專利名稱：基于廣義信息域的偽隨機碼發(fā)生器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及密碼學領域，具體涉及基于廣義信息域的偽隨機碼發(fā)生器。
背景技術：
近年來，計算機網(wǎng)絡得到了迅速的發(fā)展，被廣泛應用于政治、軍事、經(jīng)濟 以及科學等各個領域，越來越多的信息得到了有效的傳輸和存儲。由于計算機 網(wǎng)絡的開放性，使信息在傳輸和存儲過程中有可能被盜用，信息的保密性、完 整性、可用性和抗抵賴性，都需要采用密碼技術來實現(xiàn)?，F(xiàn)代高性能的計算機 能夠自動分析和截獲傳輸?shù)男畔ⅲ棵肟梢运阉鲾?shù)百個底碼，從而對信息安全 構(gòu)成嚴重的威脅。信息領域急切希望擁有更安全、方便、有效的信息保護手段。
作為網(wǎng)絡安全基礎理論之一的密碼學引起了人們的極大關注，吸引著越來
越多的研究人員投入到密碼領域的研究當中；同時由于現(xiàn)實生活中的實際需要 以及計算技術的發(fā)展變化，密碼學的每一個研究領域都出現(xiàn)了許多新的課題、 新的方向。例如，AES征集活動使國際密碼學興起了一次分組密碼研究的高潮。 同時，在公開密鑰密碼領域，ECC由于其安全性高、計算速度快等優(yōu)點引起了 人們的普遍關注。
加密技術主要分為對稱密碼與非對稱密碼，其中對稱密碼又分為流密碼和 分組密碼。流密碼的代表是RC4算法，而分組密碼的代表是DES和AES。傳統(tǒng) 分組密碼通常進行確定的變換，使得系統(tǒng)具有某些特定的性質(zhì)，其結(jié)果使系統(tǒng) 在一定程度上易受到線性分析、差分分析、代數(shù)攻擊等密碼分析方法的攻擊， 從而影響其安全性。通常通過產(chǎn)生足夠安全、足夠長度的密鑰來確保系統(tǒng)的安 全。對稱密碼系統(tǒng)均涉及密鑰問題，通常使用偽隨機碼作為密鑰。
傳統(tǒng)的加密算法存在以下問題 (1)傳統(tǒng)的加密算法，如AES等，通常其密鑰(即偽隨機碼)的產(chǎn)生都可 以用二元組表示
K= (m， IV)
其中，K是密鑰；m是密鑰產(chǎn)生算法，通常難以保密；IV是初值，即算法要求的種子值，是保密的；m、 IV都與密鑰直接相關，密鑰產(chǎn)生算法一般采用 迭代的方式，從初值IV開始重復迭代產(chǎn)生密鑰；傳統(tǒng)加密算法具有確定的置亂 和擴散變換，加密信息依賴密鑰，另一方面，密鑰需加密保管/加密傳送/秘密信 道傳送；因此，傳統(tǒng)算法的安全性問題的關鍵在于密鑰；
(2) 解密密鑰需通過加密方式或秘密信道傳給解密方對密文進行解密，在 傳輸過程中，密文和解密密鑰都可能被截獲，這樣就有可能通過唯密文攻擊或 密碼分析破解密文，從而使得信息傳送失去了安全保障，這也大大增加密鑰管 理的復雜度；
(3) 傳統(tǒng)加密算法由于各方面原因， 一個密鑰在實際使用過程中一個密鑰 往往被重復多次使用，存在著由于多次重用而產(chǎn)生的安全性問題。

實用新型內(nèi)容
本實用新型的首要目的在于克服上述現(xiàn)有技術的缺點和不足，提供一種基 于廣義信息域的偽隨機發(fā)生器，本實用新型突破傳統(tǒng)密鑰產(chǎn)生的二元限制，引 入廣義信息域的概念，將其擴展為三元組結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)密鑰安全性問題向廣義信 息域安全性問題的轉(zhuǎn)移，提高抗密碼分析的強度，進而提高信息保密性，三元 性質(zhì)有助于建立一個新的密碼學體系，使實現(xiàn)一文一密成為可能；另一方面， 基于廣義信息域的偽隨機發(fā)生器能夠快速地產(chǎn)生任意個數(shù)、任意長度的偽隨機 碼序列，用作對稱系統(tǒng)的密鑰時可加大密鑰空間、增大窮舉破解的計算難度， 能根據(jù)不同的用途提供特定的密鑰。本實用新型基于廣義信息域的偽隨機碼發(fā) 生器所產(chǎn)生的偽隨機碼具有初值敏感性及良好的隨機性，能通過美國國家技術 標準局 (NIST ) 的 FIPS (Federal Information Processing Standards Publications) 140-1隨機性測試。
