一次一密与引子密钥研究

周鑫 姜明华

【摘要】 本论文作者以千年“密码”难题为切入点，以当代严酷的计算机网络安全问题为背景，以构造绝对不可破译的“密码”为主线，围绕一次一密与引子密钥展开讨论。通过对密码体制的深入研究，发现了一次一密悖论；为解决一次一密悖论问题，引入“引子密钥”生成器，并采集引子密钥进行随机性检测。检测结果随机性很好，适合构造不可破译密码系统。

【关键词】 一次一密 引子密钥 不可破译密码 量子破密机 随机性检测

一、引言

一道古老的“密码”难题，困扰人类几千年。从公元前一世纪古罗马凯撒大帝，到当代信息安全科学工作者，无不为“密码”而绞尽脑汁，费尽心机。在古代为国家存亡而研究密码；在现代为两次世界大战而研究密码；在当代为潜在的信息世界大战而研究密码。一句话，人类社会似乎与“密码”结下了不解之缘。

“密码”技术是实现信息安全的核心技术、关键技术，在保障信息机密性、完整性、可用性和支持渎职责任追究的可鉴别性、抗抵赖性等方面是不可或缺的技术。

二、现代密码系统的安全隐患

现代密码编码系统类型虽多（DES、AES、RSA、Rabin、ECC等等），不一而足，但几乎都存在不同程度这样或那样的安全隐患，对密码攻击防不胜防。现代密码攻击方法倒也不少（穷举攻击法、线性攻击法[1][2]、差分攻击法、滑动攻击法、侧信道攻击法等等），表面上看，好像无坚不摧，其实，就总体效果而言，缺乏足够计算能力和计算资源支撑的这些手段基本上都属于“小打小闹”，翻不起大浪。然而，有一种手段绝对不可等闲视之。请看：

2014年1月3日，美国国家安全局（NSA）宣布，正在研发一款用于破解密码技术的量子计算机（以下简称量子破密机），旨在破解几乎所有类型的加密技术。

众所周知，“穷举攻击法”是密码编码系统的克星。一般来说，只要对密钥空间进行遍历，任何密文都有被破译的一天。只是由于时效问题，有些密文破译失去意义，也就没人去破译罢了。但是，时效问题对于量子破密机而言，将不再是问题。因为量子破密机极其强大的并行计算能力，对现行密码系统实施攻击，将不费吹灰之力就能得手。然而，有一个例外，那就是一次一密密码体制（以下简称一次一密）。一次一密对于量子破密机，具有先天免疫力；对“穷举攻击法”具有与生俱来的抵抗力。就算宇宙间所有原子，个个都是一台量子破密机，也奈何不了它，破译不了它。

三、一次一密悖论的困惑

一次一密是绝对不可破译的密码体制，为业内人士所共识。然而百年来，一次一密还停留在理论证明层面上，没有大发展。这让人匪夷所思。经研究发现“一次一密悖论[3]”。只有解决了一次一密悖论问题，一次一密系统才能大发展。

为了解决一次一密悖论问题，引入“引子密钥”理论。“引子密钥”是一种无穷随机序列，是由引子密钥生成器生成的。其具有真随机数的一切特征：随机性、不可预测性、不可重现性。为了保证一次一密系统不可破译的特性，需要对“引子密钥”进行随机性检测。

四、引子密钥随机性检测

引子密钥随机性检测，采用美国国家标准与技术研究院发布的《Special Publication 800-22》统计检验包进行的。

检测采用STS 2.1.2版本，在windows平台下安装cygwin来实现。具体方法如下：采集引子密钥生成器生成的引子密钥长度为1 Gbit，提供给NIST Special Publication 800-22统计检验包检测。统计检验包将引子密钥分成样本数量1000，样本长度1Mbit的子密钥序列进行检测，因此对于每一项检测都会得到1000个p值，进一步采用统计学中的KolmogorovSmirnov（KS）检验方法来求得最终的p值。当p≥α时，认为该次检验通过；当p<α时，认为该次检验不通过（其中α为显著性水平，一般选择α=0.01）。特别的当p=1时，认为该序列为完美真随机序列；当p=0时，认为该序列为完全不随机序列。

五、检测结果综合分析

长度为1Gbit的引子密钥，经NIST Special Publication 800-22检测的STS检测结果图，如图所示。以下14项检测中，不包括离散傅里叶变换检测。因检测程序存在漏洞，故放弃检测，因此该项不予考察。

由STS检测结果图可以看出：一方面，引子密钥序列P值全部大于0.01，也就是说引子密钥序列，14项随机性检测结果全部“通过”检测；另一方面，通过率全部大于98.1%，表明通过率全部“通过”。综合分析检测结果表明：引子密钥随机性全部通过了检测，说明引子密钥随机性非常好，可以作为一次一密中密钥使用。

六、结论

一次一密中密钥必需是随机性非常好的密钥，引子密钥的随机性很好，适合用在一次一密系统中。因此，由引子密钥构成的一次一密系统，是不可破译密码系统。

参 考 文 献

[1] Matsui M， Yamagishi A. A new method for known plaintext attack of FEALcipher[C].In：Advances in Cryptology—Eurocrypt92. Berlin Heidelberg ：Springer， 1992.81-91.

[2] Matsui M. Linear cryptanalysis method for DES cipher[C].In：Advances in Cryptology—EUROCRYPT93. Berlin Heidelberg： Springer， 1993. 386-397.

[3]陈世清：用对称逻辑解悖 [EB/OL] http：//finance.takungpao.com/hgjj/q/2015/0708/3043893.html 2015-07-08.