專利名稱：列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的安全橢圓曲線密碼保護(hù)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種將安全的ECC(橢圓曲線密碼)應(yīng)用于基于通信技術(shù)的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)(CBTC)進(jìn)行安全保護(hù)的方法，屬于信息安全保護(hù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
CBTC系統(tǒng)的應(yīng)用為軌道交通列車控制提供了更簡(jiǎn)潔、更靈活、更高效的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)CBTC系統(tǒng)的開放性以及自動(dòng)性也為列車控制系統(tǒng)帶來更多的安全隱患。CBTC系統(tǒng)的安全主要的體現(xiàn)在兩個(gè)方面訪問控制和機(jī)密性。訪問控制主要要確保CBTC系統(tǒng)僅由合法的用戶(設(shè)備)來訪問；機(jī)密性主要傳送的信息只被期望的接受方接受和理解。目前CBTC系統(tǒng)安全缺陷主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面 1.目前CBTC還是普遍采用相對(duì)不理想的WEP安全標(biāo)準(zhǔn)?；贗EEE802.11的CBTC系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)在安全性方面非常脆弱。首先，WEP中用來生成密鑰流的RC4算法存在弱密鑰性。所謂弱密鑰，就是密鑰與輸出之間存在超出一個(gè)好密碼所應(yīng)具有的相關(guān)性。攻擊者收集到足夠多的使用弱密鑰進(jìn)行加密的包后，就可以對(duì)它們進(jìn)行分析，只需嘗試很少的密鑰就可以將密鑰破解。其次，WEP協(xié)議本身存在缺陷，主要在于兩個(gè)方面 (1)使用靜態(tài)密鑰；(2)初始化向量IV的限制，而且WEP協(xié)議并沒有定義用來加密的密鑰是怎樣生成的。所以在許多應(yīng)用中，無線接入點(diǎn)AP和多個(gè)客戶端之間使用同一個(gè)靜態(tài)的密鑰，并且很多WLAN為了方便此密鑰的分發(fā)，使用一個(gè)容易記憶的字符串。再者，由于CBTC部分系統(tǒng)的無線性、開放性，如何在無線環(huán)境中實(shí)現(xiàn)接入安全認(rèn)證已經(jīng)成為一個(gè)重要的難點(diǎn)。
針對(duì)目前CBTC的網(wǎng)絡(luò)安全WEP標(biāo)準(zhǔn)，無線局域網(wǎng)安全國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)802.11i存在著以下幾種安全缺陷 (1)通常無線用戶的安全認(rèn)證，僅僅采用用戶名和口令。
(2)接入控制多集中于MAC層的訪問控制(通過驗(yàn)證用戶口令和校驗(yàn)用戶的MAC地址來確保用戶身份)和WEP(Wired Equivalent Privacy)加密機(jī)制，但安全性較低，容易遭到IP欺騙攻擊或被非法用戶解密接入口令。
(3)對(duì)接入設(shè)備AP缺乏安全驗(yàn)證，極易被敵手更換后竊取信息。
(4)用戶名容易盜取。
(5)密鑰管理存在安全隱患，采用靜態(tài)密鑰管理，安全性低(因?yàn)閃EP中的密鑰長(zhǎng)度僅為40bit，而密鑰管理是密碼體制的核心部分)。
2.目前CBTC系統(tǒng)的另一個(gè)缺陷是移動(dòng)終端與列車控制系統(tǒng)無線認(rèn)證過程的異步性。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，只有成功認(rèn)證以后，認(rèn)證端口才會(huì)處在受控狀態(tài)。但對(duì)于移動(dòng)終端并非如此，移動(dòng)終端端口實(shí)際上總會(huì)處在認(rèn)證成功后的受控狀態(tài)，而整個(gè)的認(rèn)證只是列車控制系統(tǒng)對(duì)移動(dòng)終端的單向認(rèn)證。攻擊者可以處在移動(dòng)終端與列車控制系統(tǒng)之間，對(duì)于列車控制系統(tǒng)來說，攻擊者充當(dāng)移動(dòng)終端，而對(duì)于移動(dòng)終端來講，攻擊者充當(dāng)列車控制系統(tǒng)。
針對(duì)上述CBTC系統(tǒng)存在的安全缺陷，目前CBTC系統(tǒng)安全需求主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面 1.數(shù)據(jù)保密性指有關(guān)數(shù)據(jù)僅能被指定的合法用戶讀取。只有擁有密鑰的接收方才能解密，而沒有密鑰的攻擊者即使獲得密文，也無法獲知相應(yīng)的明文。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)加密主要有三個(gè)目的加密算法的安全性能夠滿足CBTC系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的需要；算法的效率足夠高；算法使用靈活，移植性好，能夠在未來CBTC系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)上較好實(shí)現(xiàn)。
2.數(shù)據(jù)完整性因?yàn)镃BTC系統(tǒng)中數(shù)據(jù)容易丟失或被攻擊者惡意修改，因此需要提供信息認(rèn)證用于檢查數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性，不僅要檢驗(yàn)出數(shù)據(jù)的丟失情況，還必須能夠檢測(cè)出數(shù)據(jù)是否被修改。
3.密鑰管理建立可靠的密鑰管理對(duì)系統(tǒng)的安全性起著決定性的作用。根據(jù)CBTC系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的安全特性，對(duì)密鑰管理要求提供動(dòng)態(tài)更新的密鑰管理機(jī)制，避免密鑰重用；盡可能減少密鑰管理中的通訊量；同時(shí)提高密鑰管理的效率。
4.身份認(rèn)證因?yàn)镃BTC系統(tǒng)中AP節(jié)點(diǎn)不用直接連接系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，所以使得攻擊者更容易非法登入CBTC系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的身份認(rèn)證目標(biāo)一是構(gòu)建安全可靠的身份認(rèn)證機(jī)制；二是實(shí)現(xiàn)雙向身份認(rèn)證，接入點(diǎn)與用戶相互認(rèn)證身份，只有雙方均認(rèn)證成功，用戶才能登入網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)EN50159定義即使傳輸系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)合一定的保護(hù)機(jī)制，仍認(rèn)為其不可信，所以必須實(shí)施安全措施來提高系統(tǒng)的安全可靠性。