本實用新型目的通過下述技術方案實現(xiàn)基于廣義信息域的偽隨機碼發(fā)生 器包括依次連接的初始地址信息(IV)生成模塊、IV規(guī)格化模塊、密鑰產(chǎn)生算 法(m)模塊、約束化處理模塊、密鑰長度判斷模塊，所述m模塊同時還與活動 背景生成模塊相連接。
所述活動背景生成模塊主要由物理重構(gòu)模塊、邏輯重構(gòu)模塊連接組成。 計算機中任意可以表示為二進制編碼的數(shù)據(jù)，稱之為廣義信息域(IF)。 本實用新型基于廣義信息域的偽隨機碼發(fā)生器生成偽隨機碼的方法，包括 下述步驟(1) 活動背景生成模塊通過對選定IF的物理重構(gòu)獲得IF的某個子空間， 然后把該子空間邏輯重構(gòu)成活動背景；
(2) IV生成模塊產(chǎn)生初始地址信息(IV)， IV規(guī)格化模塊把IV壓縮或拉 伸成為確定長度的二進制地址串，并將其劃分為n塊
x2…xn
作為活動背景中的n維邏輯地址；
(3) m模塊對活動背景中的n維邏輯位地址與物理空間進行空間軌跡變換， 并在每次的地址遷移中，從活動背景中析出k位長的位串并入密鑰序列中。為 了獲得遷移地址，約束化處理模塊根據(jù)之前k位位串值的最大值與最小值的頻 數(shù)之差來進行約束化處理，得到一個修正值。然后由m模塊把修正值并入地址 序列，經(jīng)過平移獲取新的n維遷移地址；
(4) 密鑰長度判斷模塊根據(jù)預設的參數(shù)判斷密鑰的長度是否足夠，若不足 夠，則重復進行步驟(3)操作，若足夠，則輸出密鑰即偽隨機碼。
上述方法中，步驟(2)所述IV由系統(tǒng)隨機數(shù)(SR)、系統(tǒng)內(nèi)部時間(ST)、 指定內(nèi)容(SC)中的一項或任意多項組成，其中SR、 ST通過調(diào)用函數(shù)獲得，實 現(xiàn)IV的隨機性和唯一性，指定內(nèi)容由用戶給定實現(xiàn)IV的個性化。
上述方法中，步驟(1)所述物理重構(gòu)的作用是把選定的廣義信息域(IF) 構(gòu)造成具有一定離散度、在物理上可見的子空間；邏輯重構(gòu)則是把由物理重構(gòu) 得到的空間映射為n維的邏輯空間，具有離散性及隨機性；規(guī)格化IV是這個高 維邏輯空間中某一點的地址，也是之后進行空間軌跡變換的初始地址。
上述方法中，步驟(1)所述的IF可以是任意類型的數(shù)據(jù)，本質(zhì)上是以字 節(jié)為單位的任意長的二進制O、 l位串，具有一定的隨機性且可認為它是首尾相 連的。IF可由算法產(chǎn)生，如混沌/混合混沌系統(tǒng)生成，也可是圖像、文本文件或 內(nèi)存的一段代碼等。可以對其標號，.以便于應用。在實驗時考慮使用圖像、文 本文件作為廣義信息域，或利用混合混沌系統(tǒng)根據(jù)給定不同的初值，從而產(chǎn)生 不同的廣義信息域。
上述方法中，步驟(1)所述的活動背景在選定廣義信息領下的結(jié)構(gòu)具有如 下定義
ABG-codeIF-code[S,/Li][,S2/L2]…[Si/Li]…Di,D2 ,D3 [,D4 [，…]]
3巾
ABG-code:活動背景號，便于通過代號引用； IF-code:廣義信息域號；[,S2/L2]…[Si/Li] 物理重構(gòu)參數(shù)，可任意選擇，其結(jié)果是產(chǎn)
生確定的活動背景。其中Si是偏移，Li是長度，用十進制表示。物理重構(gòu)時的單位是字節(jié)；
Dl， D2， D3[Di[，]]:邏輯重構(gòu)參數(shù)，Di為維定義，十進制表示，給出 該維最大下標值，括號內(nèi)可任選，邏輯重構(gòu)時其單位是位。
