圆圈代表导线向中心块内部延伸。
[0028]整体连接部分包括镶嵌魔方中心轴上的电极片、导线。
[0029]如图4所示(仅以一面为例，三根平行细线表示导线，粗黑线表示电极片)，中心轴与中心块的贴合处设有电极片，中心块的电极片面积较大以保证能与中心轴的电极片相贴合，电极片通过导线连接中心块的电极片，中心轴内部设有24根绝缘线，绝缘线一端连接中心轴的电极片，另一端汇总后，通过一个中心块导出，引出至魔方外部，由于中心轴和中心块相对固定，选取一个中心块作为固定块，24根绝缘导线从固定块导出，以免在旋转魔方过程中把线缠绕在一起，如图5所示，在魔方外部通过测量24根绝缘导线间的电阻，确定魔方的状态。(黑色箭头表示引出24根绝缘导线)
[0030]本发明一种三维矩阵魔方密码锁的原理:
[0031](Al)将三阶魔方看成27个小正方体(假定中心轴也为一小正方体)的空间组合，即每层9个小正方体共三层的组合方式；
[0032](A2)把这27个小正方体对应为27个矩阵元素，整个三阶魔方对应为一个3X3X3的三维矩阵；
[0033](A3)用户对魔方进行旋转操作后，魔方各色块即小立方体的位置发生变化，同时相应的三维矩阵的元素间的位置发生交换；
[0034](A4)特定的魔方形态即一种固定的小立方体空间组合方式对应一个固定的三维矩阵。
[0035]下面是四个步骤的简要概括:
[0036]步骤一:定义位置矩阵和元素矩阵，并给出示例
[0037]步骤二:定义电阻参数矩阵和位置阻值矩阵，并阐明它们与位置矩阵和元素矩阵的关系，同时与魔方密码锁装置联系起来
[0038]步骤三:利用步骤二的设定对魔方锁的一些接口进行阻值测量以确定每个小方块的位置
[0039]步骤四:利用步骤三测量的结果做最后的结果计算，并判定密码是否正确
[0040]下面是四个步骤的具体内容
[0041]本发明一种三维矩阵魔方密码锁的加密方法，包括以下几个步骤:
[0042]步骤一:将三阶魔方中每个小方块设为一个元素，获取元素矩阵；
[0043]元素定义:首先定义魔方27个元素的名称，三阶魔方有6个面，每个面的颜色不同，所以可以通过面上的颜色确定唯一的小方块。使用鲁比克公司配色方案，将相对两面的颜色安排为相同色系，也就是白黄相对、红橙相对、蓝绿相对，且蓝、橙、黄三色以顺时钟排列。(注:这里引入颜色是方便小方块定义，与本发明核心设计与结构无关)
[0044]魔方有六个中心块，绿色面上的中心块为A22元素；蓝色面上的中心块为C22元素；白色面上的中心块为B12元素；黄色面上的中心块为B32元素；橙色面上的中心块为B21元素；红色面上的中心块为B23元素；轴心轴所在小方块不与任何面接触(有且仅有一个)，为B22元素。
[0045]12个棱块(棱块有且仅有2个面有颜色)对应的元素为:有白色与绿色的棱块对应元素A12，有红色与绿色的棱块对应元素A23，有绿色与黄色的棱块对应元素A32，有橙色与绿色的棱块对应元素A21，有白色与红色的棱块对应的元素为B13，有黄色与红色的棱块对应的元素为B33，有黄色与橙色的棱块对应的元素为B31，有白色与橙色的棱块对应的元素为Bll,有白色与蓝色的棱块对应的元素为C12,有蓝色与红色的棱块对应的元素为C23,有蓝色与黄色的棱块对应的元素为C32，有橙色与蓝色的棱块对应的元素为C21。
[0046]8个角块(角块有且仅有3个面有颜色)对应的元素为:有绿色、白色与橙色的角块对应的元素为All，有绿色、白色与红色的角块对应的元素为A13，有绿色、红色与黄色的角块对应的元素为A33，有绿色、黄色与橙色的角块对应的元素为A31，有蓝色、白色与橙色的角块对应的元素为C11，有蓝色、白色与红色的角块对应的元素为C13，有蓝色、红色与黄色的角块对应的元素为C33，有蓝色、黄色与橙色的角块对应的元素为C31。
[0047]设定三阶魔方27小方块对应的27个元素为:
[0048]All A12 A13 Bll B12 B13 Cll C12 C13
[0049]A21 A22 A23 +B21 B22 B23 +C21 C22 C23 (I)