利用上述的安全準(zhǔn)則來分析現(xiàn)階段CBTC系統(tǒng)的IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)，可以發(fā)現(xiàn)，由于服務(wù)區(qū)標(biāo)識(shí)符SSID和MAC地址的可被修改性，因此有SSID和MAC地址訪問控制鏈表所提供的訪問控制策略是很脆弱的。AP中的訪問認(rèn)證機(jī)制中包含嚴(yán)重缺陷使其很容易受到攻擊。跳頻擴(kuò)頻技術(shù)FHSS也不能被認(rèn)為是傳輸系統(tǒng)的安全保障。它的安全性主要是由WEP(有線等效協(xié)議)來提供與有線局域網(wǎng)相同級(jí)別的安全保護(hù)，然而WEP在設(shè)計(jì)時(shí)就存在嚴(yán)重缺陷，WEP機(jī)制事實(shí)上既沒有保障數(shù)據(jù)的安全性(保密性和完整性)，也沒有防止非授權(quán)訪問。
針對(duì)上述CBTC系統(tǒng)存在的安全缺陷，目前CBTC系統(tǒng)安全認(rèn)證技術(shù)主要包括 1.802.11i認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn) IEEE802.11i使用802.1x(基于端口的網(wǎng)絡(luò)訪問控制)來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的接入控制。802.1x是一種基于端口的網(wǎng)絡(luò)接入控制(Port Based Network Access Control)技術(shù)。在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的物理接入級(jí)對(duì)接入設(shè)備進(jìn)行認(rèn)證和控制。它提供了一種即可用于有線網(wǎng)絡(luò)也可以用于無線網(wǎng)絡(luò)的用戶認(rèn)證和密鑰管理的框架，可以控制用戶只有在認(rèn)證通過以后才能連接到網(wǎng)絡(luò)。802.1x協(xié)議包括3個(gè)認(rèn)證實(shí)體網(wǎng)絡(luò)服務(wù)申請(qǐng)者、認(rèn)證者和認(rèn)證服務(wù)器。802.1x的主要目的是實(shí)現(xiàn)接入請(qǐng)求者(Supplicant)和認(rèn)證者(Authenticator)的端口接入實(shí)體之間通過認(rèn)證服務(wù)器(Authenticate Server，AS)的相互認(rèn)證，從而提供了基于端口的不同級(jí)別的接入控制下的接入服務(wù)，并且通過簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議(SNMP)實(shí)現(xiàn)管理操作。這里的端口可以是物理端口，也可以是用戶設(shè)備的MAC地址、VLAN，IP等，它有兩個(gè)邏輯端口受控端口(Controlled Port)和非受控端口(Uncontrolled Port)。非受控端口始終處于雙向連通狀態(tài)，不管是否處于授權(quán)狀態(tài)，都允許申請(qǐng)者和網(wǎng)絡(luò)中的其他機(jī)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，其主要用來傳遞EAPOL協(xié)議幀，可保證隨時(shí)接受客戶端發(fā)出的認(rèn)證報(bào)文；受控端口只有在認(rèn)證通過的狀態(tài)下才打開，用于傳遞網(wǎng)絡(luò)資源和服務(wù)，可配置雙向受控和僅輸入受控兩種方式以適應(yīng)不同的應(yīng)用環(huán)境。
2.IPSec安全方案 IPSec(IP Security)是目前適用Internet通信的唯一最易擴(kuò)展、最完整的一種網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)，利用它建立起來的隧道具有更好的安全性和可靠性。IPSec是由IETF開發(fā)的開放標(biāo)準(zhǔn)框架，它提供了在Internet這種無保護(hù)的網(wǎng)絡(luò)中傳送敏感信息的安全保證。IPSec AH(Authentication Header，認(rèn)證頭)協(xié)議、ESP(EncapsulatedSecurity Payload，安全封裝載荷)協(xié)議和密鑰交換IKE(Internet Key Exchange，Internet密鑰交換)協(xié)議以及安全關(guān)聯(lián)(security association，SA)密鑰管理組成，并實(shí)現(xiàn)安全服務(wù)。其中AH對(duì)IP包進(jìn)行認(rèn)證，ESP對(duì)IP包進(jìn)行認(rèn)證和加密，IKE對(duì)密鑰進(jìn)行協(xié)商與管理。具體提供數(shù)據(jù)機(jī)密性、數(shù)據(jù)完整性、數(shù)據(jù)源認(rèn)證、抗重播四個(gè)方面的安全服務(wù)。所以，IPSec能綜合提供安全認(rèn)證、加密、密鑰交換和管理功能。因此只要移動(dòng)終端(MT)和網(wǎng)絡(luò)支持IPSec，就可以方便地將IPSec作為WLAN的系統(tǒng)解決方案。但是由于WEP工作在網(wǎng)絡(luò)的第二層，當(dāng)在此基礎(chǔ)上，利用IPSec協(xié)議把各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議直接裝入隧道協(xié)議中，形成的數(shù)據(jù)包依靠第三層協(xié)議進(jìn)行傳輸，則可以達(dá)到數(shù)據(jù)通信安全的目的。但由于實(shí)施IPSec協(xié)議需要的開銷比較大，可能會(huì)延遲數(shù)據(jù)的處理，因此應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行安全級(jí)別的分類。根據(jù)數(shù)據(jù)的安全級(jí)別來確定是否需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行更高層次的安全保護(hù)。例如，對(duì)一般安全級(jí)別的數(shù)據(jù)可以僅用WEP協(xié)議算法，而對(duì)安全級(jí)別較高的數(shù)據(jù)才啟用IPsec保護(hù)。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種基于通信技術(shù)的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的安全橢圓曲線密碼保護(hù)方法，將安全的ECC應(yīng)用于CBTC系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行安全保護(hù)，克服CBTC系統(tǒng)移動(dòng)終端處理能力弱，認(rèn)證安全性低等缺陷，從而滿足具有較高安全需求下的安全需求。
