在線導(dǎo)航模式隨機(jī)參數(shù)插入加密算法應(yīng)用研究＊

方秋水 楊敬鋒 李 勇 常振廷

（1.廣東嶺南通股份有限公司 廣州510110；2.廣州市公共交通數(shù)據(jù)管理中心 廣州510620；3.廣州地理研究所 廣州510070）

0 引 言

導(dǎo)航電子地圖的真實(shí)坐標(biāo)必須加密轉(zhuǎn)換成國家測繪局要求的加密坐標(biāo)才可以出版和發(fā)布，形成了以自主導(dǎo)航為代表的離線位置服務(wù)模式?，F(xiàn)有模式下導(dǎo)航電子地圖從測繪、審查、加密到發(fā)布需要耗費(fèi)至少半年時間，造成導(dǎo)航數(shù)據(jù)現(xiàn)勢性較差，實(shí)時交通等數(shù)據(jù)難以立即更新和發(fā)布到手持終端上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)未能滿足用戶對實(shí)時數(shù)據(jù)的要求。為適應(yīng)目前已經(jīng)逐步形成的在線導(dǎo)航新模式，同時保證國家安全，有學(xué)者提出了在線模式下的電子地圖坐標(biāo)加密算法，劉愛龍［1－2］等提出地圖數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)分發(fā)的混合加密算法和散列組合加密算法，將坐標(biāo)等數(shù)據(jù)與密鑰混合后傳輸，增加了數(shù)據(jù)的安全性；張姍姍［3］、Zheng Liangbini［4］研究了矢量地圖在異地傳輸?shù)臄?shù)據(jù)加密方法，并采用混合加密的方式來保證網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下矢量圖形數(shù)據(jù)的安全性；閔連權(quán)［5］、鐘尚平［6］等分別嘗試了基于混沌序列的數(shù)據(jù)加密算法，并在電子地圖網(wǎng)絡(luò)傳輸中使用；潘偉洲［7］等利用訓(xùn)練后的BP網(wǎng)絡(luò)來預(yù)測新的百度坐標(biāo)所對應(yīng)的GPS坐標(biāo)。這些前人的研究成果一定程度上促進(jìn)在線導(dǎo)航模式下加密算法的研究進(jìn)程，但這些算法存在需要耗費(fèi)大量運(yùn)算時間等問題，而對于要求電子地圖信息迅速更新的在線導(dǎo)航模式，往往難以滿足實(shí)際應(yīng)用的需求，為此，本文提出基于非對稱加密算法的在線導(dǎo)航應(yīng)用隨機(jī)參數(shù)插入加密算法，該算法具有計(jì)算量小、加密效率高、隱秘性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適用于數(shù)據(jù)更新和發(fā)布迅速的在線導(dǎo)航服務(wù)。

1 非對稱密碼算法（RSA）

非對稱密碼算法是目前公鑰密碼的國際標(biāo)準(zhǔn)，其基礎(chǔ)是數(shù)論的歐拉定理，安全性依賴于大數(shù)的因式分解的困難性［8－9］，其計(jì)算步驟為

1）選取2個素?cái)?shù)p和q，計(jì)算n＝pq。

2）計(jì)算φ（n）＝（p－1）（q－1），式中：φ（n）為歐拉函數(shù)。

3）隨機(jī)選取整數(shù)e，滿足gcd（e，φ（n））≡1，其中1＜e＜φ（n）。

4）求出能滿足ed≡1（modφ（n））的整數(shù)d，并且1＜d＜φ（n）。

通過歐幾里得算法的對數(shù)運(yùn)算，可求出整數(shù)d，進(jìn)而求取整數(shù)e。其中：e為公開值；d為非公開值。計(jì)算可得公開密鑰k＝（e，n）以及秘密密鑰k′＝（d，n）。明文m滿足0≤m≤n，則其加密算法為：c＝Ek（m）＝me（modn）；解密算法為：m＝Dk（Ek（m））＝cd（modn）其中加解密運(yùn)算速度取決于模冪運(yùn)算，安全性則取決于模n的素?cái)?shù)分解。

2 隨機(jī)參數(shù)插入算法

為避免智能手機(jī)等手持終端所安裝的防火墻等網(wǎng)絡(luò)安全工具對加密坐標(biāo)信息的攔截和竄改，保證在線導(dǎo)航應(yīng)用符合國家在電子地圖應(yīng)用相關(guān)規(guī)定的同時，滿足在線導(dǎo)航實(shí)際應(yīng)用中對坐標(biāo)信息通信隱秘性、準(zhǔn)確性和可靠性的需要，設(shè)計(jì)一種具有用戶針對性的隨機(jī)參數(shù)算法，使在線導(dǎo)航應(yīng)用中涉及國家安全的加密坐標(biāo)信息能準(zhǔn)確傳輸并進(jìn)行有效解密。

為了使嵌入的隱藏信息不容易被發(fā)覺，需要對待隱藏的信息進(jìn)行隨機(jī)化。隨機(jī)后的待隱藏信息無論是在信息的內(nèi)容還是信息的結(jié)構(gòu)上都消除了原有的特征。攻擊者就是提取出隱藏信息，也會因隱藏信息是一堆無法識別的亂碼而不能確認(rèn)是否存在隱藏通信，同時服務(wù)端也能夠發(fā)現(xiàn)隱藏信息是否遭受篡改［10－12］。

