專(zhuān)利名稱(chēng)：利用無(wú)窮維超混沌構(gòu)造單向散列函數(shù)進(jìn)行密碼保護(hù)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于信息安全技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種密碼保護(hù)方法，具體涉及一種利用無(wú)窮維超混沌特性和密鑰流構(gòu)造的單向散列(Hash)函數(shù)進(jìn)行密碼保護(hù)的方法。

背景技術(shù)：
密碼單向散列(Hash)函數(shù)是目前使用的最重要的密碼編碼方法之一。Hash函數(shù)被廣泛的應(yīng)用在IT業(yè)、安全協(xié)議和計(jì)劃中，例如，軟件的完整性檢測(cè)、數(shù)字簽名系統(tǒng)、消息認(rèn)證和密碼保護(hù)等。Hash函數(shù)是IT產(chǎn)業(yè)和安全協(xié)議的重要基礎(chǔ)，典型的應(yīng)用包括數(shù)字簽名和密碼保護(hù)。隨著現(xiàn)代化商業(yè)、金融等領(lǐng)域的迅速發(fā)展，遠(yuǎn)距離交易和通信日顯重要，這時(shí)雙方需達(dá)成某種協(xié)議，并在協(xié)議中簽名。通過(guò)計(jì)算機(jī)和通信系統(tǒng)傳送或貯存的文件無(wú)法辨認(rèn)筆跡，而手工簽名和印章難以實(shí)現(xiàn)，用數(shù)字簽名系統(tǒng)可解決這一問(wèn)題。數(shù)字簽名系統(tǒng)中需構(gòu)造一個(gè)抗攻擊能力強(qiáng)、壓縮報(bào)文的Hash函數(shù)。各種軟件設(shè)計(jì)的密碼，都是保存在本機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)中，如果直接保存密碼信息很容易被破解，采用單向散列函數(shù)對(duì)原始密碼信息進(jìn)行變換再進(jìn)行保存，即使非法用戶(hù)得到保存的信息，也無(wú)法正常使用。如果單向散列函數(shù)具有很好的性能，加密的密碼很難破譯。設(shè)計(jì)認(rèn)證系統(tǒng)和信息完整性檢測(cè)的核心問(wèn)題也是構(gòu)造單向Hash函數(shù)。
傳統(tǒng)的單向散列方法有MD2、MD5、SHA等標(biāo)準(zhǔn)，多是采用基于異或等邏輯運(yùn)算的復(fù)雜方法或是用DES等分組加密方法多次迭代得到散列結(jié)果，后一種方法運(yùn)算量很大；而前面的幾種方法由于異或運(yùn)算中固有的缺陷，雖然每步運(yùn)算簡(jiǎn)單，但計(jì)算輪數(shù)即使在被處理的文本很短情況下也很大。2004年8月，王小云公布她的研究小組對(duì)MD5、HAVAL-128、MD4和RIPEMD等四個(gè)著名密碼算法的破譯結(jié)果。2005年初又破解了SHA-1密碼算法。因此設(shè)計(jì)高效安全的Hash算法是非常必要的。
近年來(lái)，為獲得更安全的Hash函數(shù)，利用混沌特有的性質(zhì)來(lái)構(gòu)造Hash函數(shù)并取得了一定的進(jìn)展，用混沌系統(tǒng)的不可預(yù)測(cè)性和對(duì)初值的敏感性構(gòu)造安全性更強(qiáng)的Hash函數(shù)。
現(xiàn)有技術(shù)提出了基于混沌映射來(lái)構(gòu)造單向散列函數(shù)、用改變參數(shù)的方法構(gòu)造單向Hash函數(shù)、基于帳篷映射構(gòu)造單向Hash函數(shù)、基于前饋-反饋非線(xiàn)性數(shù)字濾波器構(gòu)造帶密鑰的Hash函數(shù)、基于廣義混沌映射切換的混沌Hash方法、具有可變參數(shù)的分段線(xiàn)性混沌映射的Hash函數(shù)構(gòu)造、基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和混沌映射構(gòu)造Hash函數(shù)等，這些方法均為低維的混沌動(dòng)力系統(tǒng)。還有的提出了基于時(shí)空混沌系統(tǒng)構(gòu)造單向Hash函數(shù)，利用該單向Hash函數(shù)技術(shù)進(jìn)行密碼保護(hù)時(shí)，在明文填充時(shí)，僅僅填充了一些字符并沒(méi)有加入明文的任何信息，這樣很容易產(chǎn)生碰撞。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種利用無(wú)窮維超混沌構(gòu)造單向散列函數(shù)進(jìn)行密碼保護(hù)的方法，該方法利用延遲反饋產(chǎn)生的無(wú)窮維超混沌系統(tǒng)和密鑰流迭代方法構(gòu)造一混沌單向Hash函數(shù)，利用該函數(shù)進(jìn)行密碼保護(hù)，對(duì)預(yù)測(cè)攻擊具有更強(qiáng)的抗擊能力和更好的安全性。