專利名稱：一種基于隨機(jī)性分析的數(shù)據(jù)加密功能的檢驗(yàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種檢驗(yàn)數(shù)據(jù)加密功能的技術(shù)，確切地說，涉及一種基于隨機(jī)性分析 的數(shù)據(jù)加密功能的檢驗(yàn)方法，屬于信息安全中的密碼安全技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
現(xiàn)在，人們經(jīng)常需要采取相應(yīng)的技術(shù)措施來保護(hù)其數(shù)據(jù)，防止被一些懷有不良用 心的人所看到或破壞。在信息時(shí)代，信息既可以幫助團(tuán)體或個(gè)人，使其獲益；同樣，信息也可 以用來對(duì)他們構(gòu)成威脅，造成破壞。在競(jìng)爭(zhēng)激烈的工商企業(yè)之間，經(jīng)濟(jì)間諜經(jīng)常想方設(shè)法要 獲取競(jìng)爭(zhēng)對(duì)方的各種情報(bào)。因此，在客觀上，迫切需要一種強(qiáng)有力的安全措施來保護(hù)機(jī)密數(shù) 據(jù)不被竊取或篡改。目前，已經(jīng)研制成功多種加密數(shù)據(jù)流的技術(shù)，這些方法都能夠采用軟件很容易地 實(shí)現(xiàn)；但是，當(dāng)人們只知道密文時(shí)，破譯這些加密算法是不容易的(當(dāng)同時(shí)獲知原文和密文 時(shí)，破譯加密算法的操作雖然也不太容易，但畢竟已經(jīng)是可能實(shí)現(xiàn)的)。性能最好的加密 算法對(duì)系統(tǒng)性能幾乎沒有任何影響，并且還可以帶來其他內(nèi)在優(yōu)點(diǎn)。例如，大家都知道的 pkzip，它既壓縮數(shù)據(jù)又加密數(shù)據(jù)。又如，dbms的一些軟件包總是包含一些加密方法，使得 復(fù)制文件的操作對(duì)于一些敏感數(shù)據(jù)是無效的，或者需要提供用戶密碼。所有這些加密算法 都要有高效的加密和解密能力。密碼算法是構(gòu)建安全信息系統(tǒng)的一種核心要素，也是一種保障信息與數(shù)據(jù)的機(jī)密 性、完整性和真實(shí)性的重要技術(shù)。密碼算法的檢測(cè)評(píng)估是密碼算法研究的重要組成，它能 夠?qū)γ艽a算法的設(shè)計(jì)和分析提供客觀的量化指標(biāo)和技術(shù)參數(shù)，對(duì)于密碼算法的應(yīng)用具有重 要的指導(dǎo)意義。在密碼算法的設(shè)計(jì)和評(píng)測(cè)過程中，通常要從多方面對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)和分析。 Shannon利用統(tǒng)計(jì)特性對(duì)密碼的無條件安全作出下述定義如果密文塊和明文塊是統(tǒng)計(jì)獨(dú) 立的，則該密碼提供完全保密。在現(xiàn)有技術(shù)的密碼算法中，只有一次一密才能達(dá)到這種統(tǒng)計(jì) 獨(dú)立性，其他的現(xiàn)有密碼算法都只能最大程度地逼近統(tǒng)計(jì)獨(dú)立性而已。因此，分析密碼算法 的統(tǒng)計(jì)性能是密碼算法安全性研究的重要內(nèi)容。并且，用統(tǒng)計(jì)檢測(cè)的方法來評(píng)測(cè)密碼算法 可以為理論分析提供大量參考數(shù)據(jù)，從而減少理論分析人員的繁瑣工作，同時(shí)，還能暴露出 用現(xiàn)有分析方法無法發(fā)現(xiàn)的安全漏洞。統(tǒng)計(jì)檢測(cè)是通過統(tǒng)計(jì)密碼算法輸出序列的隨機(jī)特性來實(shí)現(xiàn)的。所謂“隨機(jī)”的概念 在密碼領(lǐng)域中有著廣泛應(yīng)用，例如，安全的密碼算法的輸出是隨機(jī)的，密碼算法及密碼協(xié)議 中用到的密鑰和參數(shù)也是隨機(jī)的，隨機(jī)性檢測(cè)在密碼應(yīng)用及其相關(guān)領(lǐng)域都起到重要作用。 理想的隨機(jī)序列被看成是投擲硬幣的結(jié)果，根據(jù)拋出硬幣是正面或反面標(biāo)記為“0”或“ 1”。 每次投擲結(jié)果中的“0”或“1”的出現(xiàn)概率均為1/2，而且，投擲結(jié)果彼此獨(dú)立，前面的投擲不 會(huì)影響后面的結(jié)果。顯然，在實(shí)際應(yīng)用中，以這種方式產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)是不現(xiàn)實(shí)的，實(shí)際應(yīng)用的 隨機(jī)數(shù)通常是通過某些數(shù)學(xué)公式的計(jì)算而產(chǎn)生的偽隨機(jī)數(shù)。人們研究了多種隨機(jī)序列應(yīng)該 滿足的性質(zhì)，并以此為準(zhǔn)對(duì)所產(chǎn)生的序列的隨機(jī)程度進(jìn)行度量。目前，已經(jīng)有了眾多的隨機(jī) 性檢測(cè)項(xiàng)和方法用于檢測(cè)密碼算法和序列的統(tǒng)計(jì)特性。
