动态电子密码系统

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本发明为利用电子计算机和信息编码技术实现的电子密码系 统。\n自1984年以来的十几年时间里，在计算机安全领域里的一个主 要发展方向就是动态密码安全系统。通过动态密码系统寻求他们合 法身份认证的计算机用户并不知道系统的访问密码值，他们可以记 住一部分所要求的密码，但剩下的部分只有从软件密码产生装置获 得。该装置每被使用一次就可产生并显示一个不同密码。但是，从 1999年4月26日在美国出版的《网络世界》杂志所披露出的消息 来看，进入实用化的阶段也才刚刚开始。\n最近几年，混沌系统开始被应用于保密通信领域，其中尤其是 混沌序列密码方法得到了大量的研究。混沌序列是一种非线性序列， 其结构复杂，难以分析和预测，可以提供具有良好随机性、相关性 和复杂性的拟随机序列，这些都是很有吸引力的特性，使其有可能 成为一种可实际被选用的流密码体制。混沌方法不仅产生的密码序 列表现出许多优良的密码学性能，它还能极大地简化传统序列密码 的设计过程，因此混沌密码学方法已被列入现代密码学的重要研究 前沿。尽管已有许多混沌加密方案被提出，如CN1116341A名为 “不可复制的软件‘混沌’保密卡”的发明专利，它由保密卡中的 可控混沌电路产生混沌信号，再将该信号映射为密码信号，通过I/O 电路送至计算机，从而实现对软件的加密，该保密卡与主机之间依 靠I/O口进行通信，不适合于网络保密。再如CN1116346A名为 “不可复制的电子混沌指纹保密方法”的发明专利，亦需要在主机 与子系统之间进行通信，不适合于网络保密。而且在上述方法中， 每位用户所使用的密码是不变的，但混沌密码学方法还未完全成熟。 因此，要想将混沌方法真正用于密码系统，必须采用更实用的混沌 技术。\n本发明的目的是提供一个动态电子密码系统，采用两个或两个 以上的变参数、互异混沌子系统的相互作用来产生混沌序列，再将 该序列经过不可逆的可变复合映射，实时产生系统的动态密码。在 主机端系统与用户卡之间按每使用一次或每隔一个预定的时间分别 产生一个新的电子密码，该动态电子密码有不可预测性，以达到反监 测的高度保密性。\n本发明的动态电子密码系统，包括主机端和用户端，主机端由计 算机系统构成，包括网络数据库、数据库管理系统和密码产生器；用 户端由单独的用户卡构成，包括输入键盘、振荡电路、显示器和实现 存贮器、比较器、密码产生器电路的现场可编程门阵列(FPGA)芯 片，其特征在于：\n(1)主机湍的密码产生器和用户卡FPGA芯片的密码产生器具 有完全相同的密码产生方式，它们都包括M套混沌子系统，各混沌 子系统的参数由其他混沌子系统的叠代值决定、并各自进行独立的混 沌映射，所产生的M个叠代值经过复合映射产生主机端系统密码Pn1 和用户端系统密码Pn，M≥2，为正整数；\n(2)在主机端为每个用户设立唯一的注册号和注册密码，并随 机产生(1)所述密码产生方式中各混沌子系统的初始叠代值x01，……， x0m和第一个混沌子系统的初始参数μ01，所述初始叠代值和初始参数 分别送入主机端和用户卡的密码产生器的存贮器；\n(3)随用户卡向用户提供用户密码，用户卡FPGA芯片的比较 器对FPGA芯片存贮器中的用户卡密码和用户卡键盘输入信息进行 比较，结果一致则启动FPGA芯片的密码产生器，产生当前用户卡系 统密码Pn并显示；\n(4)通过主机端输入装置输入用户注册号，当检测到其存在于 主机端网络数据库中时，启动密码产生器，产生当前主机端系统密码 Pn′。\n上述动态电子密码系统，其进一步的特征可以是：\n(1)主机端网络数据库针对每个用户设立身份证号、注册号、 注册密码以及当前系统密码Pn′；\n(2)主机端密码产生器包括密码存贮器，存贮与每个用户注册 号对应的各混沌子系统的当前迭代值xn-11…，xn-1m，第一个子混沌系统 的当前参数μn-11；\n(3)主机端数据库管理系统包括建立新用户进程、自动更新密 码进程和用户访问进程，其中：\nA、建立新用户进程产生注册号、注册密码、所述各混沌子系统 的初始叠代值和混沌子系统的初始参数，并存入网络数据库，\nB、自动更新密码进程由用户输入有效用户注册号启动，根据 网络数据库中的该注册号检索到其相应的密码存贮器中各混沌子系 统的当前迭代值xn-11…，xn-1m和混沌子系统1的当前参数μn-11，启动密 码产生器，形成各混沌子系统的迭代值和新的系统密码、将密码存 贮器和网络数据库中相应数据更新，\nC、用户访问进程由用户请求启动，根据用户输入的注册号查 询主机端网络数据库，获得与该注册号相应的当前系统密码Pn′，并 据此核对用户输入的系统密码Pn，以决定是否允许该用户进入。