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，利用無(wú)窮維超混沌構(gòu)造單向散列函數(shù)進(jìn)行密碼保護(hù)的方法，首先把明文和密鑰進(jìn)行拆分和數(shù)值變換，作為兩個(gè)具有延遲反饋的超混沌Chen系統(tǒng)的初始值，按照系統(tǒng)的混沌動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行演化，將演化的最終結(jié)果進(jìn)行量化，將量化值代入密鑰流進(jìn)行迭代，實(shí)現(xiàn)明文和密鑰信息的混淆和置亂，并基于密碼塊鏈接方式產(chǎn)生任意長(zhǎng)度明文的128位Hash值，將待認(rèn)證的密碼與該Hash值進(jìn)行比對(duì)，判斷其真?zhèn)?，該方法按以下步驟進(jìn)行， 步驟1、對(duì)待保護(hù)的密碼作為明文進(jìn)行分組、拆分和數(shù)值變換 將需要保護(hù)的密碼作為明文，對(duì)該明文按128位進(jìn)行分組，最后一個(gè)分組不足128位時(shí)，明文后面補(bǔ)上待處理明文的長(zhǎng)，然后補(bǔ)0使其達(dá)到128位，再將每一組的128位明文，拆分成40bit、40bit、48bit的三個(gè)二進(jìn)制數(shù)，將上述每組拆分后得到的三個(gè)數(shù)的前兩個(gè)數(shù)除以240、后一個(gè)數(shù)除以242進(jìn)行變換，分別變換得到3個(gè)
區(qū)間上的小數(shù)； 步驟2、對(duì)密鑰進(jìn)行拆分和數(shù)值變換 設(shè)定一個(gè)128位的初始密鑰，將該128位初始密鑰按先后順序分別拆分成40bit、40bit、48bit的三個(gè)二進(jìn)制數(shù)，對(duì)上述每組拆分后得到的三個(gè)數(shù)的前兩個(gè)數(shù)除以240、后一個(gè)數(shù)除以242進(jìn)行變換，分別變換得到3個(gè)
區(qū)間上的小數(shù)； 步驟3、待保護(hù)密碼明文帶入超混沌系統(tǒng)進(jìn)行演化 將步驟1最后變換得到的分組明文的3個(gè)
區(qū)間上的小數(shù)作為延遲反饋Chen系統(tǒng)的初始值，帶入下列直接延遲反饋控制的Chen電路數(shù)學(xué)模型中 其中a，b，c為系統(tǒng)參數(shù)，k33和τ3為控制參數(shù)， 進(jìn)行演化，得到混沌序列，把最后時(shí)刻的三個(gè)狀態(tài)值分別進(jìn)行x、y、z的坐標(biāo)變換，使變量的變化范圍限制在[-1，1]之間，變換的公式為 其中tend表示演化的最后時(shí)刻， 將演化最后時(shí)刻的三個(gè)值記為p1、p2、p3； 步驟4、將密鑰帶入超混沌系統(tǒng)進(jìn)行演化 將步驟2得到的3個(gè)
區(qū)間上的小數(shù)作為延遲反饋Chen系統(tǒng)的初始值，帶入上步的Chen電路數(shù)學(xué)模型中進(jìn)行演化，得到混沌序列，把最后時(shí)刻的三個(gè)狀態(tài)值分別進(jìn)行變換，使變量的變化范圍限制在[-1，1]之間，變換的公式為 其中tend表示演化的最后時(shí)刻， 演化最后時(shí)刻的三個(gè)值為v1，v2，v3； 步驟5、對(duì)上步經(jīng)置亂后明文和密鑰進(jìn)一步混合置亂與混淆 將步驟3、步驟4得到的三個(gè)明文p1，p2，p3和三個(gè)密鑰v1，v2，v3分別代入下列密鑰流函數(shù)中進(jìn)行迭代， 密鑰流迭代函數(shù)如下
其中pi為經(jīng)過(guò)超混沌系統(tǒng)置亂后的明文，vi為經(jīng)過(guò)超混沌系統(tǒng)置亂后的密鑰，n表示置亂后的明文pi和置亂后的密鑰vi經(jīng)過(guò)非線(xiàn)性函數(shù)f1的迭代次數(shù)，f1為線(xiàn)性分段函數(shù)，具體的形式如下 該函數(shù)中x和k的值在「-h，h]之間，經(jīng)過(guò)至少30次迭代得到三個(gè)密鑰流迭代輸出e(p1，v1)，e(p2，v2)，e(p3，v3)，將得到的三個(gè)值分別變換為40bit、40bit、48bit的二進(jìn)制整數(shù)，將得到的二進(jìn)制數(shù)eb1，eb2，eb3依次連接起來(lái)，得到128位的二進(jìn)制整數(shù)，這個(gè)整數(shù)就是第一組128位明文得到的單向散列變換值； 步驟6、對(duì)明文長(zhǎng)度大于128位的進(jìn)行密碼塊鏈接 采用密碼塊鏈接模式對(duì)明文長(zhǎng)度大于128位的進(jìn)行鏈接，最終對(duì)整個(gè)密碼明文得到完整的128位hash值； 步驟7、將需驗(yàn)證的明文經(jīng)過(guò)上述步驟得到的128位hash值與數(shù)據(jù)庫(kù)中保存信息進(jìn)行比對(duì)判斷，確定密碼的合法性 將經(jīng)上步Hash變換后得到的Hash值存入數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)需驗(yàn)證的明文也按上述步驟進(jìn)行Hash變換，將該變換值與數(shù)據(jù)庫(kù)中保存值進(jìn)行比較，如果相同則通過(guò)，否則，則拒絕通過(guò)。
本發(fā)明方法的有益效果是， 1、利用該Hash函數(shù)進(jìn)行密碼保護(hù)時(shí)，利用了無(wú)窮維超混沌系統(tǒng)產(chǎn)生的信號(hào)提高了信號(hào)的置亂性能和參數(shù)的敏感性，對(duì)預(yù)測(cè)攻擊具有更強(qiáng)的抗擊能力和更好的安全性。