本發(fā)明的主要構(gòu)思是針對(duì)CBTC系統(tǒng)安全性缺陷以及如何將ECC曲線應(yīng)用到CBTC系統(tǒng)安全性保護(hù)，給出了一種具體針對(duì)CBTC系統(tǒng)的安全ECC保護(hù)方法。
本方法是挑選一種可以抵御針對(duì)Pollard-ρ攻擊威脅的安全橢圓曲線并在CBTC系統(tǒng)中建立密碼體系，其中包括 為了實(shí)現(xiàn)安全ECC在CBTC系統(tǒng)的安全應(yīng)用，首先必須針對(duì)ECC面臨主要安全威脅做出必要篩選，而ECC的主要安全保證為橢圓曲線離散對(duì)數(shù)問題(ECDLP)。
橢圓曲線離散對(duì)數(shù)問題的特征在于E(FP)上的橢圓曲線離散對(duì)數(shù)等價(jià)到E(FPn)上的離散對(duì)數(shù)問題，這就是所謂的對(duì)橢圓曲線離散對(duì)數(shù)問題的MOV攻擊方法。其主要的描述為對(duì)于橢圓曲線E上的點(diǎn)P，若存在最小的正整數(shù)n，使得nP＝0(單位元)，則稱n為點(diǎn)P的階。若n不存在，則稱P是無限階的。ECDLP定義為已知P和Q是橢圓曲線E(FP)上的點(diǎn)，求整數(shù)m使得Q＝mP(其中m是整數(shù)，且滿足m＜n)稱為橢圓曲線上的離散對(duì)數(shù)問題。在上述定義中，給定m和P，根據(jù)加法法則，計(jì)算Q很容易；但給定Q和P，求m相對(duì)困難，即為橢圓曲線加密算法采用的單向陷門函數(shù)。
所以，對(duì)于ECC的橢圓曲線離散對(duì)數(shù)問題，為保證ECC的安全性，即主要有效抵御Pollard-ρ攻擊，橢圓曲線的階數(shù)必須要包含一個(gè)大素?cái)?shù)因子，一般不小于160bit。而為達(dá)到有效的保護(hù)ECC的安全性，橢圓曲線的階數(shù)(#E(FP))必然凸顯的更加重要。如何快速的挑選出安全強(qiáng)度高的橢圓曲線，計(jì)算#E(FP)則是本方法重要一環(huán)。
首先，在構(gòu)造安全的橢圓曲線密碼系統(tǒng)時(shí)，第一應(yīng)挑選non-supersingular型橢圓曲線，進(jìn)而確定橢圓曲線方程系數(shù)a和b。其中計(jì)算#E(FP)可在多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)得到結(jié)果，并且其階數(shù)必須要包含一個(gè)大素?cái)?shù)因子。在確定橢圓曲線后，需要在該橢圓曲線上選取一個(gè)安全的點(diǎn)P(階為素?cái)?shù)或含大的素因子)。建立在non-supersingular型橢圓曲線上的密碼系統(tǒng)，如果滿足上述構(gòu)造條件，則認(rèn)為這條ECC是安全的。
其中，根據(jù)上述的#E(FP)與橢圓曲線安全性的關(guān)系，為了提高#E(FP)的計(jì)算速度以及在雙向認(rèn)證中橢圓曲線的點(diǎn)加與點(diǎn)乘速度，通常把橢圓曲線定義在GF(pn)或GF(2n)上，這樣點(diǎn)逆和乘法速度相對(duì)比較快。
再者，當(dāng)建立起安全的橢圓曲線，根據(jù)CBTC系統(tǒng)中列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)(ATS)，無線接入點(diǎn)(AP)以及車載計(jì)算機(jī)(MR)的計(jì)算能力和通信能力，提出了一種比較合理的分配進(jìn)程的方法。
其中對(duì)于ATS，它是三者中計(jì)算能力最強(qiáng)的部分，所以可以讓它擔(dān)負(fù)大部分密碼體制建立的計(jì)算工作， 而對(duì)于AP，由于AP的存儲(chǔ)容量以及計(jì)算能力是三者最弱的，所以僅僅讓其擔(dān)負(fù)通信任務(wù)和少量計(jì)算任務(wù)，最后對(duì)于車載計(jì)算機(jī)，主要承擔(dān)本身列車的公私鑰計(jì)算以及必要的通信任務(wù)。
最后，在CBTC系統(tǒng)中安全ECC進(jìn)程完成以后，完成利用個(gè)人身份認(rèn)證方法設(shè)計(jì)一種對(duì)于CBTC系統(tǒng)無線環(huán)境的雙向認(rèn)證方法。其主要特征為 首先這種認(rèn)證方法為無線環(huán)境中雙次雙向認(rèn)證方法，其中雙次性加強(qiáng)了ATS對(duì)每個(gè)AP和車載計(jì)算機(jī)的控制，同時(shí)增強(qiáng)了認(rèn)證體系的可信性，再者，由于原有的CBTC系統(tǒng)的安全認(rèn)證算法為單向認(rèn)證算法，所以極易受到惡意AP節(jié)點(diǎn)的攻擊，這是現(xiàn)用CBTC系統(tǒng)中一個(gè)明顯的安全漏洞。所以，其雙向性完全修補(bǔ)了單向性的主要缺陷，防止了惡意AP攻擊，實(shí)現(xiàn)了無線通信兩端的雙重保護(hù)，即增強(qiáng)了CBTC系統(tǒng)的安全性。
根據(jù)上述的發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案 一種基于通信技術(shù)的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的安全橢圓曲線密碼保護(hù)方法，其特征在于實(shí)施步驟為 1)建立安全橢圓曲線密碼體系； 2)在CBTC系統(tǒng)中配置ECC密碼體制； 3)建立基于ECC密碼在CBTC無線環(huán)境中雙向認(rèn)證的體系。
上述步驟1)中建立安全橢圓曲線密碼體系的操作步驟為 (1)建立p(p＞＝2)小素?cái)?shù)域，建立ECC計(jì)算平臺(tái)； (2)在小數(shù)域中，分兩種情況p＝2和p＞＝3交與計(jì)算機(jī)程序計(jì)算，同時(shí)建立其相對(duì)應(yīng)ECC方程y2+xy＝x3+ax2+b(p＝2)和y2＝x3+ax+b(p＞＝3)，然后利用窮舉法和數(shù)論中二次剩余項(xiàng)充要條件具體求取小素?cái)?shù)域中曲線的階數(shù)，即count＝#E(FP)； (3)在計(jì)算出小數(shù)域的橢圓曲線的階數(shù)以后，利用Weil定理、Hasse定理以及數(shù)論部分知識(shí)，求取在擴(kuò)域中的pn的橢圓曲線的階數(shù) 3.1根據(jù)Weil定理，首先計(jì)算A＝p+1-#E(Fp)，同時(shí)程序記入此值； 3.2隨后建立二次方程X2-AX+p＝0，同時(shí)利用二次方程的萬能求根公式求取此方程x1和x2，并記入兩個(gè)根值； 3.3最后利用Weil定理求取擴(kuò)域的階數(shù)完成對(duì)擴(kuò)域階數(shù)的計(jì)算； (4)當(dāng)完成在擴(kuò)域橢圓曲線階數(shù)計(jì)算后，所求得的ECC的階數(shù)中必需含有一個(gè)大素?cái)?shù)因子，以此為挑選安全橢圓曲線的主要目標(biāo)函數(shù)，當(dāng)使n值在一定范圍中不斷變化過程中，挑選安全橢圓曲線；利用馬爾可夫預(yù)測(cè)挑選安全橢圓曲線算法來加速挑選安全的ECC曲線，具體方法如下 