美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(NIST)制定了 16種測(cè)試方法，簡(jiǎn)單介紹如下(1)頻數(shù)測(cè)試用于確定二進(jìn)制序列中的“0”或“1”的數(shù)目是否如真隨機(jī)序列那 樣近似相等，如果是，則該序列是隨機(jī)的。(2)塊內(nèi)頻數(shù)測(cè)試用于確定在待檢測(cè)序列中，所有非重疊的M位長(zhǎng)度塊內(nèi)的“0” 或“ 1”的數(shù)目是否呈現(xiàn)為隨機(jī)分布，如果是，則該序列是隨機(jī)的。(3)游程測(cè)試用于確定待檢測(cè)序列中，各種特定長(zhǎng)度的“0”或“1”的游程數(shù)目是 否如真隨機(jī)序列那樣，如果是，則該序列是隨機(jī)的。(4)塊內(nèi)最長(zhǎng)連續(xù)“1”的測(cè)試用于確定待檢測(cè)序列中，最長(zhǎng)連續(xù)“1”的字符串長(zhǎng) 度是否與真隨機(jī)序列中最長(zhǎng)連續(xù)“1”的字符串的長(zhǎng)度近似相等。如果是，則該序列是隨機(jī) 的。(5)矩陣秩的測(cè)試用于檢測(cè)待檢測(cè)序列中，設(shè)定長(zhǎng)度的子序列的線性相關(guān)性。如 果線性相關(guān)性較小，則該序列是隨機(jī)的。(6)離散傅里葉變換測(cè)試通過檢測(cè)待檢測(cè)序列的周期性質(zhì)，并與真隨機(jī)序列的 周期性質(zhì)進(jìn)行比較，觀察它們間的偏離程度來確定待檢測(cè)序列隨機(jī)性。如果偏離程度較小， 則該序列是隨機(jī)的。(7)非重疊模板匹配測(cè)試用于檢測(cè)待檢測(cè)序列中，子序列是否與許多非周期模 板相匹配，如果匹配較多，則該序列是非隨機(jī)的。(8)重疊模板匹配測(cè)試用于統(tǒng)計(jì)待檢測(cè)序列中，設(shè)定長(zhǎng)度的連續(xù)“1”的數(shù)目，是 否與真隨機(jī)序列的情況偏離太大。如果偏離太大，則該序列是非隨機(jī)的。(9)通用統(tǒng)計(jì)測(cè)試用于檢測(cè)待檢測(cè)序列是否能在不丟失信息的情況下被明顯壓 縮，一個(gè)不能被明顯壓縮的序列是隨機(jī)的。(10)壓縮測(cè)試用于確定待檢測(cè)序列能夠被壓縮的程度，如果能被顯著壓縮，則 該序列不是隨機(jī)序列。(11)線性復(fù)雜度測(cè)試用于確定待檢測(cè)序列是否足夠復(fù)雜，如果是，則該序列是 隨機(jī)的。(12)連續(xù)性測(cè)試用于確定待檢測(cè)序列所有可能的χ位組合子串出現(xiàn)的次數(shù)是否 與真隨機(jī)序列中的情況近似或相同，如果是，則該序列是隨機(jī)的。(13)近似熵測(cè)試通過比較χ位比特串與(x-1)位比特串在待檢測(cè)序列中出現(xiàn)的 頻度，再與正態(tài)分布的序列中的情況進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而確定其隨機(jī)性。(14)累加和測(cè)試用于確定待檢測(cè)序列中的部分和是否太大或太小，太大或太小 都是非隨機(jī)的。(15)隨機(jī)游走測(cè)試用于確定在一個(gè)隨機(jī)游程中，某個(gè)特定狀態(tài)出現(xiàn)的次數(shù)是否 遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過真隨機(jī)序列中的情況，如果是，則該序列是非隨機(jī)的。(16)隨機(jī)游走變量測(cè)試用于檢測(cè)待檢測(cè)序列中，某個(gè)設(shè)定狀態(tài)在一個(gè)隨機(jī)游程 中的出現(xiàn)次數(shù)與真隨機(jī)序列的偏離程度，如果偏離程度較大，則該序列是非隨機(jī)的目前，已經(jīng)研制成功多種用于檢測(cè)數(shù)據(jù)序列隨機(jī)性的方法。典型的有單比特頻 數(shù)、重疊子序列、置換、游程、碰撞、生日間隔、序列相關(guān)性、矩陣秩、比特流、壓縮、重疊模板 匹配、非重疊模板匹配、通用統(tǒng)計(jì)、隨機(jī)游動(dòng)、隨機(jī)游動(dòng)變量、二元推導(dǎo)、變換點(diǎn)、序列復(fù)雜 度、線性復(fù)雜度等等。同時(shí)，許多檢測(cè)項(xiàng)目都帶有參數(shù)，如果將不同參數(shù)視作不同的檢測(cè)項(xiàng)目，那么參數(shù)的不同選擇又衍生出更多的檢測(cè)項(xiàng)目。顯然，在實(shí)際應(yīng)用中，選擇完成所有的檢測(cè)項(xiàng)目和相關(guān)參數(shù)的測(cè)試是不現(xiàn)實(shí)的，因 此有必要對(duì)這些檢測(cè)項(xiàng)目及其參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行研究，從而選擇適宜的檢測(cè)項(xiàng)目，提高 檢測(cè)效率和實(shí)用性。但是，各個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目的背景和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)不盡相同，所以，有關(guān)判斷數(shù)據(jù) 隨機(jī)性的檢測(cè)項(xiàng)目及其參數(shù)的相關(guān)性研究，至今還是尚未解決的一個(gè)難題，同時(shí)，也是業(yè)內(nèi) 科技人員關(guān)注的焦點(diǎn)。