2、采用無(wú)窮維超混沌系統(tǒng)和密鑰流迭代相結(jié)合的技術(shù)，構(gòu)造出Hash函數(shù)，使得構(gòu)造出的Hash函數(shù)具有更好的抗碰撞性能。



圖1是利用直接延遲反饋在Chen系統(tǒng)中產(chǎn)生的超混沌吸引子的2維相圖、時(shí)間序列圖和頻譜分布圖，其中，a是x坐標(biāo)和y坐標(biāo)的相圖，b是y坐標(biāo)和z坐標(biāo)的相圖，c是x坐標(biāo)和z坐標(biāo)的相圖，d是x(t)隨時(shí)間演化的時(shí)間序列圖，e是x(t)頻譜圖； 圖2是以明文的拆分值作為超混沌Chen系統(tǒng)的初值，通過(guò)超混沌Chen系統(tǒng)演化的時(shí)間序列圖，其中a是x的時(shí)間序列圖，b是y的時(shí)間序列圖，c是z的時(shí)間序列圖； 圖3是密碼塊連接方式原理圖； 圖4是文本1-5的Hash值比較圖； 圖5是明文敏感性分析，其中，a是明文為1024位的比特率變化圖，b是明文為2040位的比特率變化圖； 圖6是密鑰敏感性分析圖； 圖7是k-N(k)的分布圖； 圖8中，a、b、c分別是本發(fā)明方法與現(xiàn)有三種技術(shù)的抗碰撞性分析對(duì)比結(jié)果。

具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
本發(fā)明首先利用超混沌和密鑰流構(gòu)造高性能的單向散列函數(shù)，再利用該函數(shù)對(duì)密碼進(jìn)行加密。
把明文(需要保護(hù)的密碼)和密鑰作為兩個(gè)具有延遲反饋的超混沌Chen系統(tǒng)的初始值，按照兩個(gè)系統(tǒng)的混沌動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行一定時(shí)間的演化，將演化的最終結(jié)果進(jìn)行量化，將量化值代入密鑰流進(jìn)行迭代，實(shí)現(xiàn)明文和密鑰信息的混淆和擴(kuò)散，并基于密碼塊鏈接方式產(chǎn)生任意長(zhǎng)度明文的128位Hash值，將待認(rèn)證的密碼的Hash值與合法密碼的Hash值進(jìn)行比對(duì)，判斷其真?zhèn)巍?br> 本發(fā)明方法具體包括以下步驟 步驟1、待保護(hù)密碼作為明文進(jìn)行分組、拆分和數(shù)值變換 將需要保護(hù)的密碼作為明文，對(duì)該明文按128位(Bit)進(jìn)行分組，最后一個(gè)分組不足128位時(shí)，明文后面補(bǔ)上待處理明文的長(zhǎng)，然后補(bǔ)0使其達(dá)到128位。
例如如果明文為132位二進(jìn)制數(shù)，表示成十六進(jìn)制數(shù)為 DDCC17E846755AE46F64F47A16565E237 將其按128位進(jìn)行分組，則得到 第一組為DDCC17E846755AE46F64F47A16565E23 第二組為7840000000000000000000000000000 第二組中“7”為實(shí)際明文，后面補(bǔ)充的84為整個(gè)明文的長(zhǎng)度132的十六進(jìn)制表示，后面補(bǔ)充29個(gè)十六進(jìn)制的0構(gòu)成128位的分組數(shù)據(jù)。
將得到的每一組128位明文，拆分成40位、40位、48位的三個(gè)二進(jìn)制數(shù)。
如對(duì)于上面例子，對(duì)第一組進(jìn)行拆分可以得到如下三個(gè)用十六進(jìn)制表示的數(shù) DDCC17E846 755AE46F64 F47A16565E23 對(duì)于第二組也同樣可以拆分為7840000000，0000000000，000000000000三個(gè)十六進(jìn)制表示的數(shù)； 將每組拆分后的三個(gè)數(shù)變換為3個(gè)
區(qū)間上的小數(shù)，具體的方法是給前兩個(gè)數(shù)除以240，后一個(gè)數(shù)除以242。
如對(duì)于第一組得到的三個(gè)數(shù)分別為 0.8663954679559... 0.0458418156809... 0.9549879036768... 同樣可以對(duì)分組中的第二組進(jìn)行拆分和變換得到三個(gè)
之間的數(shù)。將每組的128位轉(zhuǎn)換為3個(gè)
區(qū)間上的小數(shù)，這樣整個(gè)明文得到一個(gè)大數(shù)組，記為P。
步驟2、對(duì)密鑰進(jìn)行拆分和數(shù)值變換 設(shè)定一個(gè)128位的初始密鑰(對(duì)合法用戶(hù)公開(kāi))，對(duì)該128位的初始密鑰，也按照上一步中的拆分方法，將128位初始密鑰按先后順序分解成40bit、40bit、48bit的三個(gè)二進(jìn)制數(shù)，對(duì)上述每組拆分后得到的三個(gè)數(shù)的前兩個(gè)數(shù)除以240、后一個(gè)數(shù)除以242進(jìn)行變換，分別變換得到3個(gè)
區(qū)間上的小數(shù)。
步驟3、將待保護(hù)密碼(明文)帶入超混沌系統(tǒng)進(jìn)行演化(混淆) 利用直接延遲反饋控制方法在Chen電路中產(chǎn)生混沌，直接延遲反饋控制的Chen電路數(shù)學(xué)模型如下 其中a，b，c為系統(tǒng)參數(shù)，k33和τ3為控制參數(shù)，適當(dāng)調(diào)節(jié)控制參數(shù)可以得到具有多個(gè)李亞譜諾夫指數(shù)的超混沌系統(tǒng)。
