一种基于LDPC码的安全可靠传输方法技术

本发明专利技术属于信道编码和加密领域，尤其涉及基于LDPC码的编码和加密融合设计。本发明专利技术针对M对称密码体制密钥开销大以及存在安全漏洞的缺点，提出了一种基于LDPC码的安全可靠传输方法，该方法的加密纠错矩阵通过大的随机数种子N控制产生，接收双方根据相同的种子，基于线性同余同步产生相同的置换矩阵和校验矩阵，在每次通信时，使加密编码矩阵同步变化，达到一次一密，减少密钥开销的同时，可以保证系统的安全性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于LDPC码的安全可靠传输方法
本专利技术属于信道编码和加密领域，尤其涉及基于LDPC码的编码和加密融合设计。
技术介绍
为了实现保密通信的有效性，提高传输数据的可靠性与安全性，1976年Diffie和Hellman提出了公开密钥的新概念，打破了传统密码学的很多旧思想，使密码体制的安全性建立在某个难解的数学问题之上，即NPC问题之上。1978年，E.R.Berkekamp,R.J.McEliece和H.C.A.vanTilborg证明了纠错码中一般线性分组码的译码问题是一个NPC问题。这两项成果建立起了纠错码和密码学相结合的理论基础。由此，McEliece提出了McEliece公钥体制(又称M公钥体制)，是首个基于纠错码的公钥加密算法，它可以用一次编码达到加密和纠错两个目的，算法仅涉及矩阵运算，执行速度快，处理效率高，打破了传统通信系统中先加密，后编码的信息处理形式。但是，M公钥体制存在明显的缺陷：其公私钥长度较大导致密钥开销大、M公钥体制的信息速率低、M公钥体制没有考虑有扰信道的情况。这些缺点阻止了M公钥体制的大范围实际应用。近年来，为了减少M公钥体制的公钥长度，研究者相继提出了很多变形方案，其基本思想是利用具有紧致生成矩阵或校验矩阵的码代替原来的Goppa码，并且保持原有方案的安全性。例如采用RM码，LDPC码，RS码和QC-LDPC码等，但最终大多被发现存在安全漏洞。另外，考虑到实际中大多数信道都是有扰信道的情况，王新梅对M公钥体制进行修正，使其具有一定的纠错或检测能力，并把这种修正的M公钥体制成为Ms公钥体制。但是这种修改还是牺牲了纠错码的纠错性能，在使用时需要根据实际情况设计Ms公钥体制中的错误向量。于是，研究者开始尝试将M公钥体制转化为单钥密码体制，以保证加密的同时不牺牲系统的纠错能力。1984年，Rao提出了基于M公钥体制的将加密和纠错相结合的分组加密纠错体制，又被称为M对称密码体制，但密钥开销大依旧是该方案的弱点，而且后续研究证明该方案可以被一些选择明文攻击攻破。因此，有必要对M对称密码体制进行改进，进一步降低密钥开销和系统的安全性。借助于线性同余的思想，用大的随机整数N控制通信双方产生置换矩阵和校验矩阵。假设a,b,M是线性同余产生器设定的常数，分别称为乘数、增量和模数，N0为产生器的初始值。则线性同余方法得到的序列可以达到最大周期M的5个条件为：①M与b互质；②M的所有质因子的积能整除a-1；③若M是4的倍数，则a-1也应该是4的倍数；④a,b,N0都比M小；⑤a,b都是正整数。
技术实现思路
本专利技术针对M对称密码体制密钥开销大以及存在安全漏洞的缺点，提出了基于LDPC码的安全可靠传输方法。该方法的加密纠错矩阵通过大的随机数种子N控制产生，接收双方根据相同的种子，基于线性同余同步产生相同的置换矩阵和校验矩阵，在每次通信时，使加密编码矩阵同步变化，达到一次一密，减少密钥开销的同时，可以保证系统的安全性。本专利技术的技术方案为：基于传统的M对称加密体制的纠错加密方法，提出了基于LDPC码的安全可靠传输方法。方案中的密钥减少为：随机选取的密集可逆矩阵S、随机整数N，线性同余整数参数a，b，M，大大降低了密钥开销。接收双方根据相同的种子，基于线性同余，通过大的随机数种子N控制校验矩阵H和置换矩阵Q的变化产生。每次通信时，加密矩阵都发生变化，可以达到理论上的一次一密，提高系统安全性。