如上所述，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)密碼算法的研究成果已經(jīng)很多，而且，有的成果已經(jīng)得到 廣泛應(yīng)用。但是，在實(shí)際應(yīng)用過程中，可能常常會(huì)遇到下述疑問這塊數(shù)據(jù)是否經(jīng)過加密？ 這個(gè)問題看似簡(jiǎn)單，卻至今還沒有一個(gè)成熟、可靠的方法進(jìn)行判斷。根據(jù)隨機(jī)性是密碼算 法安全性中的重要特性，人們得出結(jié)論經(jīng)過加密的數(shù)據(jù)是隨機(jī)的，未加密的數(shù)據(jù)是非隨機(jī) 的。而且進(jìn)一步得出非隨機(jī)數(shù)據(jù)肯定沒有經(jīng)過加密處理，而隨機(jī)數(shù)據(jù)則在一定程度上是加 密的。并基于上述判斷開展了檢驗(yàn)或判斷數(shù)據(jù)是否加密的新方法的研究。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一個(gè)基于隨機(jī)性分析的數(shù)據(jù)加密功能的檢驗(yàn)方 法，該方法是根據(jù)輸入的二進(jìn)制數(shù)據(jù)比特序列，通過進(jìn)行多個(gè)隨機(jī)性檢驗(yàn)項(xiàng)的測(cè)試(包括 單比特頻數(shù)測(cè)試、塊內(nèi)頻數(shù)測(cè)試、重疊子序列檢驗(yàn)、撲克檢驗(yàn)、近似熵檢驗(yàn)、二元推導(dǎo)、游程 檢驗(yàn)、塊內(nèi)最大游程檢驗(yàn)、游程分布檢驗(yàn)、自相關(guān)檢驗(yàn)、累加和檢驗(yàn)、矩陣秩檢驗(yàn)、離散傅里 葉檢驗(yàn)、線性復(fù)雜度檢驗(yàn)、通過統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)和Lempel-Ziv壓縮檢等)，綜合頻數(shù)、游程、相關(guān)性 以及可壓縮率等涉及隨機(jī)性的多個(gè)不同因素的測(cè)試，分析判斷該二進(jìn)制數(shù)據(jù)比特序列的隨 機(jī)性，進(jìn)而判斷該數(shù)據(jù)序列是否經(jīng)過加密處理。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種基于隨機(jī)性分析的數(shù)據(jù)加密功能的檢驗(yàn)方 法，其特征在于，用隨機(jī)性分析方法判斷數(shù)據(jù)塊是否經(jīng)過加密處理，該方法包括下列操作步 驟(1)產(chǎn)生檢測(cè)序列按照設(shè)定條件，將待檢測(cè)的數(shù)據(jù)塊、即二進(jìn)制數(shù)據(jù)序列劃分為 多個(gè)待檢測(cè)的數(shù)據(jù)子序列；(2)執(zhí)行隨機(jī)性檢測(cè)針對(duì)隨機(jī)性測(cè)試方法的每個(gè)類別的各個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目，分別對(duì) 所述多個(gè)待檢測(cè)的數(shù)據(jù)子序列進(jìn)行隨機(jī)性檢測(cè)；(3)分析檢測(cè)結(jié)果在執(zhí)行所有的檢測(cè)項(xiàng)目過程中，只要有其中任何一項(xiàng)沒有通 過隨機(jī)性檢測(cè)，就判斷該待檢測(cè)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)序列是非隨機(jī)序列，即該待檢測(cè)的數(shù)據(jù)塊未 加密；只有通過全部檢測(cè)項(xiàng)目的測(cè)試，才判斷該待檢測(cè)的數(shù)據(jù)塊經(jīng)過了一定程度的加密處理。本發(fā)明是一種基于隨機(jī)性分析的數(shù)據(jù)加密功能的檢驗(yàn)方法，它的技術(shù)創(chuàng)新特點(diǎn) 是根據(jù)數(shù)據(jù)塊的隨機(jī)性來判斷該數(shù)據(jù)塊是否經(jīng)過加密。此外，基于現(xiàn)有成果，本發(fā)明將隨 機(jī)性測(cè)試項(xiàng)目進(jìn)行分類將16個(gè)隨機(jī)性測(cè)試項(xiàng)分為8大類，從不同角度分別對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行隨 機(jī)性測(cè)試。而且，只要在這16個(gè)檢測(cè)項(xiàng)中有一項(xiàng)沒有通過隨機(jī)性檢測(cè)，就表明待檢測(cè)的二 進(jìn)制數(shù)據(jù)塊是非隨機(jī)的，從而認(rèn)為該待測(cè)數(shù)據(jù)塊未加密；否則，只有8類、共16個(gè)隨機(jī)性測(cè) 試項(xiàng)全部通過檢驗(yàn)，才判斷待檢測(cè)數(shù)據(jù)塊經(jīng)過了一定程度的加密處理。本發(fā)明與其他相關(guān)技術(shù)進(jìn)行比較的優(yōu)點(diǎn)是