[0050]A3I A32 A33 B31 B32 B33 C31 C32 C33
[0051]式⑴为元素矩阵，其中i，j分别表示A、B、C的角标，Aij代表A层第i行，第j列位置的元素，比如A12对应的Aij就是说当i = I, j = 2的情况。i和j都为独立变量，取值为{1，2，3}。
[0052]元素矩阵对应的位置矩阵为:
[0053]all al2 al3 bll bl2 bl3 cll cl2 cl3
[0054]a21 a22 a23 +b21 b22 b23 +c21 c22 c23 (2)
[0055]a31 a32 a33 b31 b32 b33 c31 c32 c33
[0056]式⑵为位置矩阵，其中i，j含义同上，aij代表a层第i行第j列的位置，小写字母的矩阵表示魔方各元素的位置表示，魔方旋转过程中矩阵元素位置不变，而大写字母的矩阵是魔方各小方块元素的表示，旋转过程每个位置的元素会发生改变(注意大小写字母的含义，大写字母如All相当于集合中的元素，小写字母如all相当于变量，变量的值可以为集合中任意一个元素)
[0057]三阶魔方27个小方块在旋转中有7个小方块的相对位置是相对静止的，其余20个小方块是会发生变化的。使小方块导通并且在每一块小方块中加入不同阻值的电阻；
[0058]旋转魔方，A22、B12、B23、B32、B21、B22、C22相对固定不变，仍分别处于a22、bl2、b23、b32、b21、b22、c22 处。
[0059]绿色面(中心色块为绿色所在的面)为正面且该面法向量指向X轴正向，白色面(中心色块为白色所在的面)定为顶面且该面法向量指向z轴正向，黄色面法向量对应z轴负；红色面法向量对应I轴正；橙色面法向量对应I轴负；蓝色面法向量对应X轴负。
[0060]空间直角坐标系xyz— 0，原点对应B22元素，中心色块为绿色，红色，蓝色，黄色，白色，橙色所在面定义为G面，R面，B面，Y面，W面，O面。
[0061]在旋转模魔方的过程中，始终把X轴正向指向观察者，A、B、C层分别为x>0、X =
O、x〈0,均与X轴垂直。
[0062]all al2 al3 bll bl2 bl3 cll cl2 cl3
[0063]a21 a22 a23 +b21 b22 b23 +c21 c22 c23 =
[0064]a31 a32 a33 b31 b32 b33 c31 c32 c33
[0065]A3I A21 C13 Bll B12 C23 Cll C12 C33
[0066]A32 A22 B13 +B21 B22 B23 +C21 C22 B33
[0067]A33 A23 All B31 B32 A12 C31 C32 A13
[0068]表示G面顺时针旋转90度，R面逆时针旋转90度。
[0069]如果用户把这种状态定为密码，密码则记为
[0070]A3I A21 C13 Bll B12 C23 Cll C12 C33
[0071]A32 A22 B13 +B21 B22 B23 +C21 C22 B33
[0072]A33 A23 All B31 B32 A12 C31 C32 A13
[0073]步骤二:对会发生变化的20个小方块做电阻加权；
[0074]三阶矩阵魔方，设定魔方电阻电路的电阻参数矩阵:
[0075]RAll RA12 RA13 RBll RB12 RB13 RCll RC12 RC13
[0076]RA21 RA22 RA23 +RB21 RB22 RB23 +RC21 RC22 RC23
[0077]RA31 RA32 AR33 RB31 RB32 RB33 RC31 RC32 RC33
[0078]电阻参数元素一一对应于三维矩阵
[0079]RAll RA12 RA13 RBll RB12 RB13 RCll RC12 RC13
[0080]RA21 RA22 RA23 +RB21 RB22 RB23 +RC21 RC22 RC23
[0081]RA31 RA32 AR33 RB31 RB32 RB33 RC31 RC32 RC33
[0082]—