該系統(tǒng)所產(chǎn)生的混沌吸引子如圖1所示，其中，a是x坐標(biāo)和y坐標(biāo)的相圖，b是y坐標(biāo)和z坐標(biāo)的相圖，c是x坐標(biāo)和z坐標(biāo)的相圖，d是x(t)隨時(shí)間演化的時(shí)間序列圖，e是x(t)頻譜圖。從圖1可以看出系統(tǒng)具有很好的混沌的特性，混沌程度的定量描述指標(biāo)為最大Lyapunov指數(shù)，該系統(tǒng)有多個(gè)正的Lyapunov指數(shù)，因此，是一個(gè)超混沌系統(tǒng)?；煦缦到y(tǒng)的一個(gè)重要特點(diǎn)是對(duì)初值的敏感性，即所謂的“蝴蝶效應(yīng)”，直觀的解釋是當(dāng)系統(tǒng)在兩個(gè)具有微小差別的初始值(理論上是無(wú)限小)開(kāi)始演化，經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)的時(shí)間后兩個(gè)不同初始值演化出的系統(tǒng)狀態(tài)軌跡變得完全不相關(guān)(差別非常大)。因此，混沌系統(tǒng)對(duì)初始值具有很好的混淆能力，而超混沌系統(tǒng)比一般混沌系統(tǒng)具有更復(fù)雜的演化特性，對(duì)于初始值的敏感性和混淆能力更強(qiáng)。
將步驟1得到的分組明文作為如公式(1)所示延遲反饋Chen系統(tǒng)的初始值，進(jìn)行t≥30s的演化，得到混沌序列，把最后時(shí)刻的三個(gè)狀態(tài)進(jìn)行坐標(biāo)變換，使變量的變化范圍限制在[-1，1]之間，將演化最后時(shí)刻的三個(gè)值作為三個(gè)密鑰流迭代中的明文pi，其中參數(shù)a＝35，b＝3，c＝18.5，k＝2.85，τ＝0.3，h＝1。
例如將上面的明文分組得到的第一組數(shù)據(jù)作為超混沌系統(tǒng)的初始值，可以得到三個(gè)混沌時(shí)間序列如圖2所示，其中a是x的時(shí)間序列，b是y的時(shí)間序列，c是z的時(shí)間序列，演化的時(shí)間是30s，最后得到的三個(gè)狀態(tài)值分別是4.52222397579072...，4.72288981488884...，2.12903245563008...。通過(guò)計(jì)算每一個(gè)時(shí)間序列的最大和最小值，根據(jù)最大和最小值計(jì)算變換到[-1，1]之間所使用的公式中的數(shù)值。例如對(duì)于序列x可以得到其最大值xmax和最小值xmin，將x變換到[-1，1]之間所使用的公式則為 其中tend表示演化的最后時(shí)刻 對(duì)于y和z的變換公式也相似。上面三個(gè)最后時(shí)刻的值經(jīng)過(guò)變換變?yōu)?.904444795158143...，0.944577962977769...，-0.428594682907884...，這三個(gè)值可以分別作為三個(gè)密鑰流迭代運(yùn)算的輸入p1，p2，p3。
步驟4、將密鑰帶入超混沌系統(tǒng)進(jìn)行演化(混淆) 采用與步驟3相同的方法，將步驟2得到的初始密鑰值作為延遲反饋Chen系統(tǒng)的初始值，經(jīng)過(guò)延遲反饋混沌Chen系統(tǒng)的演化和坐標(biāo)變換得到最后時(shí)刻的三個(gè)狀態(tài)值，經(jīng)過(guò)變換作為三個(gè)密鑰流迭代中的密鑰v1，v2，v3。
本發(fā)明對(duì)需要變換的明文(128位)和密鑰(128位)作為上述超混沌系統(tǒng)的初始值，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的演化，得到經(jīng)過(guò)超混沌系統(tǒng)分別混淆的明文和密鑰，由于系統(tǒng)的超混沌特性，明文和密鑰經(jīng)過(guò)這一步后，已經(jīng)被很好地混淆和置亂。為了進(jìn)一步提高變換的置亂性能，將上述結(jié)果再送入具有很強(qiáng)置亂功能的密鑰流迭代函數(shù)，進(jìn)一步混淆和置亂。
步驟5、將步驟3、4置亂后明文和密鑰進(jìn)一步進(jìn)行混合置亂與混淆 將第3、4步得到的三個(gè)明文p1，p2，p3和三個(gè)密鑰v1，v2，v3分別代入三個(gè)如公式(2)和(3)所示的密鑰流進(jìn)行迭代， 密鑰流迭代函數(shù)如下
其中pi為經(jīng)過(guò)超混沌系統(tǒng)置亂后的明文，vi為經(jīng)過(guò)超混沌系統(tǒng)置亂后的密鑰，n表示置亂后的明文pi和置亂后的密鑰vi經(jīng)過(guò)非線(xiàn)性函數(shù)f1的迭代次數(shù)，f1為線(xiàn)性分段函數(shù)，具體的形式如下 該函數(shù)中x和k的值必須限制在[-h，h]之間，迭代次數(shù)n≥30。
經(jīng)過(guò)至少30次迭代可以得到三個(gè)密鑰流迭代輸出e(p1，v1)，e(p2，v2)，e(p3，v3)，將得到的三個(gè)值分別變換為40bit、40bit、48bit的二進(jìn)制整數(shù)，具體的方法是， eb1＝bin(int((e(p1，v1)+1)×239))， eb2＝bin(int((e(p2，v2)+1)×239))， eb3＝bin(int((e(p3，v3)+1)×247))， 其中int(·)表示取整，bin(·)表示將整數(shù)變?yōu)槎M(jìn)制的二進(jìn)制變換。
