一種新型矢量加密認證機制的制作方法

專利名稱：一種新型矢量加密認證機制的制作方法
技術領域：
本發明屬于信息安全基礎技術領域，具體涉及到一種矢量密碼編碼方法和用 該方法構造的一種新型矢量加密認證機制。
背景技術：
密碼技術是當今保障信息網絡安全的主要基礎技術之一，按照使用密鑰的形 式不同，密碼技術可以分成對稱密碼體系和不對稱密碼體系或者稱單鑰(私鑰) 密碼體系和雙鑰(公鑰)密碼體系。在當今網絡環境下，要保障信息網絡和信息 安全，就必須使用密碼技術，以便實現信息的保密、信息生成者的身份認證、防 止抵賴的數字簽名以及防止數字媒體內容的侵權保護的數字指紋和數字水印技
術。現有的兩種密碼技術中3DES、 IDEA和AES屬于單鑰保密類，RSA、 DSS、 ECC等屬于公鑰簽名類，綜合類如PGP、 PKI、 IPsec等屬于兩種密碼體制的組合 應用，這些應用技術的最大缺陷在于將加密和認證割裂開來，無法有效地將使 用者和密碼系統聯系起來，很難抵抗第三方的攻擊。而且這些技術實現效率低下、 復雜煩瑣，密鑰管理更是一大世界難題。

發明內容
針對現有加密認證技術的明顯缺陷，本發明的主要目的是
1、 提供一種受限的矢量密碼編碼方法，將方向性賦予密鑰和密文，以短小 的加密參數得到大數密鑰的安全強度，增強密碼系統的免疫能力特別是對抗窮盡 攻擊的能力。
2、 提供一種密鑰生成/再生機制，將用戶身份和密碼系統、密鑰和密文信息 全程捆綁，實現加密認證無密鑰。
3、 提供一種簡捷、高效的新型矢量加密認證機制，在實現高強度機密性的
同時，通過檢査密文的完整性自動實現源宿鑒別、身份認證、數字簽名、數字水 印等功能，而不是多種技術的簡單組合。
技術方案
一種基于身份的矢量密碼方法，該方法采用如下技術方案
1、 為一種密碼體制選擇一個大數密鑰M，如1024位或8192位或更長，使 這個密碼體制的密鑰空間是無法窮盡的。
2、 采用密鑰高位分段的方法，分段長度N可選64—512BIT，將2M的大數 密鑰空間分割成2W個空間為2M'w個密鑰子空間。
3、 采用特殊的技術措施如硬件防篡改，為該體制下的每個密碼系統分配一個 唯一的段號，限制其只能使用該段號含蓋的密鑰子空間中的密鑰進行加密。則該 段號就是該密碼子系統的數字ID，由于它是空間分割的標志，代表著這個密碼子 系統可以使用的唯一專用的加密密鑰空間，我們稱其為空間代碼。很顯然該密碼 體制最多有2W個密碼子系統。
4、 采取同樣的方法對每個密碼子系統的專用加密密鑰空間進行二次分割，產 生針對解密方專用的、由雙方空間代碼共同限定的2^個具有不同指向的矢量密 鑰交集，每個密鑰交集中的所有密鑰都是唯一指向另一個密碼子系統專用的加密 密鑰；這種既有值域變化又有唯一指向性的密鑰就是矢量密鑰。當然用這樣的矢 量密鑰對明文加密，所得密文信息也繼承了密鑰的矢量特征，成為矢量密文；顯 而易見，該密碼體制下共有22>1個具有不同指向的矢量密鑰交集空間。
5、 利用密鑰粉碎、遷移和換位算法對二次分割后的矢量密鑰交集空間進行處 理，使一個密碼子系統針對另外一個密碼子系統的矢量密鑰交集空間中的密鑰通 過粉碎、遷移和稀釋，可以非均勻地分布在整個大數密鑰空間中，不窮盡整個大 數密鑰空間M就無法得到完整的交集空間中的密鑰。
6、 采用密鑰再生技術和空間交換技術，使解密方能夠再生出屬于加密方專用 加密空間中針對自己交集中的密鑰，正確解密矢量密文。由于受加解密雙方空間 代碼限制，其它任何第三方由于無法改變自己的空間代碼，所以既無法偽造加密 方的矢量密文，又無法非法解密該矢量密文。
7、 將密碼子系統的空間代碼和使用者的身份信息捆綁并通過一個權威的機構 對外公開，那么用該密碼子系統加密的矢量密文，不僅可以代表該密碼子系統， 同時也代表使用該密碼子系統的實體。
8、 實際實現時，對于全零的段號，可以作為公共密鑰空間而不分配具體的密 碼子系統，為矢量密碼實現某些特殊功能預留空間。
采用上述技術措施后，用該矢量密碼學方法構造的密碼體制，有一個無法窮 盡的大數密鑰空間，該體制下的任何一個密碼系統，都有一個能夠和使用者身份 捆綁的唯一的空間代碼和一個唯一的加密密鑰空間，該密鑰空間是由一群不同指 向的專用矢量密鑰子空間組成；每個密碼子系統的矢量密鑰子空間非均勻地分布 在大數密鑰空間中，使窮盡攻擊無法窮盡整個大數密鑰空間；用該密碼子系統加 密的任何密文也也是具有唯一指向性的矢量密文，非法定通訊對方系統由于無法 生成專用的矢量密鑰，不能非法解密。
為了實現上述矢量密碼編碼方法，下面給出一種密鑰生成/再生器的設計方法。
一種矢量密鑰生成/再生器的設計方法，包括下述步驟
選擇一個大數密鑰作為矢量密鑰生成/再生器可以生成/再生的密鑰空間，如 1024位至8192位或其它需要的長度。
選擇一個合適長度的空間代碼即兩次密鑰空間分割的段號，如64位至512 位或其它需要的長度，作為矢量密鑰生成/再生器的標識，段號決定了一個密碼子 系統可以使用的密鑰范圍，使每個加密子系統的密鑰空間都是唯一的。
設計一個純正的偽隨機函數發生器，它可以是硬件電路或軟件，以便生成長 度為空間代碼兩倍的高度不可重復的隨機序列，作為矢量密鑰生成/再生器生成矢 量密鑰的密鑰材料；所述的硬件電路或軟件包括所有可實現該規則的硬件算法和 軟件方法。
設置一個4倍于空間代碼的空間遷移常數，作為矢量密鑰生成/再生器密鑰空 間在大數密鑰空間中分布的遷移基數。
設計一個非線性動態順序編碼部件，它可以是硬件電路或軟件，以便將兩次 密鑰空間分割的空間代碼、遷移常數和隨機密鑰材料按一定規則編碼生成種子密 鑰；所述的硬件電路或軟件包括所有可實現該規則的硬件算法模塊和軟件方法。
設計一個非線性動態放大器部件，它可以是硬件電路或軟件，以便將種子密 鑰放大到大數密鑰的長度；所述的硬件電路或軟件包括所有可實現該要求的算法 模塊和軟件算法。
設計一個非線性動態密鑰粉碎部件，它可以是硬件電路或軟件，以便將放大 后的種子密鑰粉碎、稀釋到整個大數密鑰空間中;所述的硬件電路或軟件包括所 有可實現該要求的硬件算法模塊和軟件算法。
設置一個非對稱控制部件，它可以是硬件電路或軟件，用于控制矢量密鑰生 成/再生器密鑰再生時，控制偽隨機函數發生器不能工作，并交換內外部空間代碼 參與非線性動態順序編碼的運算順序，或者依據外部輸入的工作模式控制字用全 零、高位全零、低位全零替代本機空間代碼或允許外部輸入本機的空間代碼。
設置一個防篡改檢測部件，它可以是硬件電路或軟件，用于檢測硬件環境的 壓力、頻率和電壓變化或軟件程序的完整性，保證每個矢量密鑰生成/再生器的空 間代碼是不能改變的，內部各個算法部件是不可測試的；該部件包括采用硬件防 篡改技術的一切有效技術形式和各種軟件方法。
設置一個自毀部件，該部件可以是硬件電路或軟件程序；它可以接受防篡改
檢測部件的控制或接收外部輸入的銷毀指令，用于電氣地破壞矢量密鑰生成/再生 器的硬件結構或銷毀軟件程序，所述的硬件電路或軟件包括所有可實現該要求的 電路結構形式或軟件程序。
本發明方法設計的矢量密鑰生成/再生器具備下述技術特征