[0083]All A12 A13 Bll B12 B13 Cll C12 C13
[0084]A21 A22 A23 +B21 B22 B23 +C21 C22 C23
[0085]A3I A32 A33 B31 B32 B33 C31 C32 C33
[0086]魔方变化后，电阻参数矩阵
[0087]RAll RA12 RA13 RBll RB12 RB13 RCll RC12 RC13
[0088]RA21 RA22 RA23 +RB21 RB22 RB23 +RC21 RC22 RC23
[0089]RA31 RA32 AR33 RB31 RB32 RB33 RC31 RC32 RC33
[0090]会发生元素之间的位置变化，把变化后的元素矩阵赋值给如下矩阵:(令该矩阵为-位置阻值矩阵)
[0091]rail ral2 ral3 rbll rbl2 rbl3 rcll rcl2 rcl3
[0092]ra21 ra22 ra23 +rb21 rb22 rb23 +rc21 rc22 rc23
[0093]ra31 ra32 ra33 rb31 rb32 rb33 rc31 rc32 rc33
[0094]rail代表all位置上任意两个电极片间的电阻值(对于所有棱块和角块，一个棱块或角块上的任意两个电极之间的阻值为一定值)(注意:是一个小方块上的任意两个电极片间的阻值相同，比如说A11的角块有三个电极片，设其为D1、D2、D3，则DI与D2之间的阻值等于Dl与D3之间的阻值等于D2与D3的阻值，该阻值为RA12 ;对于棱块而言，如A12棱块有四个电极片D1、D2、D3、D4，则Dl与D2、D1与D3、D1与D4、D2与D3、D2与D4、D3与D4间的阻值相同，为RA12)(同理大写字母代表元素，相当于具体数字，小写字母代表变量，其值可以为任意一个元素)
[0095]步骤三:通过测量整个电路的不同端口电阻确定每个小方块的位置。
[0096]测量中心块上四个电极片之间的电阻值(中心块上的电极片由导线引到中心轴，从中心轴又由导线引出，通过测量由中心轴引出的导线来测量各中心块上4个电极间的电阻值)确定出上述矩阵中各元素的具体值。
[0097]这6X4 = 24个口均从Y面中心色块引出，引出的24根线
[0098](BI)旋转后测量出 rbll、rbl3、rb33、rb31、ra21、ral2、ra32、ra23、rc23、rc32、rcl2、rc21 阻值。
[0099](B2)测量 Rll、R12、R13、R14、R61、R62、R63、R64 阻值。(Rll 为中心块位置a22上两个电极片之间的电阻值，这两个电极片的其中一个是中心块位置a22与棱块位置al2之间相接的电极片，另一个是中心块位置a22与棱块位置a21之间相接的电极片，把Rll的定义简化为(Rll-a22-al2-a21)，则其他7个电阻的定义为(R12-a22_al2_a23)(R13-a22-a23-a32) (R14_a22-a32_21) (R61-c22-c23_cl2) (R62-c22-cl2_c21)(R63-c21-c32)(R64-c22-c32_c23))
[0100]步骤四:判断密码是否输入正确即判断魔方旋转操作后输出的三维矩阵是否与预先设定的密码相同，相同即密码输入正确。
[0101]本发明的三阶矩阵魔方密码锁的输入方式特别且简单，同时生成了强度较高的密码，可以防范多种密码攻击。
[0102](B3)剩余8个阻值变量计算方式；
[0103]rail = Rll_ra21_ral2
[0104]ral3 = R12_ral2_ra23
[0105]ra33 = R13_ra23_ra32
[0106]ra31 = R14_ra32_ra21
[0107]rcl3 = R61-rc23-rcl2
[0108]rcll = R62-rcl2-rc21
[0109]rc31 = R63-rc21-rc32
[0110]rc33 = R64-rc32~rc23
[0111]根据上述计算方式，若魔方变为