將得到的二進(jìn)制數(shù)eb1，eb2，eb3依次連接起來(lái)，得到128位的二進(jìn)制整數(shù)，這個(gè)整數(shù)就是第一組128位明文得到的單向散列變換值。
本發(fā)明通過(guò)密鑰流函數(shù)將經(jīng)過(guò)超混沌系統(tǒng)混淆和置亂后的明文和密鑰進(jìn)一步混淆和置亂，并構(gòu)成了由兩者共同決定的輸出，將輸出變換成128位，就可以得到一個(gè)長(zhǎng)度為128位的明文對(duì)應(yīng)的單向散列函數(shù)的輸出。
步驟6、對(duì)于明文長(zhǎng)度大于128位的通過(guò)密碼塊鏈接模式產(chǎn)生最終的128位Hash函數(shù)值 如果明文的長(zhǎng)度超過(guò)128位，則可以采用如圖3所示的密碼塊鏈接模式(CBC)將后面的信息用密碼塊鏈接的方式得到任意長(zhǎng)度明文的128位hash值。
通過(guò)引入密碼塊鏈接模式(CBC)，可對(duì)任意長(zhǎng)度的明文數(shù)據(jù)產(chǎn)生128位的Hash值，密碼塊鏈接模式如圖3所示，其中H為實(shí)現(xiàn)(1)至(5)步算法的單向散列函數(shù)(Hash)單元。
下面對(duì)照?qǐng)D3詳細(xì)描述密碼塊鏈接方式，圖3中M表示需要變換的明文信息，其長(zhǎng)度可以是任意長(zhǎng)度。M0至Mn-1表示將明文M分組后得到的n個(gè)明文組。Key表示初始密鑰(對(duì)合法用戶(hù)公開(kāi))。如圖3所示，將明文的第一個(gè)分組128位二進(jìn)制數(shù)M0和初始密鑰Key通過(guò)上述步驟1中的數(shù)值調(diào)整和步驟2至步驟5得到對(duì)于第一個(gè)明文組M0的Hash值h0。將Key與h0異或作為下一次Hash變換的密鑰k1，下一次需變換的明文為M1，通過(guò)與得到h0相同的步驟可以得到h1，依次類(lèi)推，可以得到對(duì)于任意長(zhǎng)度明文的Hash值。
步驟7、利用上述Hash變換進(jìn)行密碼保護(hù) 將需要保護(hù)的密碼經(jīng)過(guò)上述Hash變換后得到的Hash值，存入數(shù)據(jù)庫(kù)，在合法用戶(hù)輸入正確的密碼后，將該密碼作為Hash變換的明文利用對(duì)合法用戶(hù)公開(kāi)或授權(quán)的密鑰，經(jīng)過(guò)上述Hash變換得到的值與數(shù)據(jù)庫(kù)中保存值進(jìn)行比較，如果相同則通過(guò)，否則，則拒絕通過(guò)。
本發(fā)明利用上述方法構(gòu)造的單向散列變換進(jìn)行密碼保護(hù)，將需要保護(hù)的密碼或信息變換為二進(jìn)制明文，將合法用戶(hù)可以獲得的密鑰和上述明文通過(guò)前面的單向散列函數(shù)變換得到輸出值，將輸出值作為密碼驗(yàn)證值保存在計(jì)算機(jī)程序或文件中，而不是保存實(shí)際的密碼。這樣即使盜用者得到了文件中保存的密碼，也無(wú)法知道實(shí)際的密碼是多少，起到密碼保護(hù)的作用。
上述密碼保護(hù)的步驟中的核心是單向散列函數(shù)，單向散列函數(shù)的性能決定了密碼的保密性能。對(duì)于密碼的保護(hù)，本發(fā)明方法中構(gòu)造的單向散列函數(shù)具有如下特點(diǎn) 1、明文的敏感性，即明文(用戶(hù)輸入的密碼)有微小差別，Hash值將有很大變化。
2、密鑰的敏感性，即(對(duì)合法用戶(hù)發(fā)布的)密鑰，如果發(fā)生微小變化，Hash值將有很大變化。
3、抗生日攻擊和碰撞攻擊的能力，對(duì)于窮舉所有可能解的攻擊方式要具有足夠的復(fù)雜度；對(duì)于不同的明文值可以得到相同Hash的可能性要很小，同時(shí)尋找這種碰撞值的耗費(fèi)很大。
本發(fā)明的密碼保護(hù)方法具有如下特點(diǎn) 1.不直接將明文和密鑰作為密鑰流迭代的輸入，而是首先經(jīng)過(guò)由直接延遲反饋控制產(chǎn)生的無(wú)窮維超混沌系統(tǒng)進(jìn)行演化，無(wú)窮維超混沌具有非常復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)行為，對(duì)初值的敏感度更加強(qiáng)烈，對(duì)明文和密鑰信息具有非常好的置亂性能。
2.將明文和密鑰通過(guò)超混沌系統(tǒng)演化和置亂后，進(jìn)一步通過(guò)密鑰流迭代將明文和密鑰進(jìn)一步混淆，使得明文和密鑰里的信息被進(jìn)一步置亂，從而得到更好的抗碰撞性能。
3.通過(guò)密碼塊連接的方式將后面的明文與前面的明文及密鑰產(chǎn)生的hash值進(jìn)一步混沌，得到任意長(zhǎng)度明文的固定長(zhǎng)度hash值。
4.延遲反饋Chen系統(tǒng)和密鑰流迭代產(chǎn)生的序列擁有單向Hash函數(shù)所要求的較好的混淆和散布特性，防偽造性，不可逆性和初值敏感性。本發(fā)明通過(guò)延遲反饋超混沌Chen系統(tǒng)產(chǎn)生超混沌信號(hào)，并且通過(guò)密鑰流進(jìn)行迭代，大大增強(qiáng)了信號(hào)的復(fù)雜性，使得信號(hào)更難以預(yù)測(cè)。同時(shí)采用密碼塊連接模式使信號(hào)更加復(fù)雜和安全，抗碰撞性更好。