方法新穎本發(fā)明創(chuàng)造性地將隨機(jī)性分析的方法應(yīng)用于數(shù)據(jù)塊是否為隨機(jī)數(shù)列的 檢驗(yàn)過程，形成一個(gè)可靠的判斷數(shù)據(jù)塊是否經(jīng)過加密處理的方法。綜合全面本發(fā)明結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)的16種測(cè)試數(shù)據(jù)隨機(jī)性的方法，分別從頻數(shù)、游 程、相關(guān)性和可壓縮率等不同角度考察待測(cè)數(shù)據(jù)序列的隨機(jī)特性，涵蓋了數(shù)據(jù)序列隨機(jī)性 的各個(gè)方面。實(shí)用性強(qiáng)本發(fā)明是針對(duì)信息系統(tǒng)是否具有數(shù)據(jù)加密功能而提出的一種基于隨機(jī) 性分析的數(shù)據(jù)加密功能檢驗(yàn)方法，通過分析數(shù)據(jù)序列的隨機(jī)性的各項(xiàng)測(cè)試，可以簡(jiǎn)單、有效 地判斷信息系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)是否加密。準(zhǔn)確性高本發(fā)明檢測(cè)方式的結(jié)果都是統(tǒng)一采用通過概率值的數(shù)值進(jìn)行衡量和比 較，相比其他方式，對(duì)于長(zhǎng)的數(shù)據(jù)序列，計(jì)算通過概率值的數(shù)值更加簡(jiǎn)單、方便和準(zhǔn)確性高。


圖1是本發(fā)明基于隨機(jī)性分析的數(shù)據(jù)加密功能的檢驗(yàn)方法操作流程圖。圖2是本發(fā)明方法中的單項(xiàng)檢測(cè)方法的操作步驟流程示意圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明 作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。眾所周知，在隨機(jī)性檢測(cè)中，通常采用假設(shè)檢驗(yàn)方法；即先假定待檢測(cè)的數(shù)據(jù)序列 是隨機(jī)的，按照某種統(tǒng)計(jì)方法，隨機(jī)序列的統(tǒng)計(jì)值應(yīng)該符合某種特定的分布。然后，計(jì)算該 數(shù)據(jù)序列的統(tǒng)計(jì)值，并根據(jù)統(tǒng)計(jì)值是否符合特定分布的概率，來判斷待檢測(cè)的序列是否是 隨機(jī)的。本發(fā)明也是基于這種假設(shè)檢驗(yàn)方法。假設(shè)檢驗(yàn)的基本思路是先提出有關(guān)總體性質(zhì)的假設(shè)，稱為原假設(shè)，然后在原假設(shè) 的條件下導(dǎo)出結(jié)論，若該結(jié)論發(fā)生的概率很大，則認(rèn)為原假設(shè)成立，反之，即結(jié)論發(fā)生的概 率非常小，則否定原假設(shè)。該思路的來源是實(shí)踐中被廣泛采用的一條原則小概率事件在一 次觀察中是不會(huì)出現(xiàn)的。通常將小概率事件的發(fā)生概率稱之為顯著性水平，用α來表示， 它表示假設(shè)檢驗(yàn)的嚴(yán)格程度。α越小，則否定原假設(shè)的說服力越強(qiáng)。通常，α的數(shù)值選取 0. 01,0. 05 或 0. 1。參見圖1，介紹本發(fā)明基于隨機(jī)性分析的數(shù)據(jù)加密功能的檢驗(yàn)方法它是用隨機(jī) 性分析方法判斷數(shù)據(jù)塊是否經(jīng)過加密處理，該方法包括下列操作步驟步驟1、產(chǎn)生檢測(cè)序列在檢測(cè)之前，先按照設(shè)定條件，將待檢測(cè)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)塊、 即二進(jìn)制數(shù)據(jù)序列S劃分為多個(gè)待檢測(cè)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)子序列Si ；其中，子序列的自然數(shù)序 號(hào)i的最大值是m，即設(shè)定條件是將待檢測(cè)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)序列隨機(jī)劃分為m個(gè)連續(xù)的、長(zhǎng)度 均為η比特的數(shù)據(jù)子序列Si,其中，自然數(shù)m和η的數(shù)值應(yīng)分別大于或等于50和100。步驟2、執(zhí)行隨機(jī)性檢測(cè)針對(duì)隨機(jī)性測(cè)試方法的每個(gè)類別的各個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目，分別 對(duì)所述m個(gè)待檢測(cè)的數(shù)據(jù)子序列進(jìn)行隨機(jī)性檢測(cè)；結(jié)合OTST標(biāo)準(zhǔn)以及最新研究成果，本發(fā) 明將隨機(jī)性測(cè)試方法歸納為下述8類、共16個(gè)測(cè)試項(xiàng)目A、頻數(shù)檢驗(yàn)作為檢測(cè)速度最快的基本檢驗(yàn)，應(yīng)首先進(jìn)行該頻數(shù)檢驗(yàn)，以節(jié)省時(shí) 間；只有通過頻數(shù)檢驗(yàn)后，再順序執(zhí)行其他檢驗(yàn)；該檢驗(yàn)?zāi)康氖菣z測(cè)比特序列中的0、1的個(gè)數(shù)是否均勻分布，設(shè)有下述分別從不同角度檢測(cè)比特序列中的0、1分布情況的六個(gè)測(cè)試 項(xiàng)Al、單比特頻數(shù)檢驗(yàn)檢驗(yàn)每個(gè)比特序列中的0和1的個(gè)數(shù)是否相等，對(duì)于每個(gè)隨 機(jī)性好的比特序列，其中的每一位比特都應(yīng)服從二值分布，即0和1的出現(xiàn)概率都為0. 