4.1首先初試化馬爾可夫預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)移矩陣在開始階段，首先計(jì)數(shù)器初試化設(shè)置為0值，在開始階段利用機(jī)器學(xué)習(xí)的思想，來完善馬爾可夫預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)移矩陣參數(shù)；以n值20為一個(gè)大區(qū)間，即以20對(duì)n值分段，以3個(gè)參數(shù)建立參數(shù)轉(zhuǎn)移矩陣，即α，β，γ；為了給矩陣的參數(shù)初始化，即機(jī)器學(xué)習(xí)的階段，在前60跳步之內(nèi)，進(jìn)行全局尋找安全的橢圓曲線，用1數(shù)和0數(shù)分別對(duì)選定的和未選定的曲線進(jìn)行標(biāo)記； 4.2在完成馬爾可夫預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)移矩陣過程中，大素?cái)?shù)判斷要同時(shí)進(jìn)行，使用比較快速的大素?cái)?shù)判定方法米勒-拉賓素?cái)?shù)判定法，若計(jì)算機(jī)判斷出此ECC曲線階數(shù)的因子中為符合安全條件的大素?cái)?shù)時(shí)，即認(rèn)為此曲線基本符合安全ECC的條件，即為上步所提出選定的橢圓曲線，同時(shí)對(duì)用此曲線n的曲線計(jì)數(shù)器加1； 4.3完成對(duì)馬爾可夫預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)移矩陣初試化的建立，對(duì)于n的第一個(gè)20步計(jì)算完成以后，在這個(gè)區(qū)間內(nèi)的安全ECC曲線的個(gè)數(shù)即為計(jì)數(shù)器的值，所以馬爾可夫預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)移矩陣的三個(gè)參數(shù)值中的第一個(gè)參數(shù)值應(yīng)為α＝count/20；同理，繼續(xù)運(yùn)行n，使n繼續(xù)增加，下兩個(gè)20步即可完成對(duì)β，γ的初試化，即完成馬爾可夫預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)移矩陣初試化的建立； 4.4當(dāng)完成對(duì)馬爾可夫矩陣初試化以后，利用馬爾可夫矩陣對(duì)以后n值進(jìn)行預(yù)測(cè)，即只選擇與相對(duì)于馬爾可夫矩陣參數(shù)比較大的擴(kuò)域值，即后續(xù)n值每60為小整體，其中每20步分別對(duì)應(yīng)馬爾可夫矩陣參數(shù)，完成特定n區(qū)間安全ECC曲線挑選計(jì)算；同時(shí)更新馬爾可夫矩陣參數(shù)，注意在更新馬爾可夫矩陣參數(shù)時(shí)，為防止尋找曲線的早熟性，部分引入擾動(dòng)因子； (5)在找到安全橢圓曲線方程后，利用它建立安全ECC體系在挑選出合適的橢圓曲線的基礎(chǔ)上，為構(gòu)造基于離散對(duì)數(shù)的密碼體制，必須找出橢圓曲線加法群的大素?cái)?shù)子群的一個(gè)基點(diǎn)，本部分完成對(duì)于橢圓密碼體制的完整構(gòu)造，操作步驟如下 5.1.在給定的橢圓曲線上，先任意的x值，0≤x≤p； 5.2如果α＝0，輸出(x，0)并停止運(yùn)算，這里的α即為橢圓方程左邊的y2值； 5.3利用模pn的平方根方法求α的一個(gè)平方根或證明它的不存在； 5.4如果不存在平方根，則返還(a)，否則輸出一個(gè)整數(shù)β，0＜β＜p.使得β2≡α(modpn)生成一個(gè)隨機(jī)比特μ，令y←(-1)μβ；輸出(x，y)。
上述步驟2)中在CBTC系統(tǒng)中配置ECC密碼體制操作步驟為 (1)首先考慮對(duì)于ATS的進(jìn)程計(jì)算，讓它擔(dān)負(fù)大部分密碼體制建立的計(jì)算工作 1.1完成橢圓曲線方程的系數(shù)初始化； 1.2利用Weil定理，計(jì)算ECC方程的具體階數(shù)； 1.3利用費(fèi)馬小定理的逆命題、偽素?cái)?shù)、米勒-拉賓素?cái)?shù)判定法完成大素?cái)?shù)判斷； 1.4利用馬爾可夫預(yù)測(cè)完成挑選安全橢圓曲線的計(jì)算； 1.5完成在CBTC系統(tǒng)中的ECC體制的構(gòu)造，最后完成基點(diǎn)的計(jì)算； (2)設(shè)計(jì)AP節(jié)點(diǎn)進(jìn)程安排由于AP的存儲(chǔ)容量以及計(jì)算能力是三者最弱的， 所以盡量減少AP的計(jì)算量也是提高CBTC系統(tǒng)建立ECC體制速度的重要一環(huán)。在建立ECC體制中，AP主要任務(wù)是幫助ATS傳輸車載系統(tǒng)建立密碼體制所需的各種密碼參數(shù)；在建立過程中，AP節(jié)點(diǎn)主要為傳輸數(shù)據(jù)的中間節(jié)點(diǎn)，而在認(rèn)證過程中才有必要發(fā)揮其有限的計(jì)算能力； (3)設(shè)計(jì)MR的進(jìn)程設(shè)計(jì)，具體方法如下 3.1由于在ECC體制配置CBTC系統(tǒng)過程中，無線信道的安全性是不能保證的；所以，對(duì)于MR來說，只要求AP節(jié)點(diǎn)傳遞安全橢圓曲線方程的參數(shù)即可； 3.2然后，MR利用自己的車載計(jì)算機(jī)計(jì)算出所要求自己的公私鑰； 3.3最后向AP節(jié)點(diǎn)發(fā)布自己的公鑰，即可間接將公鑰傳輸?shù)紸TS，這樣的話就可以保護(hù)在ECC體制建立過程中密碼參數(shù)的機(jī)密性。
上述步驟3)中建立基于ECC密碼在CBTC無線環(huán)境中認(rèn)證體系的操作步驟為 (1)為了有效的抵抗非法AP的攻擊，本認(rèn)證體系以個(gè)人認(rèn)證為基礎(chǔ)，首先利用ECC體制完成對(duì)MR、AP之間雙向認(rèn)證 1.1首先對(duì)于合法AP沿用CA認(rèn)證的方法，由ATS預(yù)先發(fā)給合法節(jié)點(diǎn)AP、MR唯一的認(rèn)證ID，以及ATS儲(chǔ)存所有的合法AP、MR的ID，同時(shí)對(duì)于合法的AP、MR儲(chǔ)存一個(gè)ATS的合法證書； 1.2然后在組網(wǎng)的過程中，利用AP、MR和ATS的證書完成雙方AP與ATS或MR與ATS的雙向認(rèn)證；同時(shí)如果通過驗(yàn)證，再有ATS隨機(jī)分發(fā)一個(gè)私有印章給合法AP或MR，當(dāng)印章分發(fā)完畢，ATS即退出網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證體系。