上述方法中，步驟(1)所述的物理重構(gòu)模塊對該選定的IF進行物理重構(gòu)， 其具體操作如下
若物理重構(gòu)參數(shù)為空，則活動背景與選定信息域等價；若物理重構(gòu)參數(shù)非 空，則依次選取一組物理重構(gòu)參數(shù)[Si/Li]，從廣義信息域或中間結(jié)果的第Si 字節(jié)起截取長度為Li字節(jié)長的0、 1串作為有效信息。物理重構(gòu)可以將一個廣 義信息域的信息擴展成多個不同的活動背景的物理信息塊；
在物理重構(gòu)中引入一組離散化規(guī)則、算法，達到單向可計算、高度隔離性 和離散化的目標，因此，通過定義規(guī)則，使得物理重構(gòu)具有以下特點
a、 一次重構(gòu)有可能使某個字節(jié)值產(chǎn)生多種變化，滿足單向可計算性；
b、 重構(gòu)保持隨機特性，如0、 l的比例；
c、 重構(gòu)產(chǎn)生中間結(jié)果或活動背景的物理結(jié)構(gòu)，滿足單向可計算，但不存在 反函數(shù)，無法逆向求出上層的結(jié)果，具有高度隔離性。
上述方法中，步驟(1)所述的邏輯重構(gòu)模塊對經(jīng)物理重構(gòu)的IF進行邏輯
重構(gòu)獲取活動背景，其具體操作如下
'把一維的字節(jié)線性空間轉(zhuǎn)換為任意多維的位邏輯空間，把由物理重構(gòu)得到
的一維數(shù)據(jù)重構(gòu)為DlXD2X…XDn的信息塊，則每一位對應一個地址，且每一 個地址都可用(yl ， y2 ，…，yn )表示，而Dl, D2，…，Dn是事先約定好 的各維的最大下標值。
上述方法中，步驟(1)、 (2)、 (3)所述的IF、 IV、 m模塊的m三元協(xié)調(diào) 來實現(xiàn)在背景空間軌跡遷移，在遷移過程中析出k位密鑰，同時修改遷移軌跡， 直至生成的長度滿足要求為止。
本實用新型基于廣義信息域的偽隨機碼發(fā)生器相對于現(xiàn)有技術具有以下優(yōu)
點
(1) 本實用新型基于廣義信息域的偽隨機碼發(fā)生器的偽隨機碼由密鑰產(chǎn)生 算法(m)、初始地址信息(IV)、廣義信息域(IF)協(xié)同產(chǎn)生，但任一元均與偽 隨機碼不直接相關，即使獲得其中兩元，也無法產(chǎn)生偽隨機碼；IF是加解密雙 方事先約定好的，不參與傳送；m與IF在封裝狀態(tài)下使用，可通過調(diào)整多個算 法參數(shù)來獲得特殊應用的特性；如能確保IF安全，即使m中的部分算法和IV 公開，系統(tǒng)也是安全的，此時算法安全性問題由密鑰安全轉(zhuǎn)移到廣義信息域安 全上；
(2) 本實用新型基于廣義信息域的偽隨機碼發(fā)生器可以快速生成任意個 數(shù)、任意長的偽隨機碼，能夠根據(jù)不同的應用場合，提供特定的偽隨機碼作為密鑰；
(3)本實用新型基于廣義信息域的偽隨機碼發(fā)生器的三元性質(zhì)有助于建立 一個新的密碼學體系，使實現(xiàn)一文一密成為可能。


圖1是本實用新型基于廣義信息域的偽隨機碼發(fā)生器的結(jié)構(gòu)示意圖2是本實用新型基于廣義信息域的偽隨機碼發(fā)生器生成偽隨機碼的工作 流程圖。
具體實施方式
下面結(jié)合實施例及附圖，對本實用新型作進一步地詳細說明，但本實用新 型的實施方式不限于此。 實施例
圖1所示為本實用新型基于廣義信息域的偽隨機碼發(fā)生器的具體結(jié)構(gòu)，本 實用新型基于廣義信息域的偽隨機碼發(fā)生器包括依次連接的IV生成模塊、IV規(guī) 格化模塊、m模塊、約束化處理模塊、密鑰長度判斷模塊，所述m模塊同時還與 活動背景生成模塊相連接，所述活動背景生成模塊主要由物理重構(gòu)模塊、邏輯 重構(gòu)模塊連接組成。