5 ； 當(dāng)檢測(cè)的比特序列的單比特位長(zhǎng)足夠大時(shí)，其統(tǒng)計(jì)值應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布；A2、塊內(nèi)頻數(shù)檢驗(yàn)檢驗(yàn)待檢測(cè)序列的χ位子序列中1的個(gè)數(shù)是否是x/2，因隨機(jī) 序列中任意長(zhǎng)度的X位子序列中的1的個(gè)數(shù)都應(yīng)該是χ/2，故該檢驗(yàn)是檢驗(yàn)待檢測(cè)的X位 子序列中的1的比例偏離1/2的程度；具體方法是將待檢測(cè)序列劃分成為各自長(zhǎng)度均為χ 的N個(gè)子序列塊，則該待檢測(cè)序列長(zhǎng)度η為Νχ，再丟棄該待檢測(cè)序列長(zhǎng)度η不能被χ整除的 多余位，然后將所有N個(gè)子序列塊中比特位為1的比例累加之和作為統(tǒng)計(jì)值，該統(tǒng)計(jì)值應(yīng)服 從自由度為N的χ 2分布；其中，待檢測(cè)序列長(zhǎng)度η和子序列塊長(zhǎng)度χ應(yīng)分別不小于100和 20 ；且η和χ的數(shù)值應(yīng)滿足χ > 0. 01 Χη，且N < 100，以保證計(jì)算準(zhǔn)確；當(dāng)χ = 1時(shí)，塊內(nèi)頻數(shù)檢驗(yàn)等價(jià)于頻數(shù)檢驗(yàn)；A3、重疊子序列檢驗(yàn)選取待檢測(cè)序列中可重疊的子序列，判定其中00、01、10和 11的二進(jìn)制序列的數(shù)量是否近似相等；如果該待檢測(cè)序列長(zhǎng)度足夠長(zhǎng)，則統(tǒng)計(jì)值應(yīng)接近或 符合自由度為2的χ 2分布；在一般情況時(shí)，該檢驗(yàn)是檢測(cè)待檢測(cè)序列中X位可重疊子序列 的每種模式的個(gè)數(shù)是否相等；因隨機(jī)比特序列有均勻性，它的χ位可重疊子序列的每種模 式的出現(xiàn)機(jī)會(huì)均等，即其χ位子序列的每種模式個(gè)數(shù)應(yīng)該相等，即序列長(zhǎng)度η和子序列長(zhǎng)度 χ應(yīng)滿足不等式χ < Llogj」-2 ；Α4、撲克檢驗(yàn)比特位長(zhǎng)為任意正整數(shù)χ的二進(jìn)制序列有2Χ種可能，將η比特位長(zhǎng)
的待檢測(cè)序列分成A=-個(gè)位長(zhǎng)為X的非疊加的子序列，Hi是其中序號(hào)為第i種子序列類
_x」
型的個(gè)數(shù)；該檢驗(yàn)用來檢測(cè)該2X種子序列類型個(gè)數(shù)是否相等；當(dāng)χ = 1時(shí)，撲克檢驗(yàn)等價(jià)于頻數(shù)檢驗(yàn)，其統(tǒng)計(jì)量「二 y' 2J =tyn2—k
tr ktr k tr ‘
應(yīng)服從自由度為2X-1的X 2分布，式中，序列長(zhǎng)度η和子序列長(zhǎng)度X的取值必須滿足不等式 ->5x2^；Α5、二元推導(dǎo)檢測(cè)由待檢測(cè)的初始序列生成的一個(gè)新的推導(dǎo)序列的隨機(jī)性，進(jìn)而 判斷初始數(shù)據(jù)序列的隨機(jī)性；其中，第1次二元推導(dǎo)序列是依次將初始序列中的2個(gè)相鄰比 特執(zhí)行異或操作得到的一個(gè)長(zhǎng)度為(η-1)的二元數(shù)據(jù)序列；第k次二元推導(dǎo)數(shù)據(jù)序列是成 功執(zhí)行上述操作共k次得到的一個(gè)長(zhǎng)度為(n-k)的二元數(shù)據(jù)序列；該檢測(cè)目的是判定第k 次二元推導(dǎo)序列中0和1的個(gè)數(shù)是否趨近一致，如果趨近一致，則待檢測(cè)的初始數(shù)據(jù)序列通 過該檢測(cè)；否則，未通過該檢測(cè)；其中，η是初始序列長(zhǎng)度；Α6、近似熵檢驗(yàn)與重疊子序列檢驗(yàn)相同，也是檢驗(yàn)χ位可重疊子序列的模式；但 是后者是檢驗(yàn)m位可重疊子序列模式的頻數(shù)，近似熵檢驗(yàn)是通過比較χ位和(x+1)位的兩 個(gè)可重疊子序列模式的頻數(shù)來評(píng)價(jià)其隨機(jī)性；近似熵給出了當(dāng)子序列長(zhǎng)度χ增加1時(shí)，χ位和(x+1)位的兩個(gè)可重疊子序列模式之間的頻數(shù)的差異數(shù)值；根據(jù)隨機(jī)性的特點(diǎn)，近似熵值小，說明待檢測(cè)序列有規(guī)則性和連 續(xù)性；近似熵值大表明待檢測(cè)序列有不規(guī)則性和不連續(xù)性；對(duì)于任意的χ比特位，能夠得到其不規(guī)則的隨機(jī)序列的近似熵應(yīng)近似等于log 2， 其統(tǒng)計(jì)量應(yīng)服從自由度為2X的χ 2分布；其中，待檢測(cè)序列長(zhǎng)度η和子序列長(zhǎng)度χ必須滿足 不等式x< Llog2 η」—2 ；B、游程檢驗(yàn)所述游程是比特序列中由連續(xù)的O或1組成、并且其前導(dǎo)和后繼元素 都不同于其自身元素的一個(gè)子比特串；游程檢驗(yàn)是檢驗(yàn)待檢測(cè)序列中的游程總數(shù)是否符合 