(2)當(dāng)ATS退出網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證體系以后，下面即是每個(gè)AP與MR之間雙向認(rèn)證具體實(shí)現(xiàn)方式是以ATS隨機(jī)分發(fā)私有印章為信任基礎(chǔ)，利用ECC體系中加密算法進(jìn)行傳統(tǒng)的雙向認(rèn)證即可；由于這種方式時(shí)是一種第三方部分參加認(rèn)證的方式，所以稱其為個(gè)人認(rèn)證方式。
本發(fā)明方法與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn) 第一、充分考慮到了無線信道帶寬窄的特點(diǎn)，所以采用傳輸比特量小的密碼算法，同時(shí)還要保證安全度達(dá)到系統(tǒng)要求的標(biāo)準(zhǔn)。ECC密碼體制具有最強(qiáng)的單比特安全性，對(duì)于橢圓曲線密碼體制的安全性與RSA和DSA的安全性進(jìn)行了詳細(xì)的比較的結(jié)果可以說明三者在安全性方面的關(guān)系，可以計(jì)算出每一比特的橢圓曲線密碼體制的密鑰至少相當(dāng)于5比特的RSA或者DSA密鑰的安全性，并且這種比例關(guān)系隨密鑰長(zhǎng)度的增加呈上升趨勢(shì)(見表1)。
表1 RSA/DSA與ECC安全性能比較 第二、充分考慮到ECC密碼體制的易變性，即改變橢圓曲線方程的系數(shù)即能得到不同的曲線。這樣非常適合于CBTC系統(tǒng)，可定期更換，保證其安全性。
第三、充分考慮到ECC在CBTC系統(tǒng)應(yīng)用中的安全性。即求解ECDLP的難度增加要比求解常用IFP(因式分解問題)和DLP(離散對(duì)數(shù)問題)的難度增加快的多，因此ECC僅需要更小的密鑰長(zhǎng)度就可以提供跟RSA和DSA相當(dāng)?shù)陌踩浴?br> 第四、充分考慮到現(xiàn)用CBTC系統(tǒng)單向認(rèn)證方法的缺陷，提出了一種的無線雙向認(rèn)證方法。同時(shí)采用計(jì)算速度比較快以及安全性比較高的新的ECC密碼為認(rèn)證基礎(chǔ)，使認(rèn)證時(shí)間符合系統(tǒng)要求標(biāo)準(zhǔn)。



圖1是基于通信技術(shù)的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的安全橢圓曲線密碼保護(hù)方法的總流程框圖。
圖2是利用Weil定理求解ECC的階的算法流程框圖。
圖3是利用馬爾可夫預(yù)測(cè)挑選安全橢圓曲線算法流程框圖。
圖4是在CBTC系統(tǒng)中配置ECC密碼體制的過程框圖。
圖5是建立基于ECC密碼在CBTC無線環(huán)境中雙向認(rèn)證體系框圖。

具體實(shí)施例方式 本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例結(jié)合附圖詳述如下 參照?qǐng)D1，本基于通信技術(shù)的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的安全橢圓曲線密碼保護(hù)方法具體實(shí)施方式
主要分為三大步驟，即建立安全橢圓曲線密碼體系，在CBTC系統(tǒng)中配置ECC密碼體制，建立基于ECC密碼在CBTC無線環(huán)境中雙向認(rèn)證的體系。我們?cè)诘谝徊讲捎靡环N的新的預(yù)測(cè)思想對(duì)GF(pn)中安全ECC曲線進(jìn)行挑選，即馬爾可夫預(yù)測(cè)矩陣和機(jī)器學(xué)習(xí)的方法。其可以比較好的完成挑選可以抵御Pollard-ρ攻擊安全ECC的任務(wù)。而在第二步驟中，我們結(jié)合CBTC無線通信以及各部分性能的特點(diǎn)，利用建立好的ECC安全體系在ATS、AP和車載系統(tǒng)中部署，充分發(fā)揮ECC在CBTC無線通信中的安全優(yōu)點(diǎn)，使ECC和CBTC系統(tǒng)比較完美的結(jié)合。最后我們克服現(xiàn)用CBTC系統(tǒng)單向認(rèn)證的缺陷，提出了基于ECC的雙次雙向認(rèn)證算法。具體可參考圖1。
本實(shí)施例的三大步驟結(jié)合附圖詳述如下 一、建立安全橢圓曲線密碼體系 為了實(shí)現(xiàn)在CBTC系統(tǒng)的應(yīng)用，我們必須首先挑選出安全的ECC曲線作為建立ECC體系的基礎(chǔ)，這是最終針對(duì)CBTC的系統(tǒng)安全保護(hù)的準(zhǔn)備階段。下面詳述挑選安全橢圓曲線原理以及算法 (1)建立p(p＞＝2)小素?cái)?shù)域，建立ECC曲線計(jì)算平臺(tái)； (2)在小數(shù)域中，分兩種情況p＝2和p＞＝3交與計(jì)算機(jī)程序計(jì)算，同時(shí)建立其相對(duì)應(yīng)ECC方程y2+xy＝x3+ax2+b(p＝2)和y2＝x3+ax+b(p＞＝3)。
然后利用窮舉法和數(shù)論中二次剩余項(xiàng)充要條件具體求取小素?cái)?shù)域中曲線的階數(shù)，即count＝#E(FP)； (3)在計(jì)算出小數(shù)域的橢圓曲線的階數(shù)以后，利用Weil定理、Hasse定理以及數(shù)論部分知識(shí)，求取在擴(kuò)域中的pn的橢圓曲線的階數(shù)； 3.1根據(jù)Weil定理，首先計(jì)算A＝p+1-#E(Fp)，同時(shí)程序記入此值； 3.2隨后建立二次方程X2-AX+p＝0，同時(shí)利用二次方程的萬能求根公式求取此方程x1和x2，并記入兩個(gè)根值； 3.3最后利用Weil定理求取擴(kuò)域的階數(shù)完成對(duì)擴(kuò)域階數(shù)的計(jì)算。具體可參考圖2。
(4)當(dāng)完成在擴(kuò)域橢圓曲線階數(shù)計(jì)算后，我們?yōu)榱朔乐筆ollard-ρ攻擊，所求得的ECC的階數(shù)中必要含有一個(gè)大素?cái)?shù)因子，所以我們以此為挑選安全橢圓曲線的主要目標(biāo)函數(shù)，當(dāng)使n值在一定范圍(101-400)中不斷變化過程中，挑選安全橢圓曲線。由于挑選曲線的復(fù)雜性和開始時(shí)段具有一定盲目性，所以我們提出了一種利用馬爾可夫預(yù)測(cè)挑選安全橢圓曲線算法來加速挑選安全的ECC曲線。具體方法如下 4.1首先初試化馬爾可夫預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)移矩陣。在開始階段，首先計(jì)數(shù)器初試化設(shè)置為0值，為防止搜索的盲目性，在開始階段我們提出了利用機(jī)器學(xué)習(xí)的思想，來完善馬爾可夫預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)移矩陣參數(shù)。我們以n值20為一個(gè)大區(qū)間(即以20對(duì)n值分段)，以3個(gè)參數(shù)建立參數(shù)轉(zhuǎn)移矩陣，即(α，β，γ)。