一種用于量子保密通信的信息論安全快速認(rèn)證消息生成方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于量子保密通信的信息論安全快速認(rèn)證消息生成方法，其步驟為：S1：參數(shù)初始化；初始化認(rèn)證生成標(biāo)簽長度、LFSR結(jié)構(gòu)的初始狀態(tài)向量，計(jì)算信息論安全認(rèn)證消息長度l；S2：構(gòu)建ASU哈希函數(shù)；采用基于上述LFSR結(jié)構(gòu)的初始狀態(tài)向量所定義的LFSR結(jié)構(gòu)，生成的隨機(jī)數(shù)串構(gòu)建ASU哈希函數(shù)；S3：待認(rèn)證消息規(guī)格化；S4：哈希運(yùn)算；采用快速數(shù)論轉(zhuǎn)換技術(shù)，對待認(rèn)證消息規(guī)格化后得到的消息串M*和哈希函數(shù)h的哈希過程進(jìn)行加速運(yùn)算，取運(yùn)算結(jié)果的前β項(xiàng)組成向量R，R即生成的認(rèn)證標(biāo)簽信息；S5：對步驟S4得到的認(rèn)證標(biāo)簽信息加密，得到最終安全認(rèn)證消息。本發(fā)明具有可靠性好、速度快、性能好等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一種用于量子保密通信的信息論安全快速認(rèn)證消息生成方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明主要涉及到量子保密通信領(lǐng)域，特指一種適用于量子保密通信的信息論安全快速認(rèn)證消息生成方法。

【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著計(jì)算技術(shù)，特別是量子計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展，以數(shù)學(xué)問題復(fù)雜性為安全基礎(chǔ)的現(xiàn)代密碼體系面臨著嚴(yán)峻的安全挑戰(zhàn)。量子保密通信技術(shù)，基于量子力學(xué)的不可克隆、海森堡測不準(zhǔn)原理等基本物理學(xué)原理，可以為通信雙方產(chǎn)生信息論安全的密鑰。量子保密通信技術(shù)，結(jié)合目前唯一為證明信息論安全的加密算法“一次一密”，可以實(shí)現(xiàn)信息論安全的通信。
[0003]量子保密通信系統(tǒng)，又稱量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，在工作時(shí)通?？梢苑譃閮蓚€(gè)階段:量子通信階段和后處理階段。量子保密通信系統(tǒng)產(chǎn)生信息論安全密鑰的必要條件之一是量子保密通信后處理階段的經(jīng)典信道必須進(jìn)行信息論安全的認(rèn)證。否則，量子保密通信系統(tǒng)會面臨中間人攻擊等安全威脅。
[0004]現(xiàn)有量子保密通信系統(tǒng)中信息論安全認(rèn)證方法是基于強(qiáng)通用(Almost StronglyUniversal2, ASU2)哈希類函數(shù)構(gòu)建的Wegman-Carter認(rèn)證方法，簡稱WCA方法。對于高速實(shí)時(shí)量子保密通信系統(tǒng)，高效構(gòu)建八3%哈希函數(shù)并實(shí)現(xiàn)高速的信息論安全認(rèn)證是十分困難的。當(dāng)前，在實(shí)用的量子保密通信系統(tǒng)中使用最為廣泛的信息論安全認(rèn)證方法是先基于線性反饋移位寄存器(Linear Feedback Shift Register，LFSR)構(gòu)建￡~/\3112哈希函數(shù)，然后采用快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform, FFT)技術(shù)加速實(shí)現(xiàn)哈希函數(shù)與認(rèn)證消息的運(yùn)算過程。