隨機(jī)性要求，與游程有關(guān)的隨機(jī)性統(tǒng)計(jì)有下述三個(gè)檢測(cè)項(xiàng)Bi、游程檢驗(yàn)檢驗(yàn)待檢測(cè)序列中的游程總數(shù)是否符合隨機(jī)性要求；先觀測(cè)序列 的游程數(shù)，如果該序列中的游程數(shù)太少，則該序列存在成群趨向，即O或1總是成群出現(xiàn)；如 果該序列的游程數(shù)過多，則該序列有混合趨向，即O和1總是交替出現(xiàn)；故只有游程數(shù)處于 適宜數(shù)值時(shí)，該序列才有隨機(jī)性，其統(tǒng)計(jì)量符合標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布；Β2、塊內(nèi)最大游程檢驗(yàn)將序列劃分為N個(gè)等長(zhǎng)的子塊，根據(jù)各個(gè)子塊中最大1游 程的分布來評(píng)價(jià)待檢測(cè)序列的隨機(jī)性；如果最大1游程的分布不規(guī)則，則最大O游程的分布 也不規(guī)則，故只檢驗(yàn)最大1游程；其統(tǒng)計(jì)量應(yīng)該服從自由度為K的χ 2分布；Β3、游程分布檢驗(yàn)如果比特流是隨機(jī)的，則相同長(zhǎng)度序列中游程的數(shù)目 趨近一致；每個(gè)隨機(jī)的η比特序列中長(zhǎng)度為i的子比特序列或間斷數(shù)目的期望 值為ei= (n-i+3V2i+2，其統(tǒng)計(jì)值V應(yīng)近似地符合自由度為(2k-2)的χ2分布
；式中，自然數(shù)i是子比特序列或間斷的比特位長(zhǎng)度，其最大 值為k，且k滿足ei ( 5的條件，bi; gi分別是該比特流中長(zhǎng)度為i的子比特序列或間斷的 數(shù)目；C、自相關(guān)檢驗(yàn)檢驗(yàn)待檢測(cè)序列與將其左移任意d位的序列的關(guān)聯(lián)程度；因每個(gè)
隨機(jī)序列與將其左移任意位的序列都彼此獨(dú)立，故其關(guān)聯(lián)程度很低；用
表示待檢測(cè)序列與其左移d位序列之間不同的元素個(gè)數(shù)，其中，d為序列位移的比特位數(shù)； , n-d
則統(tǒng)計(jì)值
應(yīng)服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布N(0，1)，待檢測(cè)序列長(zhǎng)度η與位移位數(shù)d ^Jn-d
之間應(yīng)分別滿足下述關(guān)系K J<L"/2」和(n-d) > 10 ；D、累加和檢驗(yàn)將待檢測(cè)序列中的各個(gè)子序列中與0的最大偏移，也就是將最大 累加和與一個(gè)隨機(jī)序列的最大偏移進(jìn)行比較，判斷待檢測(cè)序列的最大偏移值；實(shí)際上，隨機(jī) 序列的最大偏移應(yīng)接近0，故累加和不能太大，也不能太?。徊⒏鶕?jù)最大偏移值來判斷待檢 測(cè)序列的隨機(jī)程度；將通過概率值P-value與顯著性水平α進(jìn)行比較，如果P-value彡α，則待檢測(cè) 序列通過累加和檢驗(yàn)；否則，沒有通過累加和檢驗(yàn)，即該待檢測(cè)序列是非隨機(jī)序列；待檢測(cè) 序列長(zhǎng)度η應(yīng)不小于100 ；Ε、矩陣秩檢驗(yàn)檢驗(yàn)待檢測(cè)序列中給定長(zhǎng)度的子序列之間的線性獨(dú)立性；先由待 檢測(cè)序列構(gòu)造矩陣，然后檢測(cè)該矩陣的行或列之間的線性獨(dú)立性，矩陣秩的偏移程度能提
8供有關(guān)判斷線性獨(dú)立性的定量數(shù)值，從而影響對(duì)源序列隨機(jī)性程度的評(píng)價(jià)；其統(tǒng)計(jì)量應(yīng)服 從自由度為2的X2分布；F、離散傅立葉檢驗(yàn)使用頻譜方法檢驗(yàn)待檢測(cè)序列的隨機(jī)性檢測(cè)待檢測(cè)序列進(jìn) 行傅立葉變換后得到的峰值高度；根據(jù)隨機(jī)性假設(shè)，該峰值高度應(yīng)不超過與待檢測(cè)序列長(zhǎng) 度η有關(guān)的某個(gè)門限值，否則，將其歸入不正常范圍；如果不正常峰值個(gè)數(shù)超過允許值，即 待檢測(cè)序列是非隨機(jī)序列；其統(tǒng)計(jì)值應(yīng)服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布；G、線性復(fù)雜度檢驗(yàn)用于判定為重新構(gòu)造整個(gè)比特流所需的最小信息量；線性復(fù) 雜度是構(gòu)造一個(gè)比特流的線性反饋移位寄存器LFSR的最小長(zhǎng)度，已知一個(gè)比特流的線性 復(fù)雜度為L(zhǎng)時(shí)，就能用2L個(gè)連續(xù)比特流來重構(gòu)該整個(gè)比特流；故L必須足夠大，才能不容易 重構(gòu)整個(gè)比特流；LFSR的遞歸關(guān)系是線性模2加的函數(shù)A =alVl十 ··· Α^ , 其中，Θ表示模2力卩，系數(shù) e {0，1}，自然數(shù)的比特序號(hào)i的最大值是L，函數(shù)自變量t的 值大于L ；如果線性復(fù)雜度小，且已知2L個(gè)連續(xù)比特流，再就很可能利用遞歸關(guān)系重構(gòu)整個(gè) 二進(jìn)制流，則該二進(jìn)制流是不隨機(jī)的；H、壓縮檢驗(yàn)包括下述兩個(gè)檢驗(yàn)項(xiàng)HI、通用統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)檢驗(yàn)待檢測(cè)序列是否能夠被無損壓縮，如果能夠被顯著壓縮， 