為了給矩陣的參數(shù)初始化，即機(jī)器學(xué)習(xí)的階段，在前60跳步之內(nèi)，進(jìn)行全局尋找安全的橢圓曲線，用1數(shù)和0數(shù)分別對(duì)選定的和未選定的曲線進(jìn)行標(biāo)記； 4.2在完成馬爾可夫預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)移矩陣過程中，大素?cái)?shù)判斷也要同時(shí)進(jìn)行。具體我們使用比較快速的大素?cái)?shù)判定方法米勒-拉賓素?cái)?shù)判定法。若計(jì)算機(jī)判斷出此ECC曲線階數(shù)的因子中為符合安全條件的大素?cái)?shù)時(shí)，即可認(rèn)為此曲線基本符合安全ECC的條件，即為上步所提出選定的橢圓曲線。同時(shí)對(duì)用此曲線n的曲線計(jì)數(shù)器加1； 4.3完成對(duì)馬爾可夫預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)移矩陣初試化的建立，對(duì)于n的第一個(gè)20步計(jì)算完成以后，在這個(gè)區(qū)間內(nèi)的安全ECC曲線的個(gè)數(shù)即為計(jì)數(shù)器的值，所以馬爾可夫預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)移矩陣的三個(gè)參數(shù)值中的第一個(gè)參數(shù)值應(yīng)為α＝count/20。同理，繼續(xù)運(yùn)行n，使n繼續(xù)增加，下兩個(gè)20步即可完成對(duì)β，γ的初試化。即完成馬爾可夫預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)移矩陣初試化的建立； 4.4當(dāng)完成對(duì)馬爾可夫矩陣初試化以后，下面就可以利用馬爾可夫矩陣對(duì)以后n值進(jìn)行預(yù)測(cè)，即只選擇與相對(duì)于馬爾可夫矩陣參數(shù)比較大的擴(kuò)域值(即后續(xù)n值每60為小整體，其中每20步分別對(duì)應(yīng)馬爾可夫矩陣參數(shù))，完成特定n區(qū)間安全ECC挑選計(jì)算。同時(shí)更新馬爾可夫矩陣參數(shù)，注意我們?cè)诟埋R爾可夫矩陣參數(shù)時(shí)，為防止尋找曲線的早熟性，部分引入擾動(dòng)因子。這就是我們利用馬爾可夫方法進(jìn)行挑選安全ECC曲線的基本算法。由于此方法可能由于n的跳變太多可能會(huì)遺漏部分存在的安全橢圓曲線，但這是不可避免的。挑選橢圓曲線速度和挑選的密度可能本身即為一對(duì)矛盾，我們只能通過優(yōu)化參數(shù)值來盡量避免，即尋找一個(gè)在挑選橢圓曲線速度和密度的恰當(dāng)平衡點(diǎn)。具體可參考圖3。
(5)在找到安全橢圓曲線方程后，我們利用它建立安全ECC體系。在挑選出合適的橢圓曲線的基礎(chǔ)上，為構(gòu)造基于離散對(duì)數(shù)的密碼體制，必須找出橢圓曲線加法群的大素?cái)?shù)子群的一個(gè)基點(diǎn)。本部分完成對(duì)于橢圓密碼體制的完整構(gòu)造。
5.1.在給定的橢圓曲線上，先任意的x值，0≤x≤p； 5.2如果α＝0，輸出(x，0)并停止運(yùn)算(這里的α即為橢圓方程左邊的y2值)； 5.3利用模pn的平方根方法求α的一個(gè)平方根或證明它的不存在； 5.4如果不存在平方根，則返還(a)，否則輸出一個(gè)整數(shù)β，0＜β＜p.使得β2≡α(modpn) 生成一個(gè)隨機(jī)比特μ，令y←(-1)μβ；輸出(x，y)。
二、在CBTC系統(tǒng)中配置ECC密碼體制 在完成第一步以后，安全的ECC密碼體制已經(jīng)建立。下面我們要完成結(jié)合CBTC系統(tǒng)的ECC密碼體制的配置。對(duì)于ECC在CBTC系統(tǒng)無線環(huán)境中的密碼體制的建立，主要是依靠CBTC系統(tǒng)中AP、MR、ATS三者之間協(xié)作來完成的。我們提出了一種在CBTC中建立ECC密碼體制的進(jìn)程方法，充分考慮到三者的計(jì)算能力和通信能力。具體方法如下 (1)首先考慮對(duì)于ATS的進(jìn)程計(jì)算，它是三者中計(jì)算能力最強(qiáng)的部分，所以可以讓它擔(dān)負(fù)大部分密碼體制建立的計(jì)算工作。
1.1完成橢圓曲線方程的系數(shù)初始化； 1.2利用Weil定理，計(jì)算ECC方程的具體階數(shù)； 1.3利用費(fèi)馬小定理的逆命題、偽素?cái)?shù)、米勒-拉賓素?cái)?shù)判定法完成大素?cái)?shù)判斷； 1.4利用馬爾可夫預(yù)測(cè)完成挑選安全橢圓曲線的計(jì)算； 1.5完成在CBTC系統(tǒng)中的ECC密碼體制的構(gòu)造，最后完成基點(diǎn)的計(jì)算。
這樣進(jìn)程安排對(duì)于CBTC系統(tǒng)可以盡量快速的建立橢圓曲線密碼體制，縮短計(jì)算時(shí)間。同時(shí)，對(duì)于各個(gè)AP節(jié)點(diǎn)的公私鑰也由ATS完成運(yùn)算，進(jìn)而也完成對(duì)合法AP的節(jié)點(diǎn)注冊(cè)。
(2)再者，設(shè)計(jì)AP節(jié)點(diǎn)進(jìn)程安排由于AP的存儲(chǔ)容量以及計(jì)算能力是三者最弱的，所以盡量減少AP的計(jì)算量也是提高CBTC系統(tǒng)建立ECC密碼體制速度的重要一環(huán)。在建立ECC密碼體制中，AP主要任務(wù)是幫助ATS傳輸車載系統(tǒng)建立密碼體制所需的各種密碼參數(shù)。在建立過程中，AP節(jié)點(diǎn)主要為傳輸數(shù)據(jù)的中間節(jié)點(diǎn)，而在認(rèn)證過程中才有必要發(fā)揮其有限的計(jì)算能力。
(3)最后，設(shè)計(jì)MR的進(jìn)程設(shè)計(jì)，由于移動(dòng)終端存在車載計(jì)算機(jī)，所以其在三者的計(jì)算能力屬于中等。具體方法如下 3.1由于在ECC密碼體制配置CBTC系統(tǒng)過程中，無線信道的安全性是不能保證的。所以，對(duì)于MR來說，只要求AP節(jié)點(diǎn)傳遞安全橢圓曲線方程的參數(shù)即可； 3.2然后，MR利用自己的車載計(jì)算機(jī)計(jì)算出所要求自己的公私鑰； 3.3最后向AP節(jié)點(diǎn)發(fā)布自己的公鑰，即可間接將公鑰傳輸?shù)紸TS。這樣的話就可以保護(hù)在ECC密碼體制建立過程中密碼參數(shù)的機(jī)密性。具體可參考圖4。
三、建立基于ECC密碼算法在CBTC無線環(huán)境中雙向認(rèn)證算法的體系 當(dāng)完成上述兩步后，我們會(huì)綜合橢圓曲線密碼體系以及CBTC系統(tǒng)的特性，提出一種利用個(gè)人身份認(rèn)證設(shè)計(jì)完成對(duì)于CBTC系統(tǒng)無線環(huán)境的雙向認(rèn)證方法。所謂個(gè)人認(rèn)證，即簡(jiǎn)單結(jié)合ID認(rèn)證和CA認(rèn)證兩家之長(zhǎng)，是它在首次入網(wǎng)時(shí)，通過CA獲得一個(gè)身份認(rèn)證依據(jù)，此后的每一次通信都只需利用公私鑰加密算法，對(duì)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)封裝，直接與另一節(jié)點(diǎn)通信，無需CA支持，雙方利用各自的密鑰分別雙向認(rèn)證，以達(dá)到既安全又節(jié)省網(wǎng)絡(luò)資源的效果。我們之所以建立雙向認(rèn)證體系，主要是因?yàn)樵械腃BTC安全體系為單向認(rèn)證，容易受到惡意AP的攻擊。我們提出的基于ECC密碼算法的CBTC無線環(huán)境中雙向認(rèn)證算法具體步驟如下 (1)為了有效的抵抗非法AP的攻擊，我們的認(rèn)證體系以個(gè)人認(rèn)證為基礎(chǔ)，首先利用ECC曲線密碼體制完成對(duì)MR、AP之間雙向認(rèn)證。