為了驗(yàn)證本發(fā)明方法的效果，對(duì)上述方法得到的Hash函數(shù)性能分析如下 1.明文敏感性分析 根據(jù)本文提出的方法，分別計(jì)算了下面5種情況下文本的Hash值 原始文本1為 Chaos is a deterministic process.which is ubiquitously present in the world.Because of its random like behavior，sensitivity to initial conditions and parametervalues，ergodicity，and confusion and diffusion properties；chaotic cryptographyhas become an important branch of modern cryptography and has huge potential inprotecting the assets. 文本2將文本1中的Chaos改為chaos；文本3將文本1中的values改為value；文本4將文本1最后的句號(hào)改為逗號(hào)；文本5將文本1的最后加一個(gè)空格。
對(duì)應(yīng)的Hash值十六進(jìn)制表示為 文本1DDCC17E846755AE46F64F47A16565E23 文本22300F10798897A828112E46E6DB9998B 文本30C30BB10321C138A30023D12E0FD67C0 文本4B20EBDADEB07ED8663F471E2CA31355E 文本5B363000FC436BBA1C6D4206DF9128BDB 其位序列表示如圖4，從上面的仿真結(jié)果可以看出，本發(fā)明的Hash函數(shù)對(duì)初值的變化相當(dāng)敏感，即使明文發(fā)生很小的改變也會(huì)導(dǎo)致最終得到的Hash值發(fā)生很大的變化。
2.單向性分析 單向性是從明文消息M和密鑰K計(jì)算Hash值是非常容易的，根據(jù)最終的Hash值計(jì)算明文M和密鑰K是非常困難的。
從數(shù)學(xué)上看，報(bào)文空間可以是無(wú)限的，而Hash結(jié)果總是一段定長(zhǎng)字節(jié)的數(shù)字，會(huì)有無(wú)數(shù)的報(bào)文具有同樣的Hash函數(shù)值，但在Hash結(jié)果達(dá)到一定長(zhǎng)度，比如結(jié)果為固定的128bit長(zhǎng)時(shí)，結(jié)果空間已有2128≈3.4028×1028個(gè)，現(xiàn)有的計(jì)算環(huán)境下在這樣大的空間窮舉計(jì)算是困難的。
一般說(shuō)來(lái)，密鑰的長(zhǎng)度應(yīng)不小于128bit，以防止密鑰窮盡搜索攻擊；消息摘要的Hash值長(zhǎng)度也不應(yīng)小于128bit，以防止生日攻擊。
3.明文和密鑰安全性分析 在本發(fā)明的方法中，通過(guò)延遲反饋Chen系統(tǒng)和密鑰流的迭代運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)了對(duì)明文信息和密鑰信息的混合，這一混合操作實(shí)現(xiàn)了密碼編碼所必須的混淆和擴(kuò)散。這種良好的混淆和擴(kuò)散作用，保證了所構(gòu)造的Hash函數(shù)對(duì)統(tǒng)計(jì)攻擊的安全性。理論上混淆和擴(kuò)散特性越好，最終所得到的Hash值對(duì)密鑰和明文的敏感性越強(qiáng)。下面對(duì)本發(fā)明給出的Hash函數(shù)對(duì)明文和密鑰的敏感性進(jìn)行了測(cè)試。
對(duì)一個(gè)二進(jìn)制表示的Hash值而言，其每一位的值非1即0，因此理想的敏感值應(yīng)保證任何明文或密鑰的輕微改變將導(dǎo)致Hash比特發(fā)生50％的變化概率。對(duì)一個(gè)明文消息每次改變其一位上的值，即將第i個(gè)位的“0”(“1”)改為“1”(“0”)，計(jì)算改變后的明文消息的Hash值hi，然后將其和原始消息的Hash值h0進(jìn)行比較，并計(jì)算h0和hi二進(jìn)制表示的Hamming距離，最終獲得Hash比特變化率。對(duì)密鑰的敏感性分析跟明文的敏感性分析方法相同。
圖5給出了明文比特率的分布情況，明文為1024bit時(shí)的Hash值比特平均改變率為64.0713，明文為2040時(shí)的Hash值比特平均改變率為64.0382，說(shuō)明所構(gòu)造的Hash函數(shù)具有非常好且穩(wěn)定的明文敏感性。明文消息的任何微小變化都會(huì)導(dǎo)致Hash值發(fā)生較大的改變，保證了當(dāng)攻擊者可進(jìn)行選擇明文攻擊時(shí)，根據(jù)已知的明文-密文對(duì)很難偽造和推導(dǎo)出其它的明文-密文對(duì)。