每個矢量密鑰生成/再生器，都有一個可以和使用者捆綁的、唯一的空間代碼， 它決定了該矢量密鑰生成/再生器可生成的矢量密鑰空間范圍；從而使每個矢量密 鑰生成/再生器，都有兩個互不重疊的專用加密密鑰空間和解密密鑰空間。
每個矢量密鑰生成/再生器，都只能使用法定通訊對方系統的空間代碼啟動隨 機函數發生器，生成針對法定系統的加密密鑰；都只能使用法定加密方系統的空 間代碼啟動矢量密鑰再成器，并且無法使用隨機函數發生器，只能使用加密方隨 密文一起傳送過來的隨機密鑰材料，再生出針對自己系統的解密密鑰；這種再生 是通過所謂的空間交換技術實現的，即解密鑰再生時，解密方系統通過交換系統 內部和外部輸入的空間代碼參與密鑰生成編碼的順序，實現解密密鑰空間到加密 方系統加密矢量密鑰空間的影射再生；空間交換是由非對稱控制部件來執行，它 關閉隨機函數發生器并交換內部和外部空間代碼的位置，希望外部輸入一個隨機 密鑰材料，來生成解密密鑰，從而實現加密鑰到解密鑰的空間交換；在這種空間 交換的過程中，由于本地空間代碼是無法改變的，這種再生影射只能生成加密方 針對本系統加密密鑰交集中的矢量密鑰，而不能生成加密方針對其它系統加密密 鑰交集中的矢量密鑰；所以空間交換技術可以解決密鑰直接交換和管理的世界難 題，又不至于密鑰濫用。
每個矢量密鑰生成/再生器，都具有自我保護功能和接受外部命令自我銷毀功 能；這里的自我銷毀功能是通過硬件的方法破壞矢量密鑰生成/再生器的硬件結構 或應用軟件的方法使應用程序癱瘓而失去矢量加密的功能；這種模式的設置是為 了防止有人利用本發明的技術實施網絡或計算機犯罪。
每個矢量密鑰生成/再生器，輸出的加密密鑰都是具備唯一方向性的矢量密 鑰；都無法生成或再生出屬于其它兩個矢量密鑰生成/再生器密鑰空間范圍內的矢 量密鑰。
每個矢量密鑰生成/再生器在非對稱部件的控制下，依據應用需求可以生成包 含非矢量密鑰的五類密鑰，純矢量密鑰、成組加密/解密密鑰、多組加密/解密密 鑰、廣播加密/解密密鑰和自加密密鑰。
上述矢量密鑰生成/再生器的設計方法只是本發明的一個具體示例，上面的概 要描述并未包括本發明的所有技術特征和實現方法，因此，凡是以大數密鑰空間
分割為前提、或生成具有指向性的矢量密鑰為目的的所有密鑰生成/再生方法、或 采用受限的密鑰生成/再生方法而取消密鑰交換的、或使用外部控制指令銷毀密碼 系統硬件或軟件的方法、或使用空間交換技術實現無鑰加密認證的方法，都屬于 本發明的范圍，而不論是否和本示例的方法或技術特征完全相同或相似。 下面簡要敘述一次密鑰生成和再生的過程
加密密鑰的生成，加密者將代表法定解密者身份的空間代碼和工作模式字輸 入到自己的矢量密鑰生成/再生器中，啟動密鑰生成器中的隨機函數發生器，生成 兩倍于空間代碼長度的隨機密鑰材料，然后外部空間代碼和隨機密鑰材料、空間 遷移常數和本地空間代碼被送到非線性動態順序編碼部件進行動態編碼，編碼順 序為本機空間代碼+外部空間代碼+隨機密鑰材料+空間遷移常數，輸出的種子 密鑰直接進入非線性動態放大器部件，進行密鑰動態放大，得到規定長度的中間 密鑰，接著進入非線性動態密鑰粉碎部件，對中間密鑰進行粉碎和稀釋，最后得 到長度在1024BIT 8192BIT或其它合適長度的矢量密鑰序列，供矢量加密系統使 用。
解密密鑰的再生，法定的解密者得到密文后，用密文攜帶的加密者的空間代 碼、隨機密鑰材料和工作模式，向自己的矢量密鑰生成/再生器申請解密密鑰，在 非對稱控制部件的干預下，隨機函數發生器被關閉，外部輸入的參數被直接送到 非線性動態順序編碼部件進行動態編碼，編碼順序為外部空間代碼+本機空間
代碼+隨機密鑰材料+空間遷移常數，輸出的種子密鑰直接進入非線性動態放大器 部件，進行密鑰動態放大，得到規定長度的中間密鑰，接著進入非線性動態密鑰
粉碎部件，對中間密鑰進行粉碎和稀釋，最后得到長度在1024BIT 8192BIT或其
它合適長度的矢量密鑰序列，供矢量解密系統使用。
通過矢量密鑰生成/再生器的簡要工作過程可以看出，采用密鑰生成/再生技 術后，加解密雙方除了公開交換少量的密鑰材料外，真正的加密鑰根本無須交換， 雙方也無須考慮密鑰問題。
依據上述發明的矢量密碼編碼方法，我們可以構造一種基于使用者身份的可 以同時實現信息機密性、源宿鑒別、身份認證、數字簽名、數字水印和完整性控 制的硬件PTM芯片或加密認證芯片，也可以用軟硬件結合的形式生產制造新型 矢量加密認證系統，還可以用純軟件方法生產加密認證系統。因此，本發明公開 的是一種生產新型矢量加密認證產品所必須遵循的基本原理和技術方案，而不局 限于物理產品本身
一種新型矢量加密認證機制，包括四個部分，矢量密鑰生成/再生部分、加密
算法陣列、密文頭生成/驗證部分和通訊數據庫。該新型矢量加密認證機制具備下 述技術特征
1) 、采用密鑰生成/再生技術，使用者不用考慮密鑰；
2) 、采用空間代碼防篡改技術和加密密鑰空間專用技術，每個加密認證子系 統都有一個唯一的加密矢量密鑰空間和一個唯一的解密矢量密鑰空間；
3) 、采用密鑰生成/再生器和算法捆綁以及加解密通道不對稱技術，除自加密 外，同一個系統加密算法和解密算法是不可互逆的，法定的兩個系統加密算法和 解密算法是單向可逆的，這里并非算法本身不可逆，是因為一個系統的密鑰生成 /再生器無法生成同一個空間中的密鑰，而法定的兩個系統的密鑰生成/再生器可 以生成同一個空間中的密鑰；對明文先解密獲得的密文信息在所有系統中都無法 再恢復成明文；這是因為系統輸入的限制，加密時只能選擇收信方的空間代碼和 工作模式，解密時只能輸入發信方的空間代碼、工作模式和隨機密鑰材料，而無 法選擇其它任何參數；從而可以有效防止重復測試和窮盡攻擊。
4) 、采用加密/解密過程的中間狀態值，實現系統內部自帶完整性校驗機制， 在實現完整性驗證的同時，自動實現了源宿鑒別、身份認證、數字簽名和數字水 印功能；這是因為加密密鑰是由加解密雙方的空間代碼限制生成，用這樣的矢量 密鑰加密的密文，都包含雙方的身份信息，而且這種方式生成的密文信息都是唯 一的矢量密文，其它任何系統都無法生成，所以在法定系統只要全文校驗和正確 無誤，就隱含者信息的源宿、發送者的身份和信息本身是真實的、可靠的，事后 發送者無法抵賴的，也就實現了現有技術所稱的源宿鑒別、身份認證、數字簽名 和數字水印功能，密文信息本身就是雙方共同簽字畫押的數字簽名的信息。
所述的密鑰生成/再生部分使用了防篡改硬件裝置但不局限于此硬件，該防篡 改硬件裝置內部包括
本地空間代碼用來標識本密鑰生成/再生器唯一性的生產序列號，也是密鑰 空間分段的段號，由工廠生產時一次性燒制，它是可以和使用者捆綁的、唯一代 表使用者身份的網絡身份證，也是密鑰生術再生算法部分的必要參數，決定著密 鑰生成/再生器可生成/再生的密鑰范圍。
數據輸入/輸出接口加密時用于輸入外部空間代碼，解密時用于輸入外部空 間代碼和加密方生成的密鑰材料，輸出數據包括加密的算法控制字和密鑰；
空間遷移常數 一個長度是空間代碼長度4倍的常量，決定本密鑰生成/再生 器生成的密鑰在大密鑰空間中的分布位置，由工廠生產時一次性燒制。
空間交換單元 一個內部/外部空間代碼位置交換單元，決定內部/外部空間