[0005]現(xiàn)有信息論安全認(rèn)證消息生成技術(shù)存在兩個(gè)方面的問題:一是量子保密通信后處理系統(tǒng)的信道通常為經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)通道，通信雙方交互的消息均以字節(jié)為單位進(jìn)行處理。由于選用的哈希函數(shù)的特性問題，在對待認(rèn)證消息進(jìn)行哈希之前，需要進(jìn)行預(yù)處理，將其每字節(jié)中的每個(gè)比特轉(zhuǎn)化為數(shù)值為O或I的實(shí)數(shù)，這會給認(rèn)證方法帶來額外的時(shí)間開銷，降低認(rèn)證方法的性能；二是采用FFT技術(shù)加速實(shí)現(xiàn)哈希運(yùn)算過程時(shí)，由于FFT過程中包含大量的有限精度浮點(diǎn)運(yùn)算，可能出現(xiàn)轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤，從而降低認(rèn)證方法的可靠性。
[0006]因此，為了能夠滿足量子保密通信系統(tǒng)安全、實(shí)時(shí)高速生成安全密鑰的需求，設(shè)計(jì)高效快速的信息論安全認(rèn)證消息生成方法具有重要的意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題就在于:針對現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種可靠性好、速度快、性能好的用于量子保密通信的信息論安全快速認(rèn)證消息生成方法。
[0008]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0009]一種用于量子保密通信的信息論安全快速認(rèn)證消息生成方法，其步驟為:
[0010]S1:參數(shù)初始化；初始化認(rèn)證生成標(biāo)簽長度、LFSR結(jié)構(gòu)的初始狀態(tài)向量，計(jì)算信息論安全認(rèn)證消息長度I ;
[0011]S2:構(gòu)建ASU哈希函數(shù)；采用基于上述LFSR結(jié)構(gòu)的初始狀態(tài)向量所定義的LFSR結(jié)構(gòu)，生成的隨機(jī)數(shù)串構(gòu)建ASU哈希函數(shù)；
[0012]S3:待認(rèn)證消息規(guī)格化；
[0013]S4:哈希運(yùn)算；采用快速數(shù)論轉(zhuǎn)換技術(shù)，對待認(rèn)證消息規(guī)格化后得到的消息串M*和哈希函數(shù)h的哈希過程進(jìn)行加速運(yùn)算，取運(yùn)算結(jié)果的前β項(xiàng)組成向量R，R即生成的認(rèn)證標(biāo)簽信息；
[0014]S5:對步驟S4得到的認(rèn)證標(biāo)簽信息加密，得到最終安全認(rèn)證消息。
[0015]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn):所述步驟SI的具體流程為:
[0016]SlOl:選定有限域Zp;其中，P = ν2 λ+1，ν和λ為大于O的正整數(shù)，ρ為滿足[log2p]的單字節(jié)含有比特?cái)?shù)的整數(shù)倍的素?cái)?shù)；
[0017]S102:初始化認(rèn)證生成標(biāo)簽長度η = β [log2p]比特，其中β為大于等于I的正整數(shù)；
[0018]S103:初始化LFSR結(jié)構(gòu)的初始狀態(tài)向量；采用(2η+1)比特安全密鑰來初始化LFSR結(jié)構(gòu)的初始狀態(tài)向量s = [s0, S1,…，sn_J和反饋函數(shù)f，Si = 0/1，i = O, I,…，n_l，f e F，F(xiàn): {O, 1}η— {O, 1}；
[0019]S104:計(jì)算信息論安全認(rèn)證消息長度1，滿足I ( 2λ [log2p]比特。
[0020]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn):所述步驟S2的具體流程為:
[0021]S201:采用由初始狀態(tài)向量s和反饋函數(shù)f定義的LFSR結(jié)構(gòu)生成的隨機(jī)數(shù)串Si =[siu, siu+1,..., S(i+1)u_J，其中 i = 0，1，…，L-l，L = 2，u = [log2p]；