1.1首先對(duì)于合法AP沿用CA認(rèn)證的方法，由ATS預(yù)先發(fā)給合法節(jié)點(diǎn)AP、MR唯一的認(rèn)證ID，以及ATS儲(chǔ)存所有的合法AP、MR的ID，同時(shí)對(duì)于合法的AP、MR儲(chǔ)存一個(gè)ATS的合法證書； 1.2然后在組網(wǎng)的過程中，利用AP、MR和ATS的證書可以完成雙方(AP與ATS或MR與ATS)的雙向認(rèn)證。同時(shí)如果通過驗(yàn)證，再由ATS隨機(jī)分發(fā)一個(gè)私有印章給合法AP或MR，當(dāng)印章分發(fā)完畢，ATS即可以退出網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證體系。
(2)當(dāng)ATS退出網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證體系以后，下面即是每個(gè)AP與MR之間雙向認(rèn)證。具體實(shí)現(xiàn)方式是以ATS隨機(jī)分發(fā)私有印章為信任基礎(chǔ)，利用ECC密碼體系中加密算法算法進(jìn)行傳統(tǒng)的雙向認(rèn)證即可。由于這種方式時(shí)是一種第三方部分參加認(rèn)證的方式，所以我們稱其為個(gè)人認(rèn)證方式。具體可參考圖5。
權(quán)利要求
1.．一種基于通信技術(shù)的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的安全橢圓曲線密碼保護(hù)方法，其特征在于實(shí)施步驟為
a.建立安全橢圓曲線密碼體系；
b．在CBTC系統(tǒng)中配置ECC密碼體制；
c.建立基于ECC密碼在CBTC無線環(huán)境中雙向認(rèn)證的體系。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于通信技術(shù)的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的安全橢圓曲線密碼保護(hù)方法，其特征在于所述的步驟(1)中建立安全橢圓曲線密碼體系的操作步驟為
a.建立p(p＞＝2)小素?cái)?shù)域，建立ECC曲線計(jì)算平臺(tái)；
b.在小數(shù)域中，分兩種情況p＝2和p＞＝3交與計(jì)算機(jī)程序計(jì)算，同時(shí)建立其相對(duì)應(yīng)ECC方程y2+xy＝x3+ax2+b(p＝2)和y2＝x3+ax+b(p＞＝3)，然后利用窮舉法和數(shù)論中二次剩余項(xiàng)充要條件具體求取小素?cái)?shù)域中曲線的階數(shù)，即count＝#E(Fp)
c.在計(jì)算出小數(shù)域的橢圓曲線的階數(shù)以后，利用Weil定理、Hasse定理以及數(shù)論部分知識(shí)，求取在擴(kuò)域中的pn的橢圓曲線的階數(shù)
3.1根據(jù)weil定理，首先計(jì)算A＝p+1-#E(Fp)，同時(shí)程序記入此值；
3.2隨后建立二次方程X2-AX+p＝0，同時(shí)利用二次方程的萬能求根公式求取此方程x1和x2，并記入兩個(gè)根值；
3.3最后利用Weil定理求取擴(kuò)域的階數(shù)完成對(duì)擴(kuò)域階數(shù)的計(jì)算；
d.當(dāng)完成在擴(kuò)域橢圓曲線階數(shù)計(jì)算后，所求得的ECC的階數(shù)中必需含有一個(gè)大素?cái)?shù)因子，以此為挑選安全橢圓曲線的主要目標(biāo)函數(shù)，當(dāng)使n值在一定范圍中不斷變化過程中，挑選安全橢圓曲線；利用馬爾可夫預(yù)測(cè)挑選安全橢圓曲線算法來加速挑選安全的ECC曲線，具體方法如下
4.1首先初試化馬爾可夫預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)移矩陣在開始階段，首先計(jì)數(shù)器初試化設(shè)置為O值，在開始階段利用機(jī)器學(xué)習(xí)的思想，來完善馬爾可夫預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)移矩陣參數(shù)；以n值20為一個(gè)大區(qū)間，即以20對(duì)n值分段，以3個(gè)參數(shù)建立參數(shù)轉(zhuǎn)移矩陣，即α，β，γ；為了給矩陣的參數(shù)初始化，即機(jī)器學(xué)習(xí)的階段，在前60跳步之內(nèi)，進(jìn)行全局尋找安全的橢圓曲線，用1數(shù)和0數(shù)分別對(duì)選定的和未選定的曲線進(jìn)行標(biāo)記；
4.2在完成馬爾可夫預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)移矩陣過程中，大素?cái)?shù)判斷要同時(shí)進(jìn)行，使用比較快速的大素?cái)?shù)判定方法米勒-拉賓素?cái)?shù)判定法，若計(jì)算機(jī)判斷出此ECC曲線階數(shù)的因子中為符合安全條件的大素?cái)?shù)時(shí)，即認(rèn)為此曲線基本符合安全ECC的條件，即為上步所提出選定的橢圓曲線，同時(shí)對(duì)用此曲線n的曲線計(jì)數(shù)器加1；
4.3完成對(duì)馬爾可夫預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)移矩陣初試化的建立，對(duì)于n的第一個(gè)20步計(jì)算完成以后，在這個(gè)區(qū)間內(nèi)的安全ECC曲線的個(gè)數(shù)即為計(jì)數(shù)器的值，所以馬爾可夫預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)移矩陣的三個(gè)參數(shù)值中的第一個(gè)參數(shù)值應(yīng)為α＝count/20；同理，繼續(xù)運(yùn)行n，使n繼續(xù)增加，下兩個(gè)20步即可完成對(duì)β，γ的初試化，即完成馬爾可夫預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)移矩陣初試化的建立；
4.4當(dāng)完成對(duì)馬爾可夫矩陣初試化以后，利用馬爾可夫矩陣對(duì)以后n值進(jìn)行預(yù)測(cè)，即只選擇與相對(duì)于馬爾可夫矩陣參數(shù)比較大的擴(kuò)域值，即后續(xù)n值每60為小整體，其中每20步分別對(duì)應(yīng)馬爾可夫矩陣參數(shù)，完成特定n區(qū)間安全ECC挑選計(jì)算；同時(shí)更新馬爾可夫矩陣參數(shù)，注意在更新馬爾可夫矩陣參數(shù)時(shí)，為防止尋找曲線的早熟性，部分引入擾動(dòng)因子；