代碼參與密鑰生成算法的順序，解密時有效，通過這種空間交換讓解密方可以再 生出加密方使用的加密鑰。
偽隨機數發生器加密時，用于生成二倍于空間代碼長度的隨機密鑰材料， 解密時則禁止使用。
非線性動態順序編碼器(矢量編碼器)將內部/外部空間代碼、常量和隨機 密鑰材料按照一定的順序和算法進行編碼，生成矢量種子密鑰。
非線性動態密鑰碾展放大器將較短的種子密鑰通過非線性碾展放大，擴展 到大數密鑰空間的長度。
非線性動態密鑰粉碎器通過一定的散列算法，將連續的密鑰輸出，不均勻 地分布在大密鑰空間中，使窮盡攻擊不窮盡整個大數密鑰空間不能得到本密鑰生 成/再生部器的完整密鑰空間中的密鑰。
密鑰排序部分依據本次生成的算法選擇字控制密鑰生成算法和輸出順序， 以便適應相應加密算法對密鑰的要求。
篡改檢測部分用于檢測電壓變化或壓力變化，以便控制電氣破壞部分銷毀 該硬件；軟件實現時，主要檢測程序累加和和安裝環境。
電氣破壞部分接受篡改檢測部分或外部輸入的銷毀指令，電氣地破壞硬件； 軟件實現時則修改主程序結構，使程序癱瘓。
加解密控制部分控制空間交換單元、偽隨機數發生器和輸入端口，使密鑰 再生時空間交換單元工作，偽隨機數發生器不工作，軟件實現時則由用戶選擇 的工作方式字控制。
本密鑰生成/再生器具有下述技術特征
1) 、所有密鑰生成/再生器都有一個全球唯一的不可改變的空間代碼。它是每 個密鑰生成/再生器內部不可篡改的一部分，決定著該密鑰生成/再生器可使用的 唯一的矢量加密密鑰空間。也是和使用者捆綁的數字身份證號。該空間代碼采用 64~512BIT的長度。
2) 、輸出長度為1408BIT-11264BIT分為六組的獨立對稱密鑰和一個算法選擇 字，這六組密鑰是主密鑰、白化密鑰、控制密鑰、增量密鑰、初始向量密鑰和 一個數字接力密鑰。
3) 通過不同模式調整本地空間代碼的值域，可以使密鑰再生器再生出點對點、 廣播、組播、多播密鑰和自加密密鑰。所有密鑰生成/再生器，加密密鑰空間都是 唯一的絕對不會重疊的。
4) 、采用空間交換技術實現解密密鑰空間到其它系統加密矢量密鑰空間的影
射再生。
5)、密鑰生成/再生器依據需要可以由權威機構負責銷毀。
所述的加密算法陣列包括初始和結束白化部分、算法選擇部分、動態混亂控 制部分、完整性計算部分和一組動態的對稱算法陣列。
初始和結束白化部分是在主密鑰加密/解密前或后，對輸入的明文/密文和 輸出的密文/明文預解/加密或輸出掩蓋加/解密，目的是增加密鑰長度，掩蓋某 些算法的差分特性，造成加/解密通道的不對稱特性；從而保證加密和解密必須 成雙成對，單獨使用加密或解密通道連續加密和解密都不能還原原始的明文。
算法選擇部分由密鑰生成/再生器輸出的控制字，決定本次加解密使用的 算法。
動態混亂控制部分是用控制密鑰和增量密鑰對密鑰、算法進行動態控制的 一個算法單元，目的是控制算法內部的迭代次數、主密鑰的使用順序、加密輪數、 移位的距離、密鑰的值域等動態變化，增加密碼分析的難度。
完整性計算部分算法內部設置有完整性校驗機制，校驗和的輸入采用加/ 解密過程的中間狀態值，校驗結果被直接寫入密文頭部或加密后寫入密文尾部， 如此設置校驗和計算的目的是克服現有技術中完整性控制容易遭受攻擊，無法真 正保障信息的完整性，采用本方法，完整性校驗只有合法的解密方系統才能進行， 非法者由于不能正確解密密文獲得校驗和，也就無法偽造密文信息。
動態的對稱算法陣列是由多種優秀的對稱算法并列組成，也可以采用現有 成熟、安全的算法組成，如3DES、 IDEA、 AES等。
加密算法陣列工作于CBC模式，將長度為1408BIT-11264BIT的矢量密鑰序 列分為六組的獨立對稱密鑰，它們是主密鑰、白化密鑰、控制密鑰、增量密鑰、 初始向量密鑰和一個數字接力密鑰。其中主密鑰相當于常規對稱密碼體制的對稱 輪密鑰；白化密鑰主要是用來制造加解密通道的不對稱輸入/輸出特性；控制密 鑰是實現算法動態特性的因子，它決定了每次加密使用的算法、力Q/解密模式、 主密鑰的使用順序、迭代的次數、移位的距離等；增量密鑰不直接參與加/解密 運算，它是控制其它幾組密鑰如何變換的一個偽隨機量值；初始向量密鑰是由通 訊雙方空間代碼的中間態混合生成的一個方向標；數字接力密鑰主要用于密文頭 的接力加密解密。該加密算法陣列的主要技術特征表現在如下幾方面
1) 、采用算法動態可變和密鑰動態可變技術，使密碼分析更加困難；
2) 、使用大數密鑰空間，使密鑰空間無法窮盡。
3) 、采用白化技術和非對稱混亂技術，使窮盡攻擊無法實施。
4)、采用中間狀態值作為完整性校驗輸入，使偽造、篡改更加困難； 所述的密文頭生成/驗證部分，是本發明實現源宿鑒別和身份認證的前提，它 包括如下幾部分
密文頭生成部分(加密方執行)用于加密時將包括加解密雙方空間代碼、隨 機密鑰材料、加密模式字、全文校驗和和頭部校驗和組成密文頭部數據。
數字接力加密傳送部分(加密方執行)將通訊數據庫中本系統上次的接力密 鑰放在明文頭部和明文一起加密，將本次生成的接力密鑰替代數據庫中上次的接 力密鑰，并用法定解密方上次的數字接力密鑰加密除雙方空間代碼外的密文頭數 據。如果是首次通訊，則用一個通用的接力密鑰。
信宿鑒別部分(解密方執行)用密文頭攜帶的法定信宿空間代碼和解密者系 統的空間代碼比較，相同則信宿得到鑒別，后續密文就是給解密者專門生成的矢 量密文。
頭部解密驗證部分(解密方執行)用密文頭攜帶的法定信源空間代碼到通訊 數據庫中取出本系統上次加密獲得的接力密鑰，解密后續頭部數據，如果頭部校 驗和正確，說明密文頭正確，數據完整可用，則完成抗重播鑒別。如果是首次通 訊，則用一個通用的接力密鑰解密。
完整性驗證(解密方執行)解密密文數據后，得到的全文校驗和正確無誤， 說明密文正確，數據完整，沒有被中途篡改和偽造。
數字接力棒鑒別部分(解密方執行)將明文頭部的數字接力密鑰和通訊數據 庫中加密方上次的接力密鑰比較，如果相同則將本次解密生成的數字接力密鑰替 代加密方上次的接力密鑰，完成密鑰的接力傳遞，標識的信源得到鑒別。
身份認證部分(解密方執行)全文校驗和正確，接力傳遞無誤，則證明下述 事實
解密得到的明文序列是完整可用的，中途沒有被偽造和篡改，也不是過去的 信息重放。
頭部標識的法定信源是正確的，明文序列的確是該信源所發，則信息的源宿 得到鑒別。
通過權威的第三方可以得到該信源的現實身份信息和背景資料，證明得到的 明文序列就是該現實實體專門給法定信宿發送的，則雙方的身份得到對等鑒別。
因為得到的密文序列能夠在本系統正確解密，該密文信息就相當于該加密實 體的簽名信息，也只有在法定的解密實體系統能夠正確解密驗證。如果該密文 序列牽涉到數字產權、版權問題，則該密文序列就是包含加密實體和解密實體的
單向數字指紋和數字水印的密文序列，使用者可以將該密文信息作為呈堂證據。
所述的密文頭生成/驗證部分的主要技術特征在于，使用了雙向閉環的數字接 力棒技術來保障密文頭數據的安全和抗重播，使新型矢量加密認證機制的整體安 全性大大提升，偽造、篡改和信息重放更加困難。下面簡述數字接力棒技術的安 全原理。