[0022]S202:采用隨機(jī)數(shù)串Si計(jì)算ASU哈希函數(shù)元素h i，滿足Iii= s Jt mod p，其中K =[2°, 2^-,2^1];構(gòu)建ASU哈希函數(shù)h中含有L個(gè)0到(ρ-1)之間的整數(shù)元素。
[0023]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn):所述步驟S3的具體流程為:
[0024]S301:將長度為I的待認(rèn)證消息串M通過補(bǔ)零操作擴(kuò)展為L[log2p]的比特串；
[0025]S302:將比特串均分成L份，規(guī)格化操作后的消息串M*中含有L個(gè)O到(p_l)之間的整數(shù)元素。
[0026]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn):所述步驟S4的具體流程為:
[0027]S401:計(jì)算規(guī)格化后的消息串M*與哈希函數(shù)h的卷積Y，Yi= M ^hi mod ρ ；
[0028]S402:對卷積結(jié)果Y進(jìn)行快速數(shù)論轉(zhuǎn)換操作，得到轉(zhuǎn)換結(jié)果R*，R* = FNT (Y)，F(xiàn)NT表示快速數(shù)論轉(zhuǎn)換；
[0029]S403:取R*前β項(xiàng)組成向量R，R即生成的認(rèn)證標(biāo)簽信息。
[0030]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn):所述步驟S5的具體過程為:采用一次一密技術(shù)，對認(rèn)證方法生成的標(biāo)簽信息R進(jìn)行加密，即將R與等長密鑰串進(jìn)行異或操作，得到最終安全認(rèn)證消息Tago
[0031]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0032]1、本發(fā)明的用于量子保密通信的信息論安全快速認(rèn)證消息生成方法，采用基于LFSR結(jié)構(gòu)構(gòu)建的有限域Zp內(nèi)的哈希函數(shù)，滿足ASU類哈希函數(shù)的性質(zhì)，與傳統(tǒng)方式中所選用的八5隊(duì)類哈希函數(shù)相比，更易于構(gòu)建高速的信息論安全認(rèn)證消息生成方法。
[0033]2、本發(fā)明的用于量子保密通信的信息論安全快速認(rèn)證消息生成方法，以字節(jié)整數(shù)倍為處理單位對待認(rèn)證消息進(jìn)行規(guī)格化處理，與傳統(tǒng)方式相比，可有效降低待認(rèn)證消息預(yù)處理的開銷，因此本發(fā)明具有更高的工作效率。
[0034]3、本發(fā)明的用于量子保密通信的信息論安全快速認(rèn)證消息生成方法，采用快速數(shù)論轉(zhuǎn)換技術(shù)加速有限域內(nèi)的哈希函數(shù)與待認(rèn)證消息的哈希運(yùn)算過程，與傳統(tǒng)方式中采用的FFT技術(shù)相比，可有效降低哈希運(yùn)算過程的計(jì)算復(fù)雜度，提高實(shí)現(xiàn)效率。因此，本發(fā)明具有更高的處理性能。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0035]圖1是本發(fā)明的流程示意圖。
[0036]圖2是本發(fā)明在具體應(yīng)用實(shí)例中構(gòu)建ASU哈希函數(shù)的示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0037]以下將結(jié)合說明書附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0038]如圖1所示，本發(fā)明的一種用于量子保密通信的信息論安全快速認(rèn)證消息生成方法，其步驟為:
[0039]S1:參數(shù)初始化。
[0040]SlOl:選定有限域Zp;其中，ρ = ν2 λ+1，ν和λ為大于O的正整數(shù)，ρ為滿足[log2p]的單字節(jié)含有比特?cái)?shù)的整數(shù)倍的素?cái)?shù)；
[0041]S102:初始化認(rèn)證生成標(biāo)簽長度η = β [log2p]比特，其中β為大于等于I的正整數(shù)；