一种基于LDPC码的安全可靠传输方法，包括如下步骤：S1、密钥选取，具体包括如下步骤：S11、通信双方统一选取一个正整数M作为线性同余递推公式的模数，其中，M等于将要构造产生的LDPC码的码长；S12、根据线性同余方法达到最大周期的条件，选择乘数a和增量b,并将选好的a，b作为密钥分发给通信的收发两方，其中，a为正整数，b为正整数；S13、随机选取一个大的正整数N，作为密钥分发到通信双方；S14、收发双方根据S13所述N，计算N0＝NmodM，得到初始值N0；S15、收发双方根据线性同余产生器的递推公式Ni+1＝a·Ni+b(modM)，计算得到长度为M的整数序列s＝(N0,N1,N2,…,Ni,...,NM-1)，其中，i＝0,1,2,…,M-1，Ni＝0,1,2,…,M-1，M与b互质，M的所有质因子的积能整除a-1，若M是4的倍数，则a-1也应该是4的倍数，a＜M，b＜M，N0＜M；S16、随机选择一个密集的可逆矩阵S作为密钥分发给通信双方，其中，所述S为k×k阶的密集可逆矩阵，k为正整数；S2、通信双方每次通信时同步得到置换矩阵Q，其中，置换矩阵Q为n×n阶的置换矩阵，n为正整数，n≠k，具体为：S21、根据S15所述整数序列s，确定初始置换矩阵Q'，即初始置换矩阵Q'根据序列l＝(l1,l2,l3,…,li,...,lM)唯一确定，li+1＝Ni+1，则置换矩阵Q'第i行的非零元位置为li；S22、通信双方对置换矩阵Q做同步变化，所述置换矩阵Q由S15所述整数序列s唯一确定，收发双方每次通信时，采用采用邻位对换法对序列s重新排列，得到新的序列s'，根据所述s'确定新的置换矩阵Q”，使用Q”进行下次通信的加解操作，所述置换矩阵Q根据S21所述初始置换矩阵Q'进行邻位对换法得到，即对已知的序列l以非递归的方式，得到所述序列l的全排序列，其中，长度为M的序列s，根据邻位对换，共有M！种不同的序列，对应M！种不同的置换矩阵Q”；S3、通信双方每次通信时同步得到检验矩阵H，其中，检验矩阵H是k×n阶基于RDF的LDPC码的校验矩阵，具体为：S31、基于RDF构造LDPC码，对于一个整数模p，集合和两个值所述整数模p的差定义为：设奇偶校验矩阵为集合B由n0个基块组成，即码率为R＝(n0-1)/n0，所述奇偶校验矩阵H由集合B形成，每个基块Bi都是的一个子集，且Bi包含着Hi的第一行中非零元的位置，即基块Bi包含变量x在与Hi相关的多项式中的指数，其中，dij表示大小为dv的第i个基块Bi的第j个元素，dv为奇偶校验矩阵H的列重，dc＝n0·dv为奇偶校验矩阵H的行重，每个基块Bi必须包含dv个不同的元素，产生dv·(dv-1)个差，n0为正整数，表示两个值整数模p得到的差值，i∈[0,n0-1]，奇偶校验矩阵H对应的生成矩阵所述生成矩阵G可生成一类QC-LDPC码；S32、通信双方基于线性同余，对S31所述奇偶校验矩阵H做同步变化，具体为：步骤A、S31所述奇偶校验矩阵由集合唯一确定，Bi包含着Hi第一行中非零元的位置，所述Bi中的每个元素的确定方法是：随机地从集合c＝{1,2,3,…,q}中选择一个值，其中，q(前面已经是整数模了，这个地方必须换一个字母，后面公式也需要换)为循环块的长度，验证该值是否满公式若满足则保留该值，否则再简单地重复该步骤，直到找出满足条件的基组再根据基组构造QC-LDPC码的校验矩阵步骤B、奇偶校验矩阵H由每次从集合c中选取的元素确定，Bi中元素的确定方法是：从序列c'＝(c0,c1,c2,…cq-1)中的第一个元素开始依次选取，其中，ci,i＝0,1,2,…,q-1，验证选取的值是否满足公式满足则保留，否则取序列c′中下一个值，继续验证是否满足公式依次类推，直到找出满足条件的基本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于LDPC码的安全可靠传输方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、密钥选取，具体包括如下步骤：S11、通信双方统一选取一个正整数M作为线性同余递推公式的模数，其中，M等于将要构造产生的LDPC码的码长；S12、根据线性同余方法达到最大周期的条件，选择乘数a和增量b,并将选好的a，b作为密钥分发给通信的收发两方，其中，a为正整数，b为正整数；S13、随机选取一个大的正整数N，作为密钥分发到通信双方；S14、收发双方根据S13所述N，计算N0＝NmodM，得到初始值N0；S15、收发双方根据线性同余产生器的递推公式Ni+1＝a·Ni+b(modM)，计算