初始狀態下，通訊雙方并沒有數字接力棒，接力棒是在首次加密通訊時開始 建立的，加密方使用新型矢量加密認證機制約定的一個通用數字接力密鑰加密密 文頭，并將該密鑰作為首次的接力棒放在明文頭部加密后，發送給法定的解密者; 解密者系統收到密文信息后，從密文序列分離出密文頭，在驗證法定信宿正確的 情況下，就用法定信源的空間代碼到通訊數據庫中去尋找該空間代碼的條目，以 便取出自己系統上次的接力密鑰解密頭部數據，可由于雙方是第一次通訊，數據 庫中根本沒有該信源的記錄，系統告訴解密者該用戶是新用戶，需要驗證用戶身 份，解密者就通過網絡到可信的第三方査詢該信源空間代碼所屬的用戶，了解該 用戶的背景資料和誠信狀況，當確認該用戶值得信賴時，就將法定信源的空間代 碼和其它資料記錄到自己系統的通訊數據庫中，然后告訴密碼系統，用通用的接 力密鑰解密頭部數據，系統解密頭部數據獲得隨機密鑰材料和其它參數，并向密 鑰再生器申請解密鑰，解密密文數據，從明文頭部取出接力棒，如果該接力棒同 系統約定的相同，則完成了首次接力通訊，法定解密者從解密鑰中得到法定加密 者的第一個數字接力密鑰，并將該密鑰作為自己系統對當前解密者發送信息時的 頭部加密鑰存入通訊數據庫中，從而完成一個單向接力鏈路的建立；如果此時解 密者立即給法定加密者返回一條應答信息，則雙方的身份就發生變化，解密者變 成加密者，原加密者就自然成為新的解密者，由于新加密者是第一次給新解密者 發送信息，還沒有自己的接力棒，只得用通用的接力密鑰充當接力棒放在明文頭 部，并用剛剛獲得的對方的接力密鑰加密密文頭，將自己系統加密剛生成的接力 密鑰存放到通訊數據庫剛建立的新用戶條目中的針對該用戶的數據接力棒字段， 完成自己系統針對該用戶的雙向接力鏈路的建立，同樣原加密者新解密者收到密 文信息后，從密文序列分離出密文頭，在驗證法定信宿正確的情況下，就用法定 信源的空間代碼到通訊數據庫中尋找相應的記錄，發現該空間代碼條目中沒有存 放法定對方的接力棒，知道是第一次回訪數據，就直接取出自己上次加密時存放 的接力密鑰解密頭部數據，并向密鑰再生器申請解密鑰解密密文序列，從明文頭 部得到對方的接力棒，如果該接力棒是通用的數字接力棒，則將剛生成的接力密 鑰存放到數據庫該用戶條目下加密鑰字段，完成自己系統針對該用戶的雙向接力
鏈路的建立。至此，兩個用戶間形成一個閉環的接力通訊鏈條，凡是加密者都用 對方上次的接力密鑰加密頭部數據，并將自己上次加密時生成的接力密鑰作為數 字接力棒放在明文頭部，加密后發送給解密者，將新生成的接力密鑰替代原接力
棒存入數據庫；凡是解密者都用自己上次加密時生成的接力密鑰解密頭部數據，
并從解密后的明文頭部分離出接力棒與通訊數據庫中的接力棒比較，如果相同則
接力傳遞有效，并將解密時生成的新接力棒替代數據庫中的舊接力棒。
所述的通訊數據庫是每個使用新型矢量加密認證機制的用戶必須配備的軟件
數據庫，它記錄了用戶的所有可信用戶群的基礎信息和雙方的數字接力棒，它包
括下述主要字段
*用戶名稱，用戶現實世界的真實名稱，由權威的第三方獲得。
*空間代碼用戶密碼系統的空間代碼，由權威的第三方獲得。
*發送接力密鑰數據庫用戶每次給該用戶加密獲得的接力密鑰。
*接收接力密鑰，數據庫用戶每次解密該用戶密文獲得的接力密鑰。
*誠信等級該用戶的誠信度，由權威的第三方獲得。
*背景資料用戶現實中一些有用的信息，由權威的第三方獲得。
本發明的新型矢量加密認證機制，依據需要可以實現自加密、點對點加密、
組播加密、多播加密和廣播加密；這些功能是通過下述方法實現的
自加密加密時只有選擇了自加密模式，加密系統才允許輸入系統自己的空
間代碼，完成自加密，解密時則依據密文頭部的加密模式字自動實現自解密。
點對點加密該模式就是上文敘述的加密模式，只要輸入法定對方的空間代
碼即可完成一對一加解密。
組播加密只有選擇了組播加密模式，加密時才能選擇低位全零的空間代碼
輸入，即便用戶輸入的是完整的空間代碼，系統默認的仍然是低位全零，這種方
式可以對空間代碼高位相同的低位不同的一組用戶加密數據，這一組用戶加密系
統收到組播密文后，只要判定法定信宿的高位空間代碼和自己的相同，就可以將
密文正確解密恢復出明文。
多播加密當用戶選擇了多播加密模式時，加密系統默認的是空間代碼的低
位有效，這種方式可以對空間代碼低位相同的高位不同的一群用戶加密數據，這
一群用戶加密系統收到多播密文后，只要判定法定信宿的低位空間代碼和自己的
相同，就可以將密文正確解密恢復出明文。
廣播加密當用戶選擇了廣播加密模式時，加密系統默認的空間代碼是全零，
這種方式可以對所有使用新型矢量加密認證機制的用戶加密數據，這些用戶加密
系統收到廣播密文后，密鑰再生器自動將本地空間代碼隱藏，用全零替代本地空 間代碼，就可以將密文正確解密恢復出明文。
本發明設置這些加密方式，是為了解決現有加密認證技術無法解決的認證無 法自動實現保密，保密不能自動提供認證的難題，從而實現加密認證的合二為一， 并可以依據實際情況決定加密認證的范圍，使無關的人員無法看到認證數據內 容；同時，這些模式的設置也為數字知識產權、版權保護提供了強大的技術支撐。
使用本發明新型矢量加密認證機制實現一次完整的加密認證過程如下
初始狀態下，所有使用新型矢量加密認證機制的用戶必須到一個權威的第三 方機構登記注冊，完成系統空間代碼和使用者現實身份的捆綁；該權威機構只對 登記注冊用戶提供這種可信的捆綁關系服務，而不參與用戶的加密認證過程。
加密過程加密者完成。
1、 通過網絡或其它途徑獲得解密者系統的空間代碼，并查驗解密者的信用狀 況，當前顏色等對解密者身份及可信度進行初步認證，并將該解密者的信息加入 到通訊數據庫中，生成起始的接收、發送接力密鑰字段。
2、 用解密者的空間代碼啟動密碼系統，并告訴系統要加密的明文位置。
3、 加密鑰生成加密者系統密鑰生成器用解密者的空間代碼啟動隨機數發生 器生成隨機密鑰材料。
4、 密鑰生成器將本地空間代碼、解密者空間代碼和隨機密鑰材料和空間遷移 常數送入順序編碼器，生成種子密鑰。
5、 種子密鑰經過非線性密鑰碾展放大器，變換成大數密鑰空間長度的密鑰群。
6、 密鑰群經過動態粉碎系統粉碎后，輸出合乎標準的矢量加密密鑰群，它包 括算法選擇密鑰、數字接力密鑰、初始向量密鑰、主密鑰群、白化密鑰、控制 密鑰和增量密鑰。
7、 密鑰排序部分根據算法選擇字對密鑰序列進行處理，最后輸出符合本次加 密算法要求的密鑰序列。
8、 用算法選擇密鑰在算法陣列中選擇本次加密算法，并將通訊數據庫中上次 的數字接力密鑰放在明文頭部(首次放置一個通用的接力密鑰)，用剛生成的數 字接力密鑰替代數據庫中舊的數字接力密鑰，作為下次解密的接力密鑰。
9、 用CBC模式加密明文，得到密文輸出和校驗和。
10、 將解密方空間代碼、本地空間代碼和用上次解密者的數字接力密鑰(首 次用通用密鑰)加密的隨機密鑰材料、全文校驗和以及頭部校驗和組成密文頭。
11、 將完整的密文通過網絡或其它途徑發送給解密者。
解密過程解密者完成。
1、 信宿鑒別解密者得到密文后，分離出密文頭，用本地空間代碼與獲得的 法定信宿的空間代碼比較，如果相同，則信息的目的正確，若不同則信息不是 發送給本機的或者密文頭已經被篡改，則丟棄密文。