\n为进一步增中上述动态电子密码系统的功能，主机端网络数据 库中可以为每位用户增设用户卡密码输入错误记录Ck和系统密码输 入错误记录flag；主机端数据库管理系统中包括删除用户进程和加/ 解锁进程，删除用户进程和加/解锁进程均由操作员启动，分别对网 络数据库中的记录项进行删除和加/解锁操作。\n前述各种动态电子密码系统，一种方便的实现方式可以是：\n(1)主机端和用户卡的密码产生器各包括两套混沌子系统，密 码产生器启动后，混沌子系统1根据其当前迭代值xn-11和当前参数 μn-11进行叠代运算，得到新的叠代值xn1，\n(2)取叠代值xn1小数点后若干位，如10位，并取整得omn1， 将omn1与用户卡密码输入错误记录Ck相加得密码值mn1，\n(3)取omn1后若干位，如3位，查表取得混沌子系统2的参数 μn2，混沌子系统2根据其当前叠代值xn-12和μn2进行叠代运算，得到 新的叠代值xn2，\n(4)取xn2小数点后若干位，如10位，并取整得到密码值mn2， 取mn2后若干位，如3位，查表取得混沌子系统1的参数μn1，\n(5)用mn1和mn2做复合映射 $m_n\left(i\right)=m_n^1\left(m_n^2\left(i\right)\right)$ ，得到复合密码mn， 式中i＝0，1，…，系组成mn的第i位数的数位，\n(6)取mn的若干位数字，如第2位开始的6位，作为系统密 码，\n(7)将叠代值xn1、xn2、参数μn1和Ck值存入密码存贮器。\n上述各种动态电子密码系统，主机端的密码产生器既可以由软 件实现，也可以采用FPGA系统实现。\n本发明的动态电子密码系统采用了多个变参数、互异混沌子系 统的相互作用产生混沌序列，再经过复合映射产生系统的动态密码， 具有极高的不可预测性；主机端和用户端的密码产生器具有完全相 同的密码产生方式，主机端和用户端只有初始化时进行通信，极大地 提高了系统的保密性，用户卡硬件系统体积小，重量轻，便于携带、 价格低廉、使用方便，可广泛应用于银行、证券、保险、网络通讯和 电子锁等商业领域和信息交换领域。\n图1为实现本发明的主机端网络数据库和数据库管理系统框图。\n图2为本发明用户卡硬件框图。\n图3为本发明的一种密码产生器密码产生算法框图。\n表1为可变复合映射的一个例子。\n本发明的主机端可以由软件实现，包括输入接口、密码产生器、 密码认证、输出接口、网络数据库和数据库管理系统等部分。主机端 主要运用ASP技术制作网页、PWS软件建立Web服务器、VC++开 发密码产生器和数据库管理系统。\n图1中数据库管理系统包括自动更新密码进程1、建立新用户进 程2、删除用户进程3、加/解锁进程4和用户访问进程5等部分。其 中，自动更新密码进程由用户有效访问请求(或主机定时器)启动； 建立新用户进程、删除用户进程和加/解锁进程由主机操作员启动； 用户访问进程由用户请示启动；如果用户选择使用一次，密码修改一 次的方式，则可以省去定时器；网络数据库6包括如下记录项：\n身份证号、注册号、注册密码、Ck(用户在用户卡上连续三次错 误输入用户卡密码的记录)、flag(用户在主机系统输入端连续三次错 误输入主机系统密码的记录，并且当flag≥3时主机系统锁定)和当 前系统密码等数据项。\n主机端的密码产生器存储有如下两部分信息：\n1.与每一用户对应的信息：注册号、互异混沌系统的当前初值 xn1，xn2(或称为主密码)，混沌系统1的当前参数μn′(浮点型)。\n2.所有注册用户所共享的信息与混沌系统1、2相对应的混沌系 统参数表Lu1，Lu2，(浮点型)。\n图2所示的用户端(用户卡)由硬件实现，包括输入接口7(如 触摸键盘等)、振荡电路8、FPGA芯片9和输出接口10(如液晶显 示器等)。