e.在找到安全橢圓曲線方程后，利用它建立安全ECC密碼體系在挑選出合適的橢圓曲線的基礎(chǔ)上，為構(gòu)造基于離散對(duì)數(shù)的密碼體制，必須找出橢圓曲線加法群的大素?cái)?shù)子群的一個(gè)基點(diǎn)，本部分完成對(duì)于橢圓密碼體制的完整構(gòu)造，操作步驟如下
5.1.在給定的橢圓曲線上，先任意的x值，0≤x≤p；
5.2如果α＝0，輸出(x，0)并停止運(yùn)算，這里的α即為橢圓方程左邊的y2值；
5.3利用模pn的平方根方法求α的一個(gè)平方根或證明它的不存在；
5.4如果不存在平方根，則返還(a)，否則輸出一個(gè)整數(shù)β，0＜β＜p.使得
β2≡α(modpn)生成一個(gè)隨機(jī)比特μ，令y←(-1)μβ；輸出(x，y)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于通信技術(shù)的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的安全橢圓曲線密碼保護(hù)方法，其特征在于所述的步驟(2)中在CBTC系統(tǒng)中配置ECC密碼體制操作步驟為
a.首先考慮對(duì)于ATS的進(jìn)程計(jì)算，讓它擔(dān)負(fù)大部分密碼體制建立的計(jì)算工作
1.1完成橢圓曲線方程的系數(shù)初始化；
1.2利用Weil定理，計(jì)算ECC方程的具體階數(shù)；
1.3利用費(fèi)馬小定理的逆命題、偽素?cái)?shù)、米勒-拉賓素?cái)?shù)判定法完成大素?cái)?shù)判斷；
1.4利用馬爾可夫預(yù)測(cè)完成挑選安全橢圓曲線的計(jì)算；
1.5完成在CBTC系統(tǒng)中的ECC密碼體制的構(gòu)造，最后完成基點(diǎn)的計(jì)算；
b.設(shè)計(jì)AP節(jié)點(diǎn)進(jìn)程安排由于AP的存儲(chǔ)容量以及計(jì)算能力是三者最弱的，所以盡量減少AP的計(jì)算量也是提高CBTC系統(tǒng)建立ECC密碼體制速度的重要一環(huán)。在建立ECC密碼體制中，AP主要任務(wù)是幫助ATS傳輸車載系統(tǒng)建立密碼體制所需的各種密碼參數(shù)；在建立過程中，AP節(jié)點(diǎn)主要為傳輸數(shù)據(jù)的中間節(jié)點(diǎn)，而在認(rèn)證過程中才有必要發(fā)揮其有限的計(jì)算能力；
c.設(shè)計(jì)MR的進(jìn)程設(shè)計(jì)，具體方法如下
3.1由于在ECC密碼體制配置CBTC系統(tǒng)過程中，無線信道的安全性是不能保證的；所以，對(duì)于MR來說，只要求AP節(jié)點(diǎn)傳遞安全橢圓曲線方程的參數(shù)即可；
3.2然后，MR利用自己的車載計(jì)算機(jī)計(jì)算出所要求自己的公私鑰；
3.3最后向AP節(jié)點(diǎn)發(fā)布自己的公鑰，即可間接將公鑰傳輸?shù)紸TS，這樣的話就可以保護(hù)在ECC密碼體制建立過程中密碼參數(shù)的機(jī)密性。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于通信技術(shù)的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的安全橢圓曲線密碼保護(hù)方法，其特征在于所述的步驟(3)中建立基于ECC密碼在CBTC無線環(huán)境中認(rèn)證體系的操作步驟為
a.為了有效的抵抗非法AP的攻擊，本認(rèn)證體系以個(gè)人認(rèn)證為基礎(chǔ)，首先利用ECC曲線密碼體制完成對(duì)MR、AP之間雙向認(rèn)證
1.1首先對(duì)于合法AP沿用CA認(rèn)證的方法，由ATS預(yù)先發(fā)給合法節(jié)點(diǎn)AP、MR唯一的認(rèn)證ID，以及ATS儲(chǔ)存所有的合法AP、MR的ID，同時(shí)對(duì)于合法的AP、MR儲(chǔ)存一個(gè)ATS的合法證書；
1.2然后在組網(wǎng)的過程中，利用AP、MR和ATS的證書完成雙方AP與ATS或MR與ATS的雙向認(rèn)證；同時(shí)如果通過驗(yàn)證，再由ATS隨機(jī)分發(fā)一個(gè)私有印章給合法AP或MR，當(dāng)印章分發(fā)完畢，ATS即退出網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證體系。
b.當(dāng)ATS退出網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證體系以后，下面即是每個(gè)AP與MR之間雙向認(rèn)證具體實(shí)現(xiàn)方式是以ATS隨機(jī)分發(fā)私有印章為信任基礎(chǔ)，利用ECC密碼體系中加密算法進(jìn)行傳統(tǒng)的雙向認(rèn)證即可；由于這種方式時(shí)是一種第三方部分參加認(rèn)證的方式，所以稱其為個(gè)人認(rèn)證方式。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于通信技術(shù)的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的安全橢圓曲線密碼保護(hù)方法。本發(fā)明在分析基于通信技術(shù)的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)(CBTC)在無線環(huán)境中的安全威脅和論證橢圓曲線密碼體制(ECC)在CBTC無線認(rèn)證使用的可行性基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種針對(duì)CBTC系統(tǒng)安全的ECC算法保護(hù)方法，主要包含三大步驟其中本發(fā)明采用了Weil定理求解ECC方程的階數(shù)，利用費(fèi)馬小定理的逆命題、偽素?cái)?shù)進(jìn)行大素?cái)?shù)判斷以及重點(diǎn)利用馬爾可夫預(yù)測(cè)矩陣完成建立安全橢圓曲線密碼體系步驟；隨后設(shè)計(jì)完成在CBTC系統(tǒng)中配置ECC密碼體制的進(jìn)程步驟；最終建立能夠抵御惡意AP攻擊的基于ECC密碼在CBTC無線環(huán)境中雙向認(rèn)證。本發(fā)明的ECC密碼體制可定期更換，保證其安全性，采用雙向認(rèn)證，認(rèn)證時(shí)間符合系統(tǒng)要求的標(biāo)準(zhǔn)。
文檔編號(hào)H04L9/30GK101222327SQ20071004600
公開日2008年7月16日 申請(qǐng)日期2007年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月13日
發(fā)明者潮 王, 時(shí)向勇, 王海玲, 胡大偉, 鄭國(guó)莘 申請(qǐng)人:上海大學(xué)