利用本實用新型基于廣義信息域的偽隨機碼發(fā)生器生成偽隨機碼的方法， 如圖2所示，具體包括下述步驟
(1) 活動背景生成模塊通過對選定IF的物理重構(gòu)獲得IF的某個子空間， 然后把該子空間邏輯重構(gòu)成活動背景；
(2) IV生成模塊產(chǎn)生IV， IV規(guī)格化模塊把IV壓縮或拉伸成為確定長度的 二進制地址串，并將其劃分為n塊
x2…xn
作為活動背景中的n維邏輯地址；
(3) m模塊對活動背景中的n維邏輯位地址與物理空間進行空間軌跡變換， 并在每次的地址遷移中，從活動背景中析出k位長的位串并入密鑰序列中。為 了獲得遷移地址，約束化處理模塊根據(jù)之前k位位串值的最大值與最小值的頻 數(shù)之差來進行約束化處理，得到一個修正值。然后由m模塊把修正值并入地址 序列，經(jīng)過平移獲取新的n維遷移地址；
(4) 密鑰長度判斷模塊根據(jù)預設的參數(shù)判斷密鑰的長度是否足夠，若不足
7夠，則重復進行步驟(3)操作，若足夠，則輸出密鑰即偽隨機碼。
上述方法中，步驟(2)所述IV由SR、 ST、 SC中的一項或任意多項組成， 其中SR、 ST通過調(diào)用函數(shù)獲得，實現(xiàn)IV的隨機性和唯一性，指定內(nèi)容由用戶 給定，實現(xiàn)IV的個性化，如"hello，我是XX"， IV并不作為算法的初值使 用，包含的是在活動背景中初始地址的信息。
上述方法中，(1)所述的物理重構(gòu)的作用是把選定的IF構(gòu)造成具有一定離 散度、在物理上可見的子空間；邏輯重構(gòu)則是把由物理重構(gòu)得到的空間映射為n 維的邏輯空間，具有離散性及隨機性；規(guī)格化IV是這個高維邏輯空間中某一點 的地址，也是之后進行空間軌跡變換的初始地址。
上述方法中，步驟(1)所述的IF可以是任意類型的數(shù)據(jù)，本質(zhì)上是以字 節(jié)為單位的任意長的二進制O、 l位串，具有一定的隨機性且可認為它是首尾相 連的。IF可由算法產(chǎn)生，如混沌/混合混沌系統(tǒng)生成，也可是圖像、文本文件或 內(nèi)存的一段代碼等?？梢詫ζ錁颂?，以便于應用。在實驗時考慮使用圖像、文 本文件作為廣義信息域，或利用混合混沌系統(tǒng)根據(jù)給定不同的初值，從而產(chǎn)生 不同的廣義信息域。
上述方法中，步驟(1)所述的活動背景在選定廣義信息領下的結(jié)構(gòu)具有如 下定義
ABG陽codeIF-code[S"Li][，S2/L2]…[Si/Li]…DbD2 ,D3 [,D4 [,…]]
其中
ABG-code:活動背景號，便于通過代號引用; IF-code:廣義信息域號；[,S2/L2]…[Si/Li]…物理重構(gòu)參數(shù)，可任意選擇，其結(jié)果是產(chǎn) 生確定的活動背景。其中Si是偏移，Li是長度，十進制表示。物理重構(gòu)時的單 位是字節(jié)；
Dl， D2， D3[Di[，]]:邏輯重構(gòu)參數(shù)，Di為維定義，十進制表示，給出 該維最大下標值，括號內(nèi)可任選，邏輯重構(gòu)時其單位是位。
上述方法中，步驟(1)所述的物理重構(gòu)模塊對該選定的IF進行物理重構(gòu)， 其具體操作如下
若物理重構(gòu)參數(shù)為空，則活動背景與選定信息域等價；若物理重構(gòu)參數(shù)非 空，則依次選取一組物理重構(gòu)參數(shù)[Si/Li]，從廣義信息域或中間結(jié)果的第Si 字節(jié)起截取長度為Li字節(jié)長的0、 1串作為有效信息。物理重構(gòu)可以將一個廣 義信息域的信息擴展成多個不同的活動背景的物理信息塊；
在物理重構(gòu)中引入一組離散化規(guī)則、算法，達到單向可計算、高度隔離性
和離散化的目標，因此，通過定義規(guī)則，使得物理重構(gòu)具有以下特點 a、 一次重構(gòu)有可能使某個字節(jié)值產(chǎn)生多種變化，滿足單向可計算性；b、重構(gòu)保持隨機特性，如0、 l的比例；