用户端密码及认证、密码产生器、存储器等电路部分全部 由XILINX公司的FPGA芯片XC4052XL-PG411C实现，FPGA的 开发采用带有LogiCORE DSP库的Foundation标准系统，输入接口 采用珠海天亿计算机设备厂MS系列的按键，输出接口采有EPSON 电子有限公司点阵式液晶显示模块ECM-A0861(128×32)。\n用户卡内的密码产生器除存储有上述主机端系统密码产生器存 储的信息之外，还存储有如下信息：\n1.在用户卡上连续输入错误的用户卡密码的次数f；\n2.与主机端系统中的数据库相对应的信息Ck；\n3.用户卡密码。\n主机端系统与用户卡的核心部分，即密码产生器，采用相同的 算法，其算法框图(以下称为密码产生算法)如图3所示。\n密码产生算法步骤如下：\n1.从存储器中读取两个混沌子系统的叠代值xn-11、xn-12和混沌 子系统1的参数μn-11；\n2.对混沌子系统1进行叠代运算，得xn1；\n3.取叠代值xn1小数点后10位，并取整得omn1；\n4.将omn1与参数值Ck相加得mn1，同时取omn1后3位，查表取得 混沌子系统2的参数μn2；\n5.对混沌子系统2进行叠代运算，得xn2；\n6.取叠代值xn2小数点后10位，并取整得mn2；\n7.用两混沌子系统取整后的值mn1和mn2做复合映射 $m_n\left(i\right)=m_n^1\left(m_n^2\left(i\right)\right),$ i＝0，1，…9(表1给出了一个实例)，得到mn(10位)；\n8.有mn2后3位查表取得系统1的参数值μn1；\n9.取mn第2位开始的6位，作为系统密码；\n10.将两混沌系统的迭代值xn1、xn2及混沌系统1的参数μn1和Ck 值存入存储器。\n表1给出复合映射的一个例子，这里mn1＝8437249510， mn2＝2348544900，记i为10位数的第i位，i＝0，1，…，9，则 $m_n\left(3\right)=m_n^1\left(m_n^2\left(3\right)\right)$ $=m_n^1\left(8\right)$ ＝1 $m_n\left(5\right)=m_n^1\left(m_n^2\left(5\right)\right)$ $=m_n^1\left(4\right)$ ＝2\n故mn＝3721422088。\n系统运行步骤如下：\n1.用户通过用户卡上的键盘输入用户卡密码。若认证通过，用 户卡将显示系统当前密码Pn；否则，要求重新输入用户端密码，如 果连续三次输入错误密码，用户卡会被“锁定”并退出系统。此后， 当被锁定用户卡的用户通过其用户注册号和注册密码向主机端系统 管理员提出“解锁”请求，并被确认为合法用户后，用户卡即可被 自动“解锁”。\n2.用户通过主机端系统的用户输入装置(包括远程输入装置) 输入用户的注册号(例如键盘输入、磁卡输入或电话输入等方式)。 当输入注册号为已注册的有效注册号时，主机端系统的输出终端将 提示用户输入系统密码；否则，要求重新输入注册号，如果连续三 次输入无效账号，则会退出系统。\n3.主机端系统的密码产生器根据注册号检索到的相应信息xn1、 xn2(混沌函数的当前迭代值)和μn1(混沌函数1的当前参数)产生 系统当前密码Pn′，并将其存入网络数据库中的相应存储单元。\n4.用户在主机端系统的用户输入装置上，输入显示在用户卡上 的系统当前密码Pn。\n5.主机端系统接收到密码Pn后，将其与密码Pn′进行比较，如果 Pn＝Pn′，则容许当前访问用户进入主机系统；否则，则要求重新输入 密码Pn，如果连续三次输入与Pn′不一致的密码，则在主机端系统中 锁定该注册号，并退出系统。与第1条相同，被锁定账户的只有通 过用户注册号和注册密码向主机端系统管理人员请求“解锁”，并被 确认为合法用户后，该账号才可解锁。\n6.用户通过用户卡上的键盘连续输入“1、1、1”并确认，用 户卡被告知此次操作有效，保留在用户卡内已修改的内部状态信息， 成功退出；若不成功，则连续输入“0、0、0”并确认。此时，用户 卡被告知此次操作无效，保留在用户卡内未修改的内部状态信息。