[0112]A3I A21 C13 Bll B12 C23 Cll C12 C33
[0113]A32 A22 B13 +B21 B22 B23 +C21 C22 B33
[0114]A33 A23 All B31 B32 A12 C31 C32 A13
[0115]电阻值为
[0116]rail ral2 ral3 rbll rbl2 rbl3 rcll rcl2 rcl3
[0117]ra21 ra22 ra23 +rb21 rb22 rb23 +rc21 rc22 rc23 =
[0118]ra31 ra32 ra33 rb31 rb32 rb33 rc31 rc32 rc33
[0119]RA31 RA21 RC13 RBll RB12 RC23 RCll RC12 RC33
[0120]RA32 RA22 RBI3 +RB21 RB22 RB23 +RC21 RC22 RB33
[0121]RA33 RA23 RAll RB31 RB32 RA12 RC31 RC32 RA13
[0122]测量各端口阻值可确定三维矩阵各个位置的元素，并将结果输入计算机中，把该三维矩阵与正确的密码作比较来判定输入正确与否。
[0123]电路的八个顶角尖处有八个通路开关，在测量各端口电阻时依次闭合各开关，避免测量电阻时电阻值受到旁路并联的影响。
[0124]完成密码输入判断后，在计算机中对数据进行一次覆盖
[0125]All A12 A13 Bll B12 B13 Cll C12 C13
[0126]A21 A22 A23 +B21 B22 B23 +C21 C22 C23 =
[0127]A3I A32 A33 B31 B32 B33 C31 C32 C33
[0128]all al2 al3 bll bl2 bl3 cll cl2 cl3
[0129]a21 a22 a23 +b21 b22 b23 +c21 c22 c23
[0130]a31 a32 a33 b31 b32 b33 c31 c32 c33
[0131]即可进行下一次密码输入。
【权利要求】
1.一种三维矩阵魔方密码锁，采用三阶魔方的标准架构，将内部电路镶嵌在标准架构中，内部电路包括分块电阻部分和整体连接部分； 分块电阻部分包括嵌在三阶魔方26个小方块上的电阻、导线、电极片，其中26个小方块包括6个中心块、12个棱块、8个角块； 8个角块为三阶魔方的8个角上的小方块，每个角块的角设有开关，角块与棱块相邻的面上均设有电极，电极用于和相邻棱块的电极连接，8个角块连接12个棱块，电极与开关之间的三条棱边上分别设有相同阻值的电阻，电阻与电极之间、电阻与开关之间分别通过导线连接，当开关接通，角块上三个电阻靠近开关的一端相互联通，8个角块上镶嵌的电阻值各不相同； 12个棱块是魔方12条棱上的小方块，每个棱块与角块、中心块相邻的面上均设有电极，电极用于和相邻的角块、中心块的电极连接，与角块相邻面上的电极之间串联两个电阻，电阻位于棱边上，与中心块相邻面上的电极之间串联两个电阻，电阻位于棱块的两个面上，四个电阻十字形连接，四个电阻阻值相同，12个棱块上镶嵌的电阻值不相同，棱块上的电阻值与角块内的电阻值不同； 6个中心块为魔方6各面中间的小方块，每个中心块面向棱块的面上，设有电极，电极用于连接棱块上的电极，电极通过导线连接中心轴上的电极； 整体连接部分包括镶嵌魔方中心轴上的电极片、导线；中心轴与中心块的贴合处设有电极片，电极片通过导线连接中心块的电极片，中心轴内部设有24根绝缘线，绝缘线一端连接中心轴的电极片，另一端汇总后，通过一个中心块导出，引出至魔方外部，由于中心轴和中心块相对固定，选取一个中心块作为固定块，24根绝缘导线从固定块导出，在魔方外部通过测量24根绝缘导线间的电阻，确定魔方的状态。
【文档编号】E05B37/20GK104213769SQ201410403753
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年8月15日 优先权日:2014年8月15日
【发明者】郑嘉雷, 崔剑 申请人:北京航空航天大学