基于指紋特征與隨機碼結(jié)合的數(shù)字信息加密系統(tǒng)設(shè)計

曾慧宏

【摘要】 本文在分析現(xiàn)有數(shù)字信息系統(tǒng)加密技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對用戶需求，設(shè)計了一套基于指紋特征的數(shù)字信息加密系統(tǒng)，并采用“隨機碼”技術(shù)實現(xiàn)“一次一密”的加密算法，進一步提高了系統(tǒng)的安全性。文章詳細(xì)論述了系統(tǒng)組成和加密算法，分析了其功能、性能特點，并對其應(yīng)用前景進行了討論。

【關(guān)鍵詞】 指紋特征 隨機碼 數(shù)字信息加密系統(tǒng)

一、概述

信息加密技術(shù)就是通過密碼算術(shù)對數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)化，使之成為沒有正確密鑰任何人都無法讀懂的報文。在數(shù)字信息系統(tǒng)中可利用計算機執(zhí)行加密算法，改變負(fù)載信息的數(shù)碼結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)對原有信息的保護[1]。

現(xiàn)行的許多計算機系統(tǒng)中，包括許多非常機密的系統(tǒng)，都是使用“用戶ID+密碼”的方法來進行用戶的身份認(rèn)證和訪問控制的。存在密碼丟失、密碼被盜取、密碼被破解等安全隱患。由于人體的身體特征具有不可復(fù)制的特點，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，人們把目光轉(zhuǎn)向了生物識別技術(shù)，希望可以籍此技術(shù)來應(yīng)付現(xiàn)行系統(tǒng)安全所面臨的的挑戰(zhàn)，其中的指紋識別技術(shù)更是生物識別技術(shù)的熱點[2]。自上世紀(jì)60年代起，指紋識別技術(shù)在考勤機、電子鎖、汽車安全、設(shè)備操控管理、 IC卡、網(wǎng)上銀行等信息技術(shù)領(lǐng)域獲得越來越廣泛的應(yīng)用。

在筆者主持研制的一款專網(wǎng)用戶終端項目中，用戶要求對終端上保存的重要信息，如通話記錄、電話簿、錄音文件等進行加密存儲。在綜合比較業(yè)內(nèi)成熟的信息加密技術(shù)后，筆者設(shè)計了一套基于指紋特征的數(shù)字信息加密系統(tǒng)，并在加密時采用“隨機碼”技術(shù)產(chǎn)生隨機密鑰，進一步提高了系統(tǒng)的安全性。

二、系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)中集成了USB接口指紋采集模塊，模塊可采集并儲存用戶指紋特征值（指紋模板）作為其登陸和使用設(shè)備重要功能的憑證。故采用采用基于生物特征（用戶指紋）的信息安全加密方案，用指紋特征值作為加密密鑰。

系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。指紋采集模塊負(fù)責(zé)采集和存儲用戶指紋，加密系統(tǒng)需要時，可返回存儲的指紋特征值。加密系統(tǒng)運行在用戶終端上，通過自帶加密算法實現(xiàn)對用戶機文件及重要信息的加密保護。其他應(yīng)用系統(tǒng)需要使用被保護的用戶數(shù)據(jù)時，需要通過信息加密系統(tǒng)的指紋認(rèn)證后獲得被原始數(shù)據(jù)。

2.2 加解密流程設(shè)計

密鑰選用用戶存儲的第一個指紋模板（512字節(jié)）。由于設(shè)備的密鑰保存環(huán)境是相對安全的，為保證算法效率，采用簡單、效率高的按位異變換算法。

系統(tǒng)對文件的加解密過程見圖2和圖3。

“隨機碼”技術(shù)一般應(yīng)用于“私有密鑰”加密體制中，設(shè)計目的是增加以統(tǒng)計分析方法破解的難度，或者在多次利用同一密鑰加密時，盡可能產(chǎn)生不同的密文，以防止密鑰被竊取導(dǎo)致“一破全破”的后果。

在本系統(tǒng)中，可選擇采用“指紋特征值+隨機碼”作為密鑰，替代原有以指紋特征值作為密鑰的方式，但加、解密流程與算法不變。技術(shù)難點在于在解密過程中，必須準(zhǔn)確獲得加密時的產(chǎn)生的隨機密鑰。

3.2 加密算法設(shè)計

指紋特征值為512字節(jié)，隨機密鑰也定長為512字節(jié)。當(dāng)明文（待加密信息）大于512字節(jié)時，每次取512字節(jié)與密鑰進行異或，產(chǎn)生密文。

設(shè)第i次加密時，隨機密鑰為Ki[j]，則

Ki[j] = （C[j] + Ri+1）% 256

其中，j=0，1，……511，C[j]為第j個字節(jié)的指紋特征值

Ri+1為一偽隨機數(shù)列：

Ri = Ri-1+Ri-2

其值由迭代過程開始給定的兩個種子（初值）R0和R1，以及迭代次數(shù)決定。

采用該種隨機密鑰方式進行加密的優(yōu)點：

每加密512字節(jié)信息，使用的密鑰均不相同，大大降低了利用頻度統(tǒng)計分析方法進行破解的可能性；

如果能動態(tài)給定隨機數(shù)量Ri的初值R0及R1，可保證每次加密不同文件使用不同的密鑰，防止用戶指紋特征值丟失而導(dǎo)致所有加密文件被破解的后果；

加解密算法簡單、可逆，適合大數(shù)據(jù)量、實時加解密。

3.3 偽隨機數(shù)列初值設(shè)定策略

策略1：以待加密文件的首、尾兩個字節(jié)作為R0、R1的值；加密時，首、尾兩個字節(jié)不加密，以保證解密程序能正確獲得偽隨機數(shù)列的初值。

該策略的優(yōu)點是密鑰與文件內(nèi)容有關(guān)，對大多數(shù)文件可以做到“一次一密”。但是對某類首尾均有固定格式的文件，密鑰完全相同。

策略2：以加密時的日期、時間作為R0、R1的值；加密后，把這兩個值添加到密文文件的末尾。

該策略優(yōu)點的如果用戶不改變系統(tǒng)時間，可以做到“一次一密”；但文件長度被改變，在一定程度上為破解留下提示信息。

四、結(jié)論與展望

本文提出的基于指紋特指和隨機碼結(jié)合的數(shù)字信息加密系統(tǒng)是一種將生物特征數(shù)據(jù)和密鑰結(jié)合起來的生物特征加密技術(shù)。它結(jié)合了生物特征識別技術(shù)與密碼技術(shù)的優(yōu)勢，并實現(xiàn)了每次加密均使用不同的密鑰，進一步提高了信息安全性。目前該系統(tǒng)已通過用戶驗收并投入使用。

基于項目研制周期和算法效率的考慮，系統(tǒng)中的加密算法采用了較為簡單的算法，后續(xù)若需要進一步加強加密安全性，可考慮使用DES、IDEA、RC5[3]等業(yè)內(nèi)著名加密算法進行替換。

參考文獻

[1]付永鋼等，計算機信息安全技術(shù)[M]，清華大學(xué)出版社，2012.3

[2]楊海軍，江學(xué)峰，梁德群，結(jié)合脊和谷信息的指紋細(xì)節(jié)特指提取方法[J]，計算機應(yīng)用，2000.5

[3]吳飪鋒，網(wǎng)絡(luò)安全中的密碼技術(shù)研究及其應(yīng)用[J].真空電子技術(shù)，2004，（6）