2、 解密者用加密者的空間代碼到通訊數據庫中取出上次的接力密鑰(首次用 通用密鑰)對密文頭解密，若頭部校驗和正確，獲得的頭部數據有效。
3、 解密鑰再生解密者將加密者的空間代碼、隨機密鑰材料和加密模式輸入 到密鑰再生器申請解密鑰。
4、 密鑰再生器將本地空間代碼、加密者空間代碼和隨機密鑰材料送入空間交 換遷移單元，交換本地和外部空間代碼的位置，然后將全部參數送入順序編碼器 生成解密種子密鑰。
5、 種子密鑰經過非線性密鑰碾展放大器，變換成大數密鑰空間的長度的密鑰群。
6、 密鑰群經過動態粉碎系統粉碎后，輸出合乎標準的矢量解密密鑰群，它包 括算法選擇密鑰、初始向量密鑰、數字接力密鑰、主密鑰群、白化密鑰、控制 密鑰和增量密鑰。
7、 密鑰排序部分根據算法選擇字對密鑰序列進行處理，最后輸出符合本次解 密算法要求的密鑰序列。
8、 用算法選擇密鑰在算法陣列中選擇本次解密算法；用CBC模式解密密文， 得到接收數字接力密鑰、明文輸出和校驗和，
9、 完整性校驗由于校驗和是加解密過程的中間值，不攻破整個系統無法偽 造校驗和，所以校驗和正確就說明密文/明文是完整的、可用的。
10、 抗重播和數字接力棒校驗用解密得到的數字接力密鑰和通訊數據庫中 保存的接力密鑰比較，如果正確，則完成了抗重播檢査和數字接力傳遞檢査，并 將剛生成的數字接力密鑰作為下次的數字接力棒寫入通訊數據庫中。
11、 信源鑒別用密文頭部標識的空間代碼解密能夠得到正確的數字接力棒、 明文和校驗和，證明該密文就是標識的空間代碼系統所發。
12、 身份認證解密者通過網絡可以查驗密文標識的空間代碼所屬實體的身 份信息，從而確認加密者的身份。
13、 數字簽名由于信源的身份得到確認，而密文信息是其它第三方系統包 括解密者自己都無法偽造的，這種唯一的密文信息就相當于加密者的簽名信息， 從而實現沒有刻意簽名的自動數字簽名。
14、數字水印由于密文信息是矢量密文，任何一個字串或分組都包含著加 解密雙方的身份信息，對密文信息的任何一位進行篡改都將影響密文的矢量特 征，造成校驗和出錯，所以這樣的矢量密文信息具備數字指紋或隱含的數字水印 功效，而且比現有的數字指紋和數字水印技術更安全。因為現有數字產權保護技 術是在造成侵權后果時，才利用數字指紋或數字水印來證明產品的權屬；而使用 本發明保護產品權屬，根本無法造成后果。
通過上述一次完整的加密通訊過程可以看出，利用本發明的新型矢量加密認 證機制實現加密通訊，通訊雙方無須事前協商密鑰，只要象打電話一樣，直接用 代表解密者身份的空間代碼對明文加密，就可以得到具備數字簽名或數字水印功 能的密文信息；解密者得到密文信息后，只要用密文攜帶的加密者的身份標識對 密文解密，能夠獲得正確的接力棒和全文校驗和，就完成了密文信息的源宿鑒別 和對加密者的身份認證，密文信息本身就是加密者的數字簽名或具備數字水印功 能。從而可以有效地抵抗第三方的攻擊，因為第三方無論是修改標識的空間代碼、 篡改密文偽、造密文或是重放密文，都會造成解密失敗而被解密方及時發現。
另外，本發明新型矢量加密認證機制的所有鑒別和認證都是對等的，這是因 為加密簽字過程是使用雙方的身份標識共同生成矢量密鑰，然后對信息加密形成 等同雙方簽字的矢量密文，由于所有系統的空間代碼都是永久不可改變的，因此 這種矢量密鑰和密文只有加密者系統唯一能夠生成，解密者得到密文后，同樣用 雙方的身份標識再生出矢量密鑰，然后對密文解密，那么這種矢量密鑰只有在法 定的解密者系統才能正確解密密文恢復成明文，這種過程隱含著雙方共同簽字畫 押，雙方共同解密認證，所以本發明的鑒別和認證是雙方對等的。 有益效果
本發明的新型矢量加密認證機制同現有的兩種密碼體制和認證技術、數字版 權保護技術相比，具有明顯的優越性。
1、 沒有密鑰交換、管理的問題，對傳統的密碼攻擊方法免疫。
2、 實現了密鑰、密文與使用者身份的捆綁，實現全程的密級標識和身份認 證，有效地抵抗第三方的攻擊。
3、 在實現機密性和完整性的同時，自動實現了數據源宿鑒別、雙向對等的 身份鑒別以及數字簽名和數字水印功能，使加密、認證和數字簽名以及數字水印 的實現過程簡單化。
4、 安全強度高、功能強大，特別是多種加密模式的的設計和依托系統或設 備序列號的加密方法，為應用系統提供了靈活的選擇空間，特別適合數字產權、
版權保護領域和軍事加密通訊領域。
5、本發明加密效率高、身份標識明顯，非常適合移動終端實現加密通訊和 認證，更適合頻繁加密簽名和身份認證的場合如替代IPsec、 PKI和網絡家電。


圖l是本發明新型矢量加密認證機制的加密通訊原理圖。 圖2是本發明的密鑰生成再生器的功能框圖。 圖3是本發明新型矢量加密認證機制的軟件實現流程圖。 圖4是用本發明構造的可信計算平臺模塊PTM的功能框圖，也是本發明的 一個具體實施例。
下面結合圖l、圖2和圖3對本發明做詳細闡述圖l中加密密鑰生成器、加密 器E和解密密鑰再生器、解密器D對于同一個加密系統是一個整體部件，當兩個同 樣的加密認證系統A和B實現加密iE訊時，加密方A只能使用加密密鑰生成器和加 密器E，解密方B只能使用解密密鑰再生器和解密器D;當加密方A要發送明文信 息M給B時，首先從權威的第三方獲得解密方B的實際身份信息、背景資料和空間 代碼，當確認B是可以信賴的實體時，就用代表B實際身份的空間代碼，向密鑰生 成器申請加密密鑰，密鑰生成器收到B的空間代碼后參見圖2，先啟動隨機函數 發生器生成長度為空間代碼兩倍的隨機密鑰材料，然后將B的空間代碼、遷移常 數和隨機密鑰材料送到非線性動態順序編碼器中配合本地看空間代碼進行編碼， 生成種子密鑰后直接送入非線性動態放大器進行密鑰放大，再經過非線性密鑰粉 碎器粉碎，生成非連續的矢量密鑰群K1，排序后交給加密器對明文M動態加密； 加密器將數字接力密鑰放在明文頭部；利用矢量密鑰群K1，首先對輸入的明文M 進行向量加密，再進行白化處理，經過校驗和計算后送入算法陣列，用控制密鑰 選擇一種加密算法，用主密鑰對中間密文進行輪加密，結果再經輸出白化處理， 形成矢量密文C輸出，上述過程中，從第一輪加密開始，動態混亂系統就對主密 鑰、控制密鑰、白化密鑰進行混亂控制，從而使加密輪數、移位長度等不斷發生 變化，以實現加密通道的非對稱性。最后產生密文頭和矢量密文C一起通過不安 全的通訊信道發送出去。
法定的解密者B得到全部密文信息，參見圖3，首先分離出密文頭并從頭部取 出法定信宿的空間代碼和本地的空間代碼比較，如果一致則信宿得到鑒別，然后 用后續的法定信源空間代碼到通訊數據庫中取出上次的接力密鑰對后續數據解 密，如果校驗和正確，則用法定信源空間代碼和隨機密鑰材料及加密模式詢本機 密鑰再生器申請解密密鑰，本機密鑰再生器將外地空間代碼送入空間交換單元
完成本地/外地空間代碼位置交換，然后將隨機密鑰材料、空間遷移常數和外地/ 本地空間代碼送入非線性動態順序編碼器中進行編碼，生成種子密鑰后直接送入 非線性動態放大器進行密鑰放大，再經過非線性密鑰粉碎器粉碎，生成非連續的