[0042]S103:初始化LFSR結(jié)構(gòu)的初始狀態(tài)向量；采用(2η+1)比特安全密鑰來初始化LFSR結(jié)構(gòu)的初始狀態(tài)向量s = [s0, S1,…，sn_J和反饋函數(shù)f，Si = 0/1，i = O, I,…，n_l，f e F，F(xiàn): {O, 1}η— {O, 1}；
[0043]S104:計(jì)算信息論安全認(rèn)證消息長度1，滿足I ( 2λ [log2p]比特。
[0044]S2:構(gòu)建ASU哈希函數(shù)。采用由初始狀態(tài)向量s和反饋函數(shù)f定義的LFSR結(jié)構(gòu)生成的隨機(jī)數(shù)串構(gòu)建ASU哈希函數(shù)h，h中含有L個(gè)O到(ρ-1)之間的整數(shù)元素，其中L =2\
[0045]如圖2所示，在具體應(yīng)用實(shí)例中，其具體流程可以為:
[0046]S201:采用由初始狀態(tài)向量s和反饋函數(shù)f定義的LFSR結(jié)構(gòu)生成的隨機(jī)數(shù)串Si =[Siu，Siu+1>...，S(i+l)u-l ]，其中 i = 0，1，…，L-1, L = 2λ，u = [log2p]。
[0047]S202:采用隨機(jī)數(shù)串Si計(jì)算ASU哈希函數(shù)元素h i，滿足Iii= s iKT mod p，其中K =[2°, 2^-,2^10構(gòu)建ASU哈希函數(shù)h中含有L個(gè)0到(ρ-1)之間的整數(shù)元素。
[0048]S3:待認(rèn)證消息規(guī)格化。
[0049]S301:將長度為I的待認(rèn)證消息串M通過補(bǔ)零操作擴(kuò)展為L[log2p]的比特串。
[0050]S302:將比特串均分成L份，規(guī)格化操作后的消息串M*中含有L個(gè)O到(ρ-1)之間的整數(shù)元素。
[0051]S4:哈希運(yùn)算。
[0052]采用快速數(shù)論轉(zhuǎn)換技術(shù)，對消息串M*和哈希函數(shù)h的哈希過程進(jìn)行加速運(yùn)算，取運(yùn)算結(jié)果的前β項(xiàng)組成向量R，R即生成的認(rèn)證標(biāo)簽信息。
[0053]S401:計(jì)算規(guī)格化后的消息串M*與哈希函數(shù)h的卷積Y，Yi= M ^hi mod ρ ；
[0054]S402:對卷積結(jié)果Y進(jìn)行快速數(shù)論轉(zhuǎn)換操作，得到轉(zhuǎn)換結(jié)果R*，R* = FNT (Y)，F(xiàn)NT表示快速數(shù)論轉(zhuǎn)換；
[0055]S403:取R*前β項(xiàng)組成向量R，R即生成的認(rèn)證標(biāo)簽信息。
[0056]S5:認(rèn)證標(biāo)簽信息加密。
[0057]采用一次一密技術(shù)，對認(rèn)證方法生成的標(biāo)簽信息R進(jìn)行加密，即將R與等長密鑰串進(jìn)行異或操作，得到最終安全認(rèn)證消息Tag。
[0058]以上僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅局限于上述實(shí)施例，凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。應(yīng)當(dāng)指出，對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進(jìn)和潤飾，應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種用于量子保密通信的信息論安全快速認(rèn)證消息生成方法，其特征在于，步驟為: 51:參數(shù)初始化；初始化認(rèn)證生成標(biāo)簽長度、LFSR結(jié)構(gòu)的初始狀態(tài)向量，計(jì)算信息論安全認(rèn)證消息長度I ; 52:構(gòu)建ASU哈希函數(shù)；采用基于上述LFSR結(jié)構(gòu)的初始狀態(tài)向量所定義的LFSR結(jié)構(gòu)，生成的隨機(jī)數(shù)串構(gòu)建ASU哈希函數(shù)； 53:待認(rèn)證消息規(guī)格化； 54:哈希運(yùn)算；采用快速數(shù)論轉(zhuǎn)換技術(shù)，對待認(rèn)證消息規(guī)格化后得到的消息串M*和哈希函數(shù)h的哈希過程進(jìn)行加速運(yùn)算，取運(yùn)算結(jié)果的前β項(xiàng)組成向量R，R即生成的認(rèn)證標(biāo)簽信息； 