C、重構(gòu)產(chǎn)生中間結(jié)果或活動背景的物理結(jié)構(gòu)，滿足單向可計算，但不存在 反函數(shù)，無法逆向求出上層的結(jié)果，具有高度隔離性。
上述方法中，步驟(1)所述的邏輯重構(gòu)模塊對經(jīng)物理重構(gòu)的IF進行邏輯 重構(gòu)獲取活動背景，其具體操作如下
把一維的字節(jié)線性空間轉(zhuǎn)換為任意多維的位邏輯空間，把由物理重構(gòu)得到
的一維數(shù)據(jù)重構(gòu)為DlXD2X…XDn的信息塊，則每一位對應一個地址，且每一 個地址都可用(yl ， y2 ，…，yn )表示，而D1， D2，…，Dn是事先約定好 的每維最大下標值。
例如定義:
4Sample加[34/256], [568/512]456, 355, 756
表示選取代號為4的活動背景。要獲得該活動背景，需要以文件名為 Sample.txt的文件作為廣義信息域，然后進行物理及邏輯重構(gòu)。物理重構(gòu)參數(shù) [34/ 256], [568/ 512]表示從第34字節(jié)和第568字節(jié)起，分別選取256和512字節(jié) 長的二進制串，并合并成一個長為768字節(jié)(6144位)的二進制串。邏輯重構(gòu) 把該6144位長的二進制串映射成3維的空間，每維的最大下標值分別為456， 355和756。
上述方法中，步驟(1)、 (2)、 (3)所述的IF、 IV、 m模塊的m三元協(xié)調(diào) 來實現(xiàn)在背景空間軌跡遷移，在遷移過程中析出k位密鑰，同時修改遷移軌跡， 直至生成的長度滿足要求為止。
上述實施例為本實用新型較佳的實施方式，但本實用新型的實施方式并不 受上述實施例的限制，其他的任何未背離本實用新型的精神實質(zhì)與原理下所作 的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本實用 新型的保護范圍之內(nèi)。
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權利要求1、基于廣義信息域的偽隨機碼發(fā)生器，其特征在于包括依次連接的IV生成模塊、IV規(guī)格化模塊、m模塊、約束化處理模塊、密鑰長度判斷模塊，所述m模塊同時還與活動背景生成模塊相連接。
2、 根據(jù)權利要求1所述的基于廣義信息域的偽隨機碼發(fā)生器，其特征在 于所述活動背景生成模塊主要由物理重構(gòu)模塊、邏輯重構(gòu)模塊連接組成。
專利摘要本實用新型提供一種基于廣義信息域的偽隨機碼發(fā)生器，其包括依次連接的初始地址信息(IV)生成模塊、IV規(guī)格化模塊、密鑰產(chǎn)生算法(m)模塊、約束化處理模塊、密鑰長度判斷模塊，所述m模塊同時還與活動背景生成模塊相連接，所述活動背景生成模塊主要由物理重構(gòu)模塊、邏輯重構(gòu)模塊連接組成。本實用新型突破傳統(tǒng)密碼學的二元限制，引入廣義信息域概念，擴展為三元組結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)密鑰安全性問題向廣義信息域安全性問題的轉(zhuǎn)移，提高抗密碼分析的強度，進而提高信息保密性。本實用新型能夠快速地產(chǎn)生非常長的偽隨機碼，用作密鑰時可加大密鑰空間的大小，能根據(jù)不同的用途提供特定的密鑰。所產(chǎn)生的偽隨機碼具有初值敏感性及良好的隨機性。
文檔編號H04L9/22GK201252559SQ200820200429
公開日2009年6月3日 申請日期2008年9月12日 優(yōu)先權日2008年9月12日
發(fā)明者丁月華, 清 劉, 張國基, 浩 徐, 黎鳳鳴 申請人:華南理工大學