另外，經(jīng)N＝150、400、1024、2040次測(cè)試，N為統(tǒng)計(jì)總次數(shù)，算法在明文發(fā)生1bit變化的情況下，引起Hash密文結(jié)果的變化位數(shù)，定義平均變化位數(shù)，平均變化率，B的均方差，P的均方差，其中Bi為明文第i位變化引起Hash函數(shù)值的變化位數(shù)。得到基于該算法在每變化1bit的情況下的平均Hash值變化bit數(shù)

、變化bit數(shù)的均方差ΔB、平均變化概率P以及變化概率的均方差ΔP的值。如表1所示。
表1平均Hash值變化bit數(shù)及其相關(guān)指標(biāo)列表
圖6是在原始明文情況下密鑰的敏感性分析結(jié)果，從圖6可看出，Hash值比特平均改變率為50.7690，因此具有較好的密鑰敏感性保證了對(duì)統(tǒng)計(jì)分析的安全。
表2是對(duì)不同的明文長(zhǎng)度在密鑰的每比特位變化時(shí)其平均Hash值變化bit數(shù)

、變化bit數(shù)的均方差ΔB、平均變化概率P以及變化概率的均方差ΔP的值。

、ΔB、P、ΔP的定義如上。
表2平均Hash值變化bit數(shù)及其相關(guān)指標(biāo)列表
4.抗生日攻擊和碰撞攻擊分析 對(duì)生日攻擊而言，Hash值的比特長(zhǎng)度決定了密碼系統(tǒng)的安全性。對(duì)本文Hash函數(shù)而言，128位Hash值長(zhǎng)度意味著264位的攻擊難度，這個(gè)數(shù)量級(jí)的攻擊難度對(duì)一般應(yīng)用來(lái)說(shuō)是足夠的。
Hash函數(shù)的抗碰撞性是指找到任意兩個(gè)不同明文具有同樣的Hash值在計(jì)算上是不可行的。下面對(duì)本發(fā)明中具有直接延遲反饋Chen系統(tǒng)加密鑰流方法構(gòu)造的Hash函數(shù)的抗碰撞性進(jìn)行了仿真分析。首先取初始文本為一字節(jié)，即8bit，ASCII碼對(duì)應(yīng)值為0～255，Hash結(jié)果取為8bit，即也為0～255的數(shù)，這樣明文空間與Hash值空間相同。記Hash值空間即像空間中任一值對(duì)應(yīng)明文空間中原像的個(gè)數(shù)為k，記Hash值空間中具有k個(gè)原像的點(diǎn)的個(gè)數(shù)為N(k)，N(1)越大，N(0)和其它各項(xiàng)越小，說(shuō)明碰撞越少，Hash函數(shù)的散亂能力越強(qiáng)，因此從N(k)的分布情況，可看出Hash函數(shù)的抗碰撞性能，令n(k)為 其中，K為發(fā)生最大碰撞的數(shù)值。
圖7為k-N(k)的分布圖。本文的Hash函數(shù)構(gòu)造算法的N(0)至N(8)依次為93，94，51，13，4，1，0，0，0。k＞8均為0。
采用相同的測(cè)試方法，圖8給出了采用本發(fā)明方法與現(xiàn)有三種技術(shù)的抗碰撞性分析對(duì)比結(jié)果，從圖中可以看出，本發(fā)明給出的Hash函數(shù)構(gòu)造方法較現(xiàn)有一些方法具有更好的抗碰撞性能。
利用本發(fā)明給出的Hash函數(shù)和密碼保護(hù)方法可以得到更好的密碼保護(hù)效果。
權(quán)利要求
1.一種利用無(wú)窮維超混沌構(gòu)造單向散列函數(shù)進(jìn)行密碼保護(hù)的方法，首先把明文和密鑰進(jìn)行拆分和數(shù)值變換，作為兩個(gè)具有延遲反饋的超混沌Chen系統(tǒng)的初始值，按照系統(tǒng)的混沌動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行演化，將演化的最終結(jié)果進(jìn)行量化，將量化值代入密鑰流進(jìn)行迭代，實(shí)現(xiàn)明文和密鑰信息的混淆和置亂，并基于密碼塊鏈接方式產(chǎn)生任意長(zhǎng)度明文的128位Hash值，將待認(rèn)證的密碼與該Hash值進(jìn)行比對(duì)，判斷其真?zhèn)?，其特征在于，該方法按以下步驟進(jìn)行，
步驟1、對(duì)待保護(hù)的密碼作為明文進(jìn)行分組、拆分和數(shù)值變換
將需要保護(hù)的密碼作為明文，對(duì)該明文按128位進(jìn)行分組，最后一個(gè)分組不足128位時(shí)，明文后面補(bǔ)上待處理明文的長(zhǎng)，然后補(bǔ)0使其達(dá)到128位，再將每一組的128位明文，拆分成40bit、40bit、48bit的三個(gè)二進(jìn)制數(shù)，將上述每組拆分后得到的三個(gè)數(shù)的前兩個(gè)數(shù)除以240、后一個(gè)數(shù)除以242進(jìn)行變換，分別變換得到3個(gè)
區(qū)間上的小數(shù)；
步驟2、對(duì)密鑰進(jìn)行拆分和數(shù)值變換
設(shè)定一個(gè)128位的初始密鑰，將該128位初始密鑰按先后順序分別拆分成40bit、40bit、48bit的三個(gè)二進(jìn)制數(shù)，對(duì)上述每組拆分后得到的三個(gè)數(shù)的前兩個(gè)數(shù)除以240、后一個(gè)數(shù)除以242進(jìn)行變換，分別變換得到3個(gè)
區(qū)間上的小數(shù)；
步驟3、待保護(hù)密碼明文帶入超混沌系統(tǒng)進(jìn)行演化
將步驟1最后變換得到的分組明文的3個(gè)
區(qū)間上的小數(shù)作為延遲反饋Chen系統(tǒng)的初始值，帶入下列直接延遲反饋控制的Chen電路數(shù)學(xué)模型中