隨機(jī)參數(shù)的獲取方法是，在線導(dǎo)航服務(wù)器和移動終端之間共享一個密鑰種子S，在在線導(dǎo)航服務(wù)器向移動終端發(fā)送加密坐標(biāo)的同時通過隨機(jī)數(shù)函數(shù)R（x）生成隱藏的加密／解密密鑰K，其中K＝R（S）。為增加加密坐標(biāo)在傳輸和使用過程中的安全性，解密密鑰的使用必須與移動終端的注冊名相關(guān)，其結(jié)果是，手持終端每次使用在線導(dǎo)航服務(wù)請求時，將產(chǎn)生不同的隨機(jī)密鑰種子，在使用結(jié)束后，密鑰種子自動失效。

3 基于非對稱加密算法（RSA）的隨機(jī)參數(shù)插入算法

非對稱加密算法保證了加密坐標(biāo)信息的安全，而隨機(jī)參數(shù)算法則滿足了信息通信隱秘性、準(zhǔn)確性和可靠性的需要，將二者優(yōu)點(diǎn)的結(jié)合，在在線導(dǎo)航實(shí)際應(yīng)用中可滿足國家政策，并保證在線導(dǎo)航服務(wù)的快速、準(zhǔn)確與可靠。

基于RSA的隨機(jī)參數(shù)算法的流程見圖1：

圖1 基于RSA的隨機(jī)參數(shù)算法流程Fig.1 Process parameters based on RSA algorithm

信息點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)需要進(jìn)行坐標(biāo)加密從而變換成可進(jìn)行商業(yè)運(yùn)營的加密坐標(biāo)，并在進(jìn)行加密變換后將加密坐標(biāo)信息變換成符合RSA加密算法要求的數(shù)據(jù)格式；在手持終端請求在線導(dǎo)航服務(wù)時，在線導(dǎo)航服務(wù)器將以密文方式，發(fā)送經(jīng)過RSA加密的變換坐標(biāo)信息以及隨機(jī)加密信息，在與用戶名相關(guān)確認(rèn)后，手持終端可獲取加密坐標(biāo)，接受在線導(dǎo)航服務(wù)。

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

以HTC One X手持終端結(jié)合在線導(dǎo)航服務(wù)器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。需要說明的是，HTC One X是預(yù)裝Android操作系統(tǒng)的智能手機(jī)，其硬件帶有GPS模塊，支持與服務(wù)器之間以GPRS方式進(jìn)行通信，并在擴(kuò)展內(nèi)存卡上預(yù)裝基礎(chǔ)地圖。在線導(dǎo)航服務(wù)器可向應(yīng)用手持終端提供POI查詢與定位、位置共享、自駕路徑規(guī)劃等服務(wù)內(nèi)容。本文以自駕路徑規(guī)劃服務(wù)為例，通過對比RSA加密模式以及基于RSA的隨機(jī)參數(shù)插入加密模式在加／解密時間、安全性、誤碼擴(kuò)展性等方面進(jìn)行對比，說明本文提出的算法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表1是RSA加密模式以及基于RSA的隨機(jī)參數(shù)插入加密模式在HTC One X上選取相同起始點(diǎn)和終點(diǎn)的自駕路徑規(guī)劃的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其中在線導(dǎo)航應(yīng)用RSA加密模式以及基于RSA的隨機(jī)參數(shù)插入在線導(dǎo)航應(yīng)用加密模式則是在在線導(dǎo)航服務(wù)器支持下進(jìn)行的在線自駕路徑規(guī)劃服務(wù)，可支持實(shí)時路況下的導(dǎo)航服務(wù)。

表1 2種算法在自駕路徑規(guī)劃中的功能實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比Tab.1 Comparison of the experimental results between the two algorithms in the drive path planning function

由表1可見，2種模式都可以得到準(zhǔn)確的解密，基于RSA的隨機(jī)參數(shù)插入加密模式的加／解密時間明顯地要比RSA加密模式要長，但由于RSA加密模式并沒有與用戶注冊名進(jìn)行關(guān)聯(lián)，解密后坐標(biāo)信息實(shí)際上可以共用于不同用戶，而基于RSA的隨機(jī)參數(shù)插入加密模式由于采用的服務(wù)端與應(yīng)用端的共享密鑰種子，僅支持唯一的注冊用戶使用。

表2是RSA加密模式以及基于RSA的隨機(jī)參數(shù)插入加密模式在同一手持終端以及服務(wù)器上的安全性實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比。

表2 2種算法的安全性對比Tab.2 Safety comparison between the two algorithms

由于RSA加密模式的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)廣泛，其抗窮舉攻擊的能力在信息技術(shù)的飛速發(fā)展下已經(jīng)不斷被削弱，而基于RSA的隨機(jī)參數(shù)插入加密模式由于采用了與用戶名相關(guān)的隨機(jī)參數(shù)插入算法，使加密信息的隱秘性增強(qiáng)，抗窮舉攻擊能力得到了一定提升。

5 結(jié)束語

為保證電子地圖在應(yīng)用中的坐標(biāo)安全問題，同時滿足在線導(dǎo)航對實(shí)時信息的發(fā)布要求，本文提出了基于RSA的在線導(dǎo)航應(yīng)用隨機(jī)參數(shù)插入加密算法。該算法在利用經(jīng)典的RSA算法對坐標(biāo)信息進(jìn)行加密的同時，引入與用戶注冊名相關(guān)的隨機(jī)參數(shù)插入加密算法，手持終端每次使用在線導(dǎo)航服務(wù)請求時，將產(chǎn)生不同的隨機(jī)密鑰種子，增加了加密數(shù)據(jù)的隱秘性，提高了坐標(biāo)的抗窮舉攻擊能力，在實(shí)驗(yàn)中得到較好的結(jié)果。本文算法效率高、保密性好、簡單及具有較小的誤碼擴(kuò)散性的特點(diǎn)，能滿足于在線導(dǎo)航服務(wù)對坐標(biāo)信息安全保密的實(shí)際應(yīng)用需求。

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