矢量密鑰群K2，排序后交給解密器對密文C動態解密，解密器利用矢量密鑰群K2 首先對輸入的密文C進行向量解密，再進行逆白化處理后送入算法陣列，用控制 密鑰選擇一種解密算法，用主密鑰對中間密文進行輪解密，經過校驗和計算，結 果再經輸出白化處理，形成明文M輸出。上述過程中，從第一輪解密開始，動態 混亂系統就對主密鑰、控制密鑰、白化密鑰進行混亂控制，從而使解密輪數、移 位長度等不斷發生變化，以實現解密通道的非對稱性。
最后得到接力密鑰、明文序列和全文校驗和，如果全文校驗和正確，就接收 數字接力密鑰和通訊數據庫中上次的接收數字接力密鑰比較，若正確，就完成抗 重播和接力傳遞檢査，并將剛生成的數字接力密鑰寫入通訊數據庫。下面進入完 整性和身份認證過程。
如果全文校驗和正確、數字接力密鑰無誤，則證明如下事實 解密得到的明文序列是完整可用的，中途沒有被偽造和篡改，也不是過去的 信息重放。
頭部標識的法定信源是正確的，明文序列的確是該信源所發，則信息的源宿 得到鑒別；通過權威的第三方可以得到該信源的現實身份信息和背景資料，證明 得到的明文序列就是該現實實體A專門給實體B發送的，則雙方的身份得到對等鑒 別。
因為得到的密文序列能夠在本系統正確解密，該密文信息就相當于該實體A 的簽名信息，也只有在實體B的系統能夠正確解密驗證。如果該密文序列牽涉到 數字產權、版權問題，則該密文序列就是包含實體A和實體B的單向數字指紋和數 字水印的密文序列。
在上述的加密通訊過程中，除了法定的通訊雙方外，由于使用的是不安全信 道，還存在著非法的密碼分析者，它可以采取所有可能的技術措施截獲密文C偷 看、偽造、篡改密文C，下面看看密碼分析者能否成功。
偷看密碼分析者截獲密文C很容易，它也有和A、 B相同的密碼系統，要偷 看密文信息就必須解密該信息，由于密碼分析者無法知道法定解密者擁有的數字 接力密鑰，也不能改變自己加密認證系統的空間代碼，無法用正確的隨機密鑰材 料，生成屬于其它兩個系統共享密鑰交集中的矢量密鑰，所以非法解密不能成功。
篡改由于密碼分析者無法看懂密文信息，只有胡亂篡改密文內容，并試圖
修改全文校驗和，但這樣就破壞了原密文信息的矢量特征，校驗和是加密過程的 中間狀態值的累加，密碼分析者無法修改校驗和，因此，密碼分析者無法篡改密 文，胡亂篡改會被解密方立即發現。
偽造密碼分析者試圖偽造實體A給自己的密文信息，由于加密通道是無法 隨意控制的，3有利用解密通道，隨機臆造一個密鑰材料，并將實體A的空間代 碼和自己的空間代碼組成密文頭，然后對偽造的明文信息解密得到密文序列，但 從新型矢量加密認證機制的特征可以知道，這樣的密文序列一旦形成，就永遠無 法在任何新型矢量加密認證系統恢復成明文，所以偽造不能成功。
重放無計可施的密碼分析者只有不斷地截獲實體A與實體B的密文信息，然 后再發送到不安全信道上，試圖破壞雙方的通訊，但它首先必須解決數字接力棒
問題，實體A與實體B的每次加密通訊，密文頭部都有一個加了密的數字接力密鑰,
修改這個數字接力密鑰同解密密文同樣困難，所以重放攻擊會被立即發現。
具體實施例方式
實施例1、軟硬件混合實施例
圖2和圖3是本發明優選的軟硬件混合實施例，圖2的密鑰生成/再生器用數 字芯片或智能卡實現組成硬件系統，圖3則用軟件程序實現形成加密認證軟件系 統，硬件系統和軟件系統通過USB接口或者感應接口實現信息交互。每個數字芯 片或智能卡都有一個全球唯一的硬件序列號一空間代碼，它決定該硬件可以生成 和再生的矢量密鑰空間范圍，實際應用時，該序列號必須通過一個權威的第三方 將使用者的身份信息和該序列號捆綁并對外公示，以便其他使用者能夠驗證其身 份而直接和其通訊。
圖2是本發明的一個完整的硬件密鑰生成/再生器的單元框圖，圖中本地空間 代碼單元是本密鑰生成/再生器的唯一硬件ID，它是空間交換單元和非線性動態 編碼器的有效組成部分，由硬件生產時一次性燒制，永久不可改變；外地空間代 碼單元是該密鑰生成/再生器加密時唯一能夠從外部接口輸入的一個參數，它的輸 入有效可以啟動隨機函數發生器進行工作，密鑰再生時用于輸入加密方的空間代 碼，但在加密/解密使能的控制下不再啟動隨機函數發生器，外部密鑰材料由隨機 種子單元輸入；隨機函數發生器是一個和時間有關系的真隨機數發生器，用于產
生隨機密鑰材料，它受加解密使能信號的控制，當加密有效且外部空間代碼輸入 完成后，產生兩倍于空間代碼的密鑰材料，當解密使能有效時，隨機函數發生器 不能工作；空間交換單元只有在解密使能時才將內/外部空間代碼的位置進行交 換，以改變密鑰生成/再生器的密鑰空間范圍；遷移常數是本類密碼系統密鑰空間
分布范圍的一個基數，它決定按正常分段后的密鑰偏移量；非線性動態順序編碼 器是一個簡單的加密程序，它將雙方的空間代碼和隨機密鑰按一定的順序動態地
組合成長度為4N的種子密鑰，這里N為段碼長度，也是這種密碼體制的分組長 度，然后用種子密鑰對遷移常數(4N)做散列運算，得到一個散列值，長度仍然 為4N;非線性動態密鑰放大器是一個8位輸入3/4N位輸出的具有256個表項的 非線性替代表，通過査表將種子密鑰的每個字節轉換成3/4N位，然后將它們拼 裝成長度為N位的M個組，這里淋M等于密鑰空間長度；非線性動態密鑰粉碎器 是一組不同特性的散列算法，用第一步獲得的長度為4N散列值作為密鑰，以散 列值的某個字節的低四位做指針，指針指向的字節高低四位異或后作為碾展算法 的選擇字，對第二步獲得的M組數據做加密運算，輸出的密文就是我們需要的矢 量密鑰群。篡改檢測和電氣破壞單元主要檢測芯片內部電壓、壓力、頻率的變化 而形成控制信號驅動電氣破壞單元工作，銷毀整個密鑰生成/再生器，電氣破壞 單元也可以接收外部輸入的銷毀指令，人為地銷毀整個密鑰生成/再生器。
圖3是本發明加密認證部分的軟件信息流程圖，該軟件模塊包含一個加密認 證人機界面和加密算法陣列，具體應用時，使用者啟動該加密認證模塊，根據界 面提示，選擇加/解密方式，當選擇了加密方式后，就分步選擇加密模式、輸入 外部空間代碼、要加密的明文位置，然后軟件掃描端口尋找硬件密鑰生成器，當 密鑰生成器應答后，軟件將加密模式和外部空間代碼發送給密鑰生成器申請加密 密鑰，密鑰生成器響應后將生成的密鑰群輸出給軟件模塊，軟件模塊用算法選擇 密鑰選擇本次加密主算法，然后將數字接力密鑰放在明文頭部開始加密，首先用 向量密鑰對第一組數據加密，再用初始白化密鑰對中間數據處理并計算校驗和然 后進入主算法模塊進行動態的輪加密，輸出的密文再經輸出白化處理即得到合格 的密文，如此不斷重復直至到達明文尾部，最后將源宿空間代碼、用上次數字接 力密鑰加密的隨機密鑰材料、加密模式全文校驗和和頭部校驗和組成密文頭，連 同密文一起發送出去。
法定的解密者收到該密文信息后，啟動軟件模塊并選擇解密，然后告訴系統 密文的位置即可，軟件首先取出頭部法定信宿的空間代碼和本機的空間代碼比 較，若相同則信宿得到鑒別，然后用加密者的空間代碼到通訊數據庫中取出上次 的數字接力密鑰解密密文頭，如果頭部校驗和正確，就用后續的頭部數據向硬件 密鑰再生器申請解密鑰再生，密鑰再生器先啟動空間交換單元交換內/外部空間 代碼位置，然后將內/外部空間代碼、密鑰材料和遷移常數送到非線性順序編碼 器生成種子密鑰，再經過密鑰放大和粉碎，輸出合格的解密密鑰群給軟件模塊，
