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)布需要耗費至少半年時間，造成導(dǎo)航數(shù)據(jù)現(xiàn)勢性較差，實時交通等數(shù)據(jù)難以立即更新和發(fā)布到手持終端上，遠遠未能滿足用戶對實時數(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在線導(dǎo)航模式下加密算法的研究進程，但這些算法存在需要耗費大量運算時間等問題，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)用隨機參數(shù)插入加密算法，該算法具有計算量小、加密效率高、隱秘性強等優(yōu)點，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，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］，其計算步驟為

1）選取2個素數(shù)p和q，計算n＝pq。

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

3）隨機選取整數(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)運算，可求出整數(shù)d，進而求取整數(shù)e。其中：e為公開值；d為非公開值。計算可得公開密鑰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）其中加解密運算速度取決于模冪運算，安全性則取決于模n的素數(shù)分解。

2 隨機參數(shù)插入算法

為避免智能手機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)航實際應(yīng)用中對坐標(biāo)信息通信隱秘性、準確性和可靠性的需要，設(shè)計一種具有用戶針對性的隨機參數(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)信息能準確傳輸并進行有效解密。

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行隨機化。隨機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，而隨機參數(shù)算法則滿足了信息通信隱秘性、準確性和可靠性的需要，將二者優(yōu)點的結(jié)合，在在線導(dǎo)航實際應(yīng)用中可滿足國家政策，并保證在線導(dǎo)航服務(wù)的快速、準確與可靠。

基于RSA的隨機參數(shù)算法的流程見圖1：

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

信息點的實際坐標(biāo)需要進行坐標(biāo)加密從而變換成可進行商業(yè)運營的加密坐標(biāo)，并在進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)信息以及隨機加密信息，在與用戶名相關(guān)確認后，手持終端可獲取加密坐標(biāo)，接受在線導(dǎo)航服務(wù)。

4 實驗及結(jié)果

以HTC One X手持終端結(jié)合在線導(dǎo)航服務(wù)器進行實驗。需要說明的是，HTC One X是預(yù)裝Android操作系統(tǒng)的智能手機，其硬件帶有GPS模塊，支持與服務(wù)器之間以GPRS方式進行通信，并在擴展內(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的隨機參數(shù)插入加密模式在加／解密時間、安全性、誤碼擴展性等方面進行對比，說明本文提出的算法的實驗結(jié)果。

表1是RSA加密模式以及基于RSA的隨機參數(shù)插入加密模式在HTC One X上選取相同起始點和終點的自駕路徑規(guī)劃的實驗結(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)器支持下進行的在線自駕路徑規(guī)劃服務(wù)，可支持實時路況下的導(dǎo)航服務(wù)。

表1 2種算法在自駕路徑規(guī)劃中的功能實驗結(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確的解密，基于RSA的隨機參數(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行關(guān)聯(lián)，解密后坐標(biāo)信息實際上可以共用于不同用戶，而基于RSA的隨機參數(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)器上的安全性實驗結(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的隨機參數(shù)插入加密模式由于采用了與用戶名相關(guān)的隨機參數(shù)插入算法，使加密信息的隱秘性增強，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)信息進行加密的同時，引入與用戶注冊名相關(guān)的隨機參數(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，在實驗中得到較好的結(jié)果。本文算法效率高、保密性好、簡單及具有較小的誤碼擴散性的特點，能滿足于在線導(dǎo)航服務(wù)對坐標(biāo)信息安全保密的實際應(yīng)用需求。

［1］ 劉愛龍，張 東，陳 濤，等.地圖數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)分發(fā)的混合加密算法［J］.計算機工程，2008，34（18）：186－188.

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