則待檢測(cè)序列是非隨機(jī)序列，因隨機(jī)序列不能被壓縮；通用統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)不同于前述各種檢驗(yàn)，后者大都是檢驗(yàn)待檢測(cè)序列的某個(gè)特性，前 者是檢驗(yàn)待檢測(cè)序列的綜合特性，但是，前者不是后者的拼裝或組合，而是采取不同的檢驗(yàn) 方法當(dāng)某個(gè)序列通過通用統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)時(shí)，說明該序列不可壓縮，該檢驗(yàn)?zāi)康氖菣z測(cè)待檢測(cè)序 列是否存在任何統(tǒng)計(jì)上的缺陷；H2、Lempel-Ziv壓縮檢驗(yàn)檢驗(yàn)待檢測(cè)序列的壓縮率來評(píng)價(jià)待檢測(cè)序列的隨機(jī) 性；該檢驗(yàn)是對(duì)待檢測(cè)序列進(jìn)行壓縮運(yùn)算，如果其壓縮率和已知的理論允許最大壓縮率相 差大到超過了設(shè)定范圍，則認(rèn)為待檢測(cè)序列是非隨機(jī)序列；再將其統(tǒng)計(jì)值與標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布 N(0,1)比較，看其擬合程度。參見圖2，介紹該步驟的具體操作內(nèi)容(圖中所示是本發(fā)明方法中的16個(gè)隨機(jī)性 檢測(cè)項(xiàng)目中的每個(gè)檢測(cè)項(xiàng)的操作步驟的流程)(21)按照所述8類、共16個(gè)測(cè)試項(xiàng)的隨機(jī)性測(cè)試方法依次分別對(duì)m個(gè)η比特子序 列進(jìn)行檢測(cè)，并相應(yīng)記錄各個(gè)檢測(cè)項(xiàng)的通過概率值P-value的數(shù)值；(22)對(duì)于每個(gè)隨機(jī)性測(cè)試項(xiàng)Ti,式中，自然數(shù)i是16個(gè)隨機(jī)性檢測(cè)項(xiàng)的序號(hào)；待 測(cè)數(shù)據(jù)序列是否通過該項(xiàng)測(cè)試是取決于下述m個(gè)η比特子序列的測(cè)試結(jié)果先計(jì)算通過概率值如果待檢測(cè)m個(gè)η比特子序列中有χ個(gè)子序列的通過概率值
不小于顯著性水平α，則該待檢測(cè)數(shù)據(jù)序列的通過概率值為再采用統(tǒng)計(jì)學(xué)中的置信區(qū)間理論公式
做出最終判斷若待檢
測(cè)數(shù)據(jù)序列的通過概率值二不位于置信區(qū)間內(nèi)，則否定原假設(shè)，即認(rèn)定該待檢測(cè)數(shù)據(jù)序列
未通過Ti項(xiàng)測(cè)試，并結(jié)束檢測(cè)流程；只有待檢測(cè)數(shù)據(jù)序列的通過概率值1位于置信區(qū)間內(nèi)，
才認(rèn)定該待檢測(cè)數(shù)據(jù)序列通過Ti項(xiàng)測(cè)試。
在該步驟(22)中，若顯著性水平α = 0. 01時(shí)，它的置信區(qū)間為
,通過概率值丄應(yīng)高于 0. 960151。步驟3、分析檢測(cè)結(jié)果在執(zhí)行所有的檢測(cè)項(xiàng)目過程中，只要有其中任何一項(xiàng)沒有 通過隨機(jī)性檢測(cè)，就判斷該待檢測(cè)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)序列是非隨機(jī)序列，即該待檢測(cè)的數(shù)據(jù)塊 未加密；只有通過全部檢測(cè)項(xiàng)目的測(cè)試，才判斷該待檢測(cè)的數(shù)據(jù)塊經(jīng)過了一定程度的加密處理。本發(fā)明方法已經(jīng)由申請(qǐng)人進(jìn)行了實(shí)施試驗(yàn)，試驗(yàn)的結(jié)果是成功的，實(shí)現(xiàn)了發(fā)明目 的。
權(quán)利要求
一種基于隨機(jī)性分析的數(shù)據(jù)加密功能的檢驗(yàn)方法，其特征在于，用隨機(jī)性分析方法判斷數(shù)據(jù)塊是否經(jīng)過加密處理，該方法包括下列操作步驟(1)產(chǎn)生檢測(cè)序列按照設(shè)定條件，將待檢測(cè)的數(shù)據(jù)塊、即二進(jìn)制數(shù)據(jù)序列劃分為多個(gè)待檢測(cè)的數(shù)據(jù)子序列；(2)執(zhí)行隨機(jī)性檢測(cè)針對(duì)隨機(jī)性測(cè)試方法的每個(gè)類別的各個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目，分別對(duì)所述多個(gè)待檢測(cè)的數(shù)據(jù)子序列進(jìn)行隨機(jī)性檢測(cè)；(3)分析檢測(cè)結(jié)果在執(zhí)行所有的檢測(cè)項(xiàng)目的過程中，只要有其中任何一項(xiàng)沒有通過隨機(jī)性檢測(cè)，就判斷該待檢測(cè)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)序列是非隨機(jī)序列，即該待檢測(cè)的數(shù)據(jù)塊未加密；只有通過全部檢測(cè)項(xiàng)目的測(cè)試，才判斷該待檢測(cè)的數(shù)據(jù)塊經(jīng)過了一定程度的加密處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟(1)中，設(shè)定條件是將待檢測(cè)的 二進(jìn)制數(shù)據(jù)序列隨機(jī)劃分為m個(gè)連續(xù)的、長(zhǎng)度均為η比特的數(shù)據(jù)子序列，其中，自然數(shù)m和 η的數(shù)值應(yīng)分別大于或等于50和100。