軟件模塊用算法選擇密鑰選擇本次解密的主算法開始對密文解密，首先用向量密 鑰對第一組數據解密密，再用逆初始白化密鑰對中間數據處理，然后進入主算法 模塊進行動態的輪解密，輸出的中間明文先計算校驗和再經初始白化密鑰處理即 得到明文輸出，如此不斷重復直至到達密文尾部，如果能夠得到正確的全文校驗 和則解密成功；最后從明文頭部取出數字接力棒進行抗重播檢查，合格后則將新 的數字接力密鑰寫入通訊數據庫。接著進入認證階段。
如果解密后得到的全文校驗和以及數字接力棒正確，則證明下述事實 解密后得到的明文信息是完整可用的，沒有被中途篡改、偽造，也不是過去 的信息重放。
頭部標識的法定信源是正確的，明文序列的確是該信源所發，則信息的源宿 得到鑒別。
通過權威的第三方可以得到該信源的現實身份信息和背景資料，證明得到的 明文序列就是該現實實體專門給本系統發送的，則雙方的身份得到對等鑒別。
因為得到的密文序列能夠在本系統正確解密，該密文信息就相當于該實體的 簽名信息，也只有在本系統能夠正確解密驗證。如果該密文序列牽涉到數字產 權、版權問題，則該密文序列就是包含雙方的單向數字指紋和數字水印的密文序 列。
實施例2、基于身份的可信計算模塊PTM
如圖4所示是利用本發明的方法和系統借助硬件而實現的可信計算平臺核心 模塊——PTM加密認證模塊，在本實施方法中，本發明的密鑰生成/再生器和加密 認證算法被制作在同一塊數字芯片上，通過并行的接口和計算機等終端接駁，以 組成可信終端。圖4中，本地空間代碼單元、密鑰生成/再生單元、隨機數發生 器單元和篡改檢測電氣破壞單元構成如圖2所示的本發明的密鑰生成/再生部分， 其中，本地空間代碼是每個PTM模塊分配的全球唯一的一個生產序列號，它決定 每個PTM模塊使用的加密密鑰空間范圍，本地空間代碼可以和設備本身或使用設 備的實體有效捆綁，形成使用者或設備的網絡身份標識。圖4中剩余單元為如圖 3所示的加密認證部分，原理和連接關系如前所述，在此不再贅述。下面詳細敘 述兩臺借助該PTM模塊的終端實現可信連接的過程。
初始狀態，所有裝備PTM模塊的終端必須到一個權威的第三方登記注冊，以 便公示設備空間代碼和擁有設備的實體間的捆綁關系。
當連接在網絡中的一臺可信終端的使用者A，想與另一臺可信終端的使用者 B秘密交換信息時，使用者A首先從權威的第三方獲得使用者B的背景信息和終
端空間代碼，當確認使用者B是可信賴的后，就用使用者B的設備空間代碼啟動 自己終端的PTM模塊對要交換的明文信息加密(等同于加密簽名)，然后將加密 的信息發送給使用者B。
使用者B的終端PTM模塊接收到密文信息后，取出法定信宿的空間代碼與自 己的比較，從而確認法定信宿就是自己，從密文頭解密獲得驗證數據，依據頭校 驗和正確判定數據有效后，然后將后續的信源空間代碼、隨機密鑰材料和加密模 式送到密鑰再生器再生出解密矢量密鑰，對密文信息解密，獲得數字接力棒、明 文和校驗和，并依據校驗和的正確與否處置明文。
校驗和出錯，說明得到的密文信息已經被篡改過，則丟棄明密文；校驗和正 確，接著依據數字接力棒判定得到的明文信息是不是過去信息的重放，如果是就 丟棄明密文，若不是則證明下述事實
解密后得到的明文信息是完整可用的，沒有被中途篡改、偽造，也不是過去 的信息重放。
頭部標識的法定信源是正確的，明文序列的確是該信源所發，則信息的源宿 得到鑒別；通過權威的第三方可以得到該信源的現實身份信息和背景資料，證明 得到的明文序列就是該現實使用者B專門給本終端系統發送的，則雙方的身份得 到對等鑒別。
因為得到的密文序列能夠在本系統正確解密，該密文信息就相當于該實體的 簽名信息，也只有在本系統能夠正確解密驗證;如果該密文序列牽涉到數字產權、 版權問題，則該密文序列就是包含雙方的單向數字指紋和數字水印的密文序列。
上述兩個實施示例是本發明一種新型矢量加密認證機制的優選實施方案，所 述方案敘述的具體實施方法、涉及的應用領域和反映的技術特征，并未列舉出本 發明的所有應用領域、必要的技術特征和實施技術方案。因此，凡是采用以矢量 密碼技術為前提、或為密碼系統劃分專用密鑰空間的所有方法、或具有身份/ID與 密鑰和密文捆綁技術特征的所有方法、或具有加解密單向可逆技術特征的所有密 碼系統、或具有通過判定解密校驗和來自動實現加密認證特征的所有方法、或是 一個密碼系統同時具備點播、多播、組播、廣播和自加密的全部或至少兩種以上 功能的所有實現方法、或具有通過密鑰秘密傳遞而實現抗重播技術特征的所有方 法，都屬于本發明的范圍，而不論是否和本示例的方法或技術特征完全相同或相 似；上述的方法包括硬件方法和軟件方法。
權利要求
1、一種基于身份的矢量密碼學方法，采用如下技術方案1)、為一種密碼體制選擇一個無法窮盡的大數密鑰M，如1024位或8192位或更長。2)、采用密鑰高位分段的方法，分段長度N可選64-512BIT，將2M的大數密鑰空間分割成2N個空間為2M-N的密鑰子空間。3)、為該體制下的每個密碼系統分配一個唯一的段號，限制其只能使用該段號含蓋的密鑰子空間中的密鑰進行加密。則該段號就是該密碼子系統的數字ID，由于它是空間分割的標志，代表著這個密碼子系統可以使用的唯一專用的加密密鑰空間，我們稱其為空間代碼。4)、對每個密碼子系統的專用加密密鑰空間進行二次分割，產生針對解密方專用的、由雙方空間代碼共同限定的2N-1個具有不同指向的矢量密鑰交集。5)、利用密鑰粉碎、遷移和換位算法對二次分割后的矢量密鑰交集空間進行處理，使一個密碼子系統針對另外一個密碼子系統的矢量密鑰交集空間中的密鑰通過粉碎、遷移和稀釋，可以非均勻地分布在整個大數密鑰空間中，不窮盡整個大數密鑰空間M就無法得到完整的交集空間中的密鑰。6)、采用密鑰再生技術和空間交換技術，使解密方能夠再生出屬于加密方專用加密密鑰空間中針對自己交集中的密鑰，正確解密矢量密文。7)、將密碼子系統的空間代碼和使用者的身份信息捆綁并通過一個權威的機構對外公開。8)、實際實現時，對于全零的段號，可以作為公共密鑰空間而不分配具體的密碼子系統，為矢量密碼實現某些特殊功能預留空間。其主要技術特征是采用大數密鑰空間二次分割技術，使該密碼體制下的每個密碼系統，都獲得由一群不同指向的矢量密鑰交集組成的、非均勻地分布在大數密鑰空間中的、唯一的加密密鑰空間，并由此產生一個標識系統唯一性的、能夠和使用者身份捆綁的空間代碼。