得到长度为M的整数序列s＝(N0,N1,N2,…,Ni,...,NM‑1)，其中，i＝0,1,2,…,M‑1，Ni＝0,1,2,…,M‑1，M与b互质，M的所有质因子的积能整除a‑1，若M是4的倍数，则a‑1也应该是4的倍数，a＜M，b＜M，N0＜M；S16、随机选择一个密集的可逆矩阵S作为密钥分发给通信双方，其中，所述S为k×k阶的密集可逆矩阵，k为正整数；S2、通信双方每次通信时同步得到置换矩阵Q，其中，置换矩阵Q为n×n阶的置换矩阵，n为正整数，n≠k，具体为：S21、根据S15所述整数序列s，确定初始置换矩阵Q'，即初始置换矩阵Q'根据序列l＝(l1,l2,l3,…,li,...,lM)唯一确定，li+1＝Ni+1，则置换矩阵Q'第i行的非零元位置为li；S22、通信双方对置换矩阵Q做同步变化，所述置换矩阵Q由S15所述整数序列s唯一确定，收发双方每次通信时，采用采用邻位对换法对序列s重新排列，得到新的序列s'，根据所述s'确定新的置换矩阵Q”，使用Q”进行下次通信的加解操作，所述置换矩阵Q根据S21所述初始置换矩阵Q'进行邻位对换法得到，即对已知的序列l以非递归的方式，得到所述序列l的全排序列，其中，长度为M的序列s，根据邻位对换，共有M！种不同的序列，对应M！种不同的置换矩阵Q”；S3、通信双方每次通信时同步得到检验矩阵H，其中，检验矩阵H是k×n阶基于RDF的LDPC码的校验矩阵，具体为：S31、基于RDF构造LDPC码，对于一个整数模p，集合...

【技术特征摘要】
1.一种基于LDPC码的安全可靠传输方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、密钥选取，具体包括如下步骤：S11、通信双方统一选取一个正整数M作为线性同余递推公式的模数，其中，M等于将要构造产生的LDPC码的码长；S12、根据线性同余方法达到最大周期的条件，选择乘数a和增量b,并将选好的a，b作为密钥分发给通信的收发两方，其中，a为正整数，b为正整数；S13、随机选取一个大的正整数N，作为密钥分发到通信双方；S14、收发双方根据S13所述N，计算N0＝NmodM，得到初始值N0；S15、收发双方根据线性同余产生器的递推公式Ni+1＝a·Ni+b(modM)，计算得到长度为M的整数序列s＝(N0,N1,N2,…,Ni,...,NM-1)，其中，i＝0,1,2,…,M-1，Ni＝0,1,2,…,M-1，M与b互质，M的所有质因子的积能整除a-1，若M是4的倍数，则a-1也应该是4的倍数，a＜M，b＜M，N0＜M；S16、随机选择一个密集的可逆矩阵S作为密钥分发给通信双方，其中，所述S为k×k阶的密集可逆矩阵，k为正整数；S2、通信双方每次通信时同步得到置换矩阵Q，其中，置换矩阵Q为n×n阶的置换矩阵，n为正整数，n≠k，具体为：S21、根据S15所述整数序列s，确定初始置换矩阵Q'，即初始置换矩阵Q'根据序列l＝(l1,l2,l3,…,li,...,lM)唯一确定，li+1＝Ni+1，则置换矩阵Q'第i行的非零元位置为li；S22、通信双方对置换矩阵Q做同步变化，所述置换矩阵Q由S15所述整数序列s唯一确定，收发双方每次通信时，采用采用邻位对换法对序列s重新排列，得到新的序列s'，根据所述s'确定新的置换矩阵Q”，使用Q”进行下次通信的加解操作，所述置换矩阵Q根据S21所述初始置换矩阵Q'进行邻位对换法得到，即对已知的序列l以非递归的方式，得到所述序列l的全排序列，其中，长度为M的序列s，根据邻位对换，共有M！种不同的序列，对应M！种不同的置换矩阵Q”；S3、通信双方每次通信时同步得到检验矩阵H，其中，检验矩阵H是k×n阶基于RDF的LDPC码的校验矩阵，具体为：S31、基于RDF构造LDPC码，对于一个整数模p，集合和两个值x,所述整数模p的差定义为：设奇偶校验矩阵为集合B由n0个基块组成，即码率为R＝(n0-1)/n0，所述奇偶校验矩阵H由集合B形成，每个基块Bi都是的一个子集，且Bi包含着Hi的第...

【专利技术属性】
技术研发人员：任亚军，史治平，张俊详，
申请(专利权)人：电子科技大学，中国电子科技集团公司第五十四研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51