55:對步驟S4得到的認(rèn)證標(biāo)簽信息加密，得到最終安全認(rèn)證消息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于量子保密通信的信息論安全快速認(rèn)證消息生成方法，其特征在于，所述步驟SI的具體流程為: 5101:選定有限域Zp;其中，P = ν2 λ+1，V和λ為大于O的正整數(shù)，P為滿足[1g2P]的單字節(jié)含有比特?cái)?shù)的整數(shù)倍的素?cái)?shù)； 5102:初始化認(rèn)證生成標(biāo)簽長度η = β [log2p]比特，其中β為大于等于I的正整數(shù)； 5103:初始化LFSR結(jié)構(gòu)的初始狀態(tài)向量；采用(2η+1)比特安全密鑰來初始化LFSR結(jié)構(gòu)的初始狀態(tài)向量S = [S。, S1,…，sn_J和反饋函數(shù)f，Si= 0/1，i = O, I,..., n-1, f e F，F(xiàn): {O, 1}η— {O, 1}； 5104:計(jì)算信息論安全認(rèn)證消息長度1，滿足I ( 2λ [log2p]比特。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于量子保密通信的信息論安全快速認(rèn)證消息生成方法，其特征在于，所述步驟S2的具體流程為: 5201:采用由初始狀態(tài)向量s和反饋函數(shù)f定義的LFSR結(jié)構(gòu)生成的隨機(jī)數(shù)串Si =[siu, siu+1,..., S(i+1)u_J，其中 i = O, 1，…，L-l，L = 2，u = [log2p]； 5202:采用隨機(jī)數(shù)串Si計(jì)算ASU哈希函數(shù)元素h i，滿足Iii= s Jt mod p，其中K =[2°, 2^-,2^1];構(gòu)建ASU哈希函數(shù)h中含有L個(gè)0到(p-Ι)之間的整數(shù)元素。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于量子保密通信的信息論安全快速認(rèn)證消息生成方法，其特征在于，所述步驟S3的具體流程為: 5301:將長度為I的待認(rèn)證消息串M通過補(bǔ)零操作擴(kuò)展為L[l0g2p]的比特串； 5302:將比特串均分成L份，規(guī)格化操作后的消息串M*中含有L個(gè)O到(p-Ι)之間的整數(shù)元素。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于量子保密通信的信息論安全快速認(rèn)證消息生成方法，其特征在于，所述步驟S4的具體流程為: 5401:計(jì)算規(guī)格化后的消息串M*與哈希函數(shù)h的卷積Y，Yi= M ^hi mod p ； 5402:對卷積結(jié)果Y進(jìn)行快速數(shù)論轉(zhuǎn)換操作，得到轉(zhuǎn)換結(jié)果R*，R* = FNT (Y)，F(xiàn)NT表示快速數(shù)論轉(zhuǎn)換； 5403:取R*前β項(xiàng)組成向量R，R即生成的認(rèn)證標(biāo)簽信息。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于量子保密通信的信息論安全快速認(rèn)證消息生成方法，其特征在于，所述步驟S5的具體過程為:采用一次一密技術(shù)，對認(rèn)證方法生成的標(biāo)簽信 息R進(jìn)行加密，即將R與等長密鑰串進(jìn)行異或操作，得到最終安全認(rèn)證消息Tag。
【文檔編號】H04L9/32GK104506312SQ201510025633
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2015年1月19日 優(yōu)先權(quán)日:2015年1月19日
【發(fā)明者】虞萬榮, 劉波, 吳純青, 趙寶康, 劉博 , 毛席龍, 馮振乾, 陳一驕, 鄧勁生 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)