2、 一種矢量密鑰生成/再生器的設計方法，包括下述步驟 選擇一個大數密鑰作為矢量密鑰生成/再生器可以生成/再生的密鑰空間，如1024位至8192位或其它需要的長度。選擇一個合適長度的空間代碼即兩次密鑰空間分割的段號，如64位至512位或其它需要的長度，作為矢量密鑰生成/再生器的標識。設計一個純正的偽隨機函數發生器，它可以是硬件電路或軟件，以便生成 長度為空間代碼兩倍的隨機序列，作為矢量密鑰生成/再生器生成矢量密鑰的密鑰材料；所述的硬件電路或軟件包括所有可實現該規則的算法和方法。設置一個4倍于空間代碼長度的空間遷移常數，作為矢量密鑰生成/再生器密鑰空間在大數密鑰空間中分布的遷移基數。設計一個非線性動態順序編碼部件，它可以是硬件電路或軟件，以便將兩次密鑰空間分割的空間代碼、遷移常數和隨機密鑰材料按一定規則編碼生成種子密鑰；所述的硬件電路或軟件包括所有可實現該規則的算法和方法。設計一個非線性動態放大器部件，它可以是硬件電路或軟件，以便將種子密鑰放大到大數密鑰的長度；所述的硬件電路或軟件包括所有可實現該要求的算法和方法。設計一個非線性動態密鑰粉碎部件，它可以是硬件電路或軟件，以便將放 大后的種子密鑰粉碎、稀釋到整個大數密鑰空間中；所述的硬件電路或軟件包 括所有可實現該要求的算法和方法。設置一個非對稱控制部件，它可以是硬件電路或軟件，用于控制矢量密鑰 生成/再生器密鑰再生時，控制偽隨機函數發生器不能工作，并交換內外部空間 代碼參與非線性動態順序編碼的運算順序，或者依據外部輸入的工作模式控制 字用全零、高位全零、低位全零替代本機空間代碼或允許加密時外部能夠輸入 本機的空間代碼。設置一個防篡改檢測部件，它可以是硬件電路或軟件，用于檢測硬件環境 的壓力、頻率和電壓變化或軟件程序的完整性，保證每個矢量密鑰生成/再生器 的空間代碼是不能改變的，內部各個算法部件是不可測試的；該部件包括采用 硬件防篡改技術的一切有效技術措施和方法。設置一個自毀部件，該部件可以是硬件電路或軟件程序；它可以接受防篡 改檢測部件的控制或接收外部輸入的銷毀指令，用于電氣地破壞矢量密鑰生成/ 再生器的硬件結構或銷毀軟件程序。本發明方法設計的矢量密鑰生成/再生器具備下述技術特征每個矢量密鑰生成/再生器，都有一個可以和使用者捆綁的、唯一的空間代 碼，它決定了該矢量密鑰生成/再生器可生成的矢量密鑰空間范圍；每個矢量密鑰生成/再生器，都有兩個互不重疊的專用加密矢量密鑰空間和 解密矢量密鑰空間；每個矢量密鑰生成/再生器，都只能使用法定通訊對方系統的空間代碼啟動 矢量密鑰生成器生成針對法定系統的加密密鑰； 每個矢量密鑰生成/再生器，都只能使用法定加密方系統的空間代碼啟動矢 量密鑰再成器，并且無法使用隨機函數發生器，只能使用加密方隨密文一起傳 送過來的隨機密鑰材料，再生出針對自己系統的解密密鑰；每個矢量密鑰生成/再生器，都具有自我保護功能和接受外部命令自我銷毀 功能；每個矢量密鑰生成/再生器，輸出的加密密鑰都是具備唯一方向性的矢量密鑰。每個矢量密鑰生成/再生器，都無法生成或再生出屬于其它兩個矢量密鑰生 成/再生器密鑰空間范圍內的矢量密鑰。上面的技術特征描述并未包括本發明的所有技術特征，因此，凡是以大數 密鑰空間分割為前提、或生成具有指向性的矢量密鑰為目的的所有密鑰生成/再 生方法、或采用受限的密鑰生成/再生方法而取消密鑰交換的、或使用外部控制 指令銷毀密碼系統硬件或軟件的方法、或使用空間交換技術實現無鑰加密認證 的方法，都屬于本發明的范圍。
3、 一種新型矢量加密認證機制，包括四個部分，矢量密鑰生成/再生部分、 加密算法陣列、密文頭生成/驗證部分和通訊數據庫。該新型矢量加密認證機制 的主要述技術特征在于1) 、采用密鑰生成/再生技術，沒有密鑰交換和管理的問題，使用者不用考 慮密鑰；2) 、每個加密認證子系統都有一個唯一的加密專用的矢量密鑰空間和一個 唯一的解密專用的矢量密鑰空間；3) 、同一個系統加密算法和解密算法是不可互逆的，法定的兩個系統加密 算法和解密算法是單向可逆的，對明文先解密獲得的密文信息在所有系統中都 無法再恢復成明文；4) 、系統內部自帶完整性校驗機制，采用加密/解密過程的中間狀態值，在實現完整性驗證的同時，自動實現了源宿鑒別、身份認證、數字簽名和數字水 印功能；5) 、系統輸入限制，加密時只能選擇收信方的空間代碼和工作模式，解密 時只能輸入發信方的空間代碼、工作模式和隨機密鑰材料，而無法選擇其它任 何參數。
4、 如權利要求3所述的密鑰生成/再生部分使用了防篡改硬件裝置，該防篡 改硬件裝置內部包括本地空間代碼、數據輸入/輸出接口、空間遷移常數、空 間交換單元、偽隨機數發生器、非線性動態順序編碼器(矢量編碼器)、非線性 動態密鑰碾展放大器、非線性動態密鑰粉碎器、密鑰排序部分、篡改檢測部分、 電氣破壞部分、加解密控制部分；其主要技術特征是1) 、所有密鑰生成/再生器都有一個全球唯一的不可改變的空間代碼。它是 每個密鑰生成/再生器內部不可篡改的一部分，決定著該密鑰生成/再生器可使 用的唯一的矢量加密密鑰空間，也是和使用者捆綁的數字身份證號；2) 、輸出長度為1408BIT-11264BIT分為六組的獨立對稱密鑰和一個算法選 擇字，這六組密鑰是主密鑰、白化密鑰、控制密鑰、增量密鑰、初始向量密 鑰和一個數字接力密鑰；3) 密鑰再生器可以再生出點對點、廣播、組播、多播密鑰和自加密密鑰；4) 、采用空間交換技術實現解密密鑰空間到其它系統加密矢量密鑰空間的 影射再生。
5、 如權利要求3所述的加密算法陣列由初始和結束白化、加解密算法選擇、 動態密鑰控制系統、非對稱混亂系統和一組動態的對稱算法陣列組成;其主要 技術特征在于算法陣列是由多種對稱算法并列組成，增加了動態算法選擇字， 通過白化技術和非對稱混亂系統實現加密/解密通道的不對稱特性；算法內部設 置有完整性校驗機制，校驗和的輸入采用加密/解密過程(如白化后)的中間值。
6、 如權利要求3所述的密文頭生成/驗證部分，包括由加密方執行的密文頭 生成部分、數字接力加密傳送部分和由解密方執行的信宿鑒別部分、頭部解密 驗證部分、完整性驗證、數字接力棒鑒別部分、身份認證部分；其主要技術特 征在于加密方通過將明文形態的雙方空間代碼和用數字接力密鑰加密的隨機 密鑰材料、工作模式、全文校驗和數據組成密文頭，自動實現抗重播和沒有簽 名的數字簽名；解密方將依據全文校驗和正確、接力傳遞無誤來實現信息重放 鑒別、信息源宿鑒別、雙方對等的身份鑒別和數字簽名驗證。
7、 如權利要求3所述的一種新型矢量加密認證機制，主要技術特征還在于 該機制具有自加密、點對點加密、組播加密、多播加密和廣播加密功能，這些 功能的子組合也屬于本發明的范圍。
8、 如權利要求3所述的一種新型矢量加密認證機制，其主要技術特征還在 于采用閉環的雙向數字密鑰接力鏈路實現抗重播功能。
9、 如權利要求3所述的一種新型矢量加密認證機制，其主要技術特征還在 于該機制下的所有加密認證系統可以由外部輸入的特殊指令而被銷毀。
全文摘要
一種新型矢量加密認證機制，涉及一種矢量密碼學方法，屬于信息安全技術領域；該方法為一種密碼體制選擇一個大數密鑰空間M，并將該空間兩次分割成2^N*2^N個具有不同指向的2^M-2N個矢量密鑰子空間，使該體制下每個密碼系統都擁有一個唯一的加密密鑰子空間和一個唯一的解密密鑰子空間；依照該方法可以構造一種新型矢量加密認證機制，該機制采用硬件防篡改的密鑰生成/再生技術實現大數密鑰空間的二次分割并賦予密鑰矢量特性，采用不對稱的對稱算法陣列加密/解密，在實現高強度保密性的同時實現抗重播、完整性控制、身份認證和數字簽名，而且沒有密鑰管理的問題。
文檔編號H04L9/32GK101355422SQ20081014064
公開日2009年1月28日 申請日期2008年7月16日 優先權日2008年7月16日
發明者帆 馮, 龍 馮, 馮振周 申請人:馮振周