其中a，b，c為系統(tǒng)參數(shù)，k33和τ3為控制參數(shù)，
進(jìn)行演化，得到混沌序列，把最后時(shí)刻的三個(gè)狀態(tài)值分別進(jìn)行x、y、z的坐標(biāo)變換，使變量的變化范圍限制在[-1，1]之間，變換的公式為
其中tend表示演化的最后時(shí)刻，
將演化最后時(shí)刻的三個(gè)值記為p1、p2、p3；
步驟4、將密鑰帶入超混沌系統(tǒng)進(jìn)行演化
將步驟2得到的3個(gè)
區(qū)間上的小數(shù)作為延遲反饋Chen系統(tǒng)的初始值，帶入上步的Chen電路數(shù)學(xué)模型中進(jìn)行演化，得到混沌序列，把最后時(shí)刻的三個(gè)狀態(tài)值分別進(jìn)行變換，使變量的變化范圍限制在[-1，1]之間，變換的公式為
其中tend表示演化的最后時(shí)刻，
演化最后時(shí)刻的三個(gè)值為v1，v2，v3；
步驟5、對(duì)上步經(jīng)置亂后明文和密鑰進(jìn)一步混合置亂與混淆
將步驟3、步驟4得到的三個(gè)明文p1，p2，p3和三個(gè)密鑰v1，v2，v3分別代入下列密鑰流函數(shù)中進(jìn)行迭代，
密鑰流迭代函數(shù)如下
其中p1為經(jīng)過(guò)超混沌系統(tǒng)置亂后的明文，vi為經(jīng)過(guò)超混沌系統(tǒng)置亂后的密鑰，n表示置亂后的明文pi和置亂后的密鑰vi經(jīng)過(guò)非線(xiàn)性函數(shù)f1的迭代次數(shù)，f1為線(xiàn)性分段函數(shù)，具體的形式如下
該函數(shù)中x和k的值在「-h，h]之間，經(jīng)過(guò)至少30次迭代得到三個(gè)密鑰流迭代輸出e(p1，v1)，e(p2，v2)，e(p3，v3)，將得到的三個(gè)值分別變換為40bit、40bit、48bit的二進(jìn)制整數(shù)，將得到的二進(jìn)制數(shù)eb1，eb2，eb3依次連接起來(lái)，得到128位的二進(jìn)制整數(shù)，這個(gè)整數(shù)就是第一組128位明文得到的單向散列變換值；
步驟6、對(duì)明文長(zhǎng)度大于128位的進(jìn)行密碼塊鏈接
采用密碼塊鏈接模式對(duì)明文長(zhǎng)度大于128位的進(jìn)行鏈接，最終對(duì)整個(gè)密碼明文得到完整的128位hash值；
步驟7、將需驗(yàn)證的明文經(jīng)過(guò)上述步驟得到的128位hash值與數(shù)據(jù)庫(kù)中保存信息進(jìn)行比對(duì)判斷，確定密碼的合法性
將經(jīng)上步Hash變換后得到的Hash值存入數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)需驗(yàn)證的明文也按上述步驟進(jìn)行Hash變換，將該變換值與數(shù)據(jù)庫(kù)中保存值進(jìn)行比較，如果相同則通過(guò)，否則，則拒絕通過(guò)。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟5中，將超混沌演化得到明文pi(i＝1，2，3)和密鑰vi(i＝1，2，3)通過(guò)密鑰流迭代函數(shù)
進(jìn)行大于30步的迭代混淆，將得到的三個(gè)值分別變換為40bit、40bit、48bit的二進(jìn)制整數(shù)，具體的方法是，
eb1＝bin(int((e(p1，v1)+1)×239))，
eb2＝bin(int((e(p2，v2)+1)×239))，
eb3＝bin(int((e(p3，v3)+1)×247))，
其中int(·)表示取整，bin(·)表示將整數(shù)變?yōu)槎M(jìn)制的二進(jìn)制變換，將eb1，eb2，eb3合并成128位二進(jìn)制，從而得到一個(gè)128位明文分組對(duì)應(yīng)的Hash值。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種利用無(wú)窮維超混沌構(gòu)造單向散列函數(shù)進(jìn)行密碼保護(hù)的方法，首先把明文和密鑰作為兩個(gè)具有延遲反饋的超混沌Chen系統(tǒng)的初始值，按照系統(tǒng)的混沌動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行演化，將演化的最終結(jié)果進(jìn)行量化，將量化值代入密鑰流進(jìn)行迭代，實(shí)現(xiàn)明文和密鑰信息的混淆和擴(kuò)散，并基于密碼塊鏈接方式產(chǎn)生任意長(zhǎng)度明文的128位Hash值。本發(fā)明方法通過(guò)構(gòu)造Hash函數(shù)來(lái)進(jìn)行密碼保護(hù)，充分利用了無(wú)窮維超混沌系統(tǒng)產(chǎn)生的信號(hào)提高了信號(hào)的置亂性能和參數(shù)的敏感性，對(duì)預(yù)測(cè)攻擊具有更強(qiáng)的抗擊能力和更好的安全性。
文檔編號(hào)H04L9/00GK101237320SQ20081001749
公開(kāi)日2008年8月6日 申請(qǐng)日期2008年2月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月4日
發(fā)明者任海鵬, 元 莊 申請(qǐng)人:西安理工大學(xué)