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟(2)中的隨機(jī)性測(cè)試方法包括 下述8類、共16個(gè)測(cè)試項(xiàng)目Α、頻數(shù)檢驗(yàn)，包括6個(gè)測(cè)試項(xiàng)單比特頻數(shù)檢驗(yàn)、塊內(nèi)頻數(shù)檢驗(yàn)、重疊子序列檢驗(yàn)、撲克 檢驗(yàn)、二元推導(dǎo)和近似熵檢驗(yàn)；B、游程檢驗(yàn)，包括3個(gè)測(cè)試項(xiàng)游程檢驗(yàn)、塊內(nèi)最大游程檢驗(yàn)和游程分布檢驗(yàn)；C、自相關(guān)檢驗(yàn)；D、累加和檢驗(yàn)； Ε、矩陣秩檢驗(yàn)；F、離散傅立葉檢驗(yàn)；G、線性復(fù)雜度檢驗(yàn)；H、壓縮檢驗(yàn)，包括2個(gè)測(cè)試項(xiàng)通用統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)和Lempel-ziv壓縮檢驗(yàn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于所述步驟(2)包括下列操作內(nèi)容(21)按照所述8類、共16個(gè)測(cè)試項(xiàng)的隨機(jī)性測(cè)試方法依次分別對(duì)m個(gè)η比特子序列進(jìn) 行檢測(cè)，并相應(yīng)記錄各個(gè)檢測(cè)項(xiàng)的通過概率值P-value的數(shù)值；(22)對(duì)于每個(gè)隨機(jī)性測(cè)試項(xiàng)Ti,式中，自然數(shù)i是16個(gè)隨機(jī)性檢測(cè)項(xiàng)的序號(hào)；待測(cè)數(shù) 據(jù)序列是否通過該項(xiàng)測(cè)試是取決于下述m個(gè)η比特子序列的測(cè)試結(jié)果先計(jì)算通過概率值如果待檢測(cè)m個(gè)η比特子序列中有χ個(gè)子序列的通過概率值不小于顯著性水平α，則該待檢測(cè)數(shù)據(jù)序列的通過概率值為x/m；再采用統(tǒng)計(jì)學(xué)中的置信區(qū)間理 論公式(1- )±3√α(1－α)/m做出最終判斷若待檢測(cè)數(shù)據(jù)序列的通過概率值x/m不位于置信 區(qū)間內(nèi)，則否定原假設(shè)，即認(rèn)定該待檢測(cè)數(shù)據(jù)序列未通過Ti項(xiàng)測(cè)試，并結(jié)束檢測(cè)流程；只有待檢測(cè)數(shù)據(jù)序列的通過概率值x/m位于置信區(qū)間內(nèi)，才認(rèn)定該待檢測(cè)數(shù)據(jù)序列通過Ti項(xiàng)測(cè) 試。
全文摘要
一種基于隨機(jī)性分析的數(shù)據(jù)加密功能的檢驗(yàn)方法，步驟是(1)產(chǎn)生檢測(cè)序列按照設(shè)定條件，將待檢測(cè)的數(shù)據(jù)序列劃分為多個(gè)待檢測(cè)數(shù)據(jù)子序列；(2)執(zhí)行隨機(jī)性檢測(cè)針對(duì)8類16項(xiàng)隨機(jī)性測(cè)試方法中的每一項(xiàng)，分別對(duì)多個(gè)待檢測(cè)數(shù)據(jù)子序列進(jìn)行隨機(jī)性檢測(cè)；(3)分析檢測(cè)結(jié)果在執(zhí)行全部檢測(cè)項(xiàng)的過程中，只要有任何一項(xiàng)沒有通過隨機(jī)性檢測(cè)，就判斷待檢測(cè)數(shù)據(jù)序列為非隨機(jī)序列，即待檢測(cè)數(shù)據(jù)未加密；只有通過全部檢測(cè)項(xiàng)的測(cè)試，才判斷待檢測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過了一定程度的加密處理。其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)試方法新穎，測(cè)試角度綜合和全面，涵蓋了數(shù)據(jù)序列隨機(jī)性的多個(gè)方面；采用統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)原理進(jìn)行檢測(cè)，操作簡(jiǎn)單、方便，能有效和準(zhǔn)確地判斷信息系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)是否加密。
文檔編號(hào)H04L9/06GK101888282SQ20101015823
公開日2010年11月17日 申請(qǐng)日期2010年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月22日
發(fā)明者張淼, 徐國(guó)愛, 郭承青, 郭燕慧, 馬健麗 申請(qǐng)人:北京郵電大學(xué)