[论文解读] Using Chinese Characters To Generate Text-Based Passwords For Information Security

Bing Yao, Yarong Mu+13 more|arXiv (Cornell University)|Jul 11, 2019

User Authentication and Security Systems参考文献 33被引用 10

一句话总结

本文提出一种新颖方法，利用汉字作为拓扑图形密码（Topsnut-gpws），生成高熵且易记的文本型密码（TB-paws）。通过将汉字建模为图结构，并应用图标记技术，特别是有缺陷的优美标记与奇优美标记，将其转化为复杂、自相似的汉字网络，从而借助代数图群实现安全、可扩展的网络加密。

ABSTRACT

Graphical passwords (GPWs) are in many areas of the current world. Topological graphic passwords (Topsnut-gpws) are a new type of cryptography, and they differ from the existing GPWs. A Topsnut-gpw consists of two parts: one is a topological structure (graph), and one is a set of discrete elements (a graph labelling, or coloring), the topological structure connects these discrete elements together to form an interesting "story". Our idea is to transform Chinese characters into computer and electronic equipments with touch screen by speaking, writing and keyboard for forming Hanzi-graphs and Hanzi-gpws. We will use Hanzigpws to produce text-based passwords (TB-paws). We will introduce flawed graph labellings on disconnected Hanzi-graphs.

研究动机与目标

• 解决在信息安全领域中创建易记但高熵密码的挑战。
• 利用汉字固有的拓扑特性与高信息密度特性进行密码设计。
• 基于图论与拓扑结构，开发一类新型图形密码（Hanzis-gpws）。
• 通过自相似汉字网络与图群，实现安全、可扩展的网络加密。
• 探索代数图论在增强密码与网络安全性方面的应用，包括图标记与同构性。

提出的方法

• 将汉字建模为具有内在结构与语义特性的拓扑图（汉字图）。
• 对不连通的汉字图应用有缺陷的图标记，生成具有优美或奇优美性质的多个连通Topsnut-gpws。
• 利用邻接矩阵、e值矩阵与ve值矩阵，通过算法过程将Topsnut-gpws转换为基于文本的密码（TB-paws）。
• 在xOy平面上引入解析汉字，通过含变量的矩阵变换生成更复杂的TB-paws。
• 采用顶点重合与边重合算法（k = I, II, III, IV），基于斐波那契与递归顶点种植操作，构建自相似汉字网络。
• 利用图群——特别是阿贝尔加法有限群与零旋转标记系统——实现快速、可扩展的网络加密，并支持人工智能兼容的安全协议。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何系统性地利用拓扑与图论原理，将汉字转化为安全且易记的文本型密码？
• RQ2 哪些图标记技术（如优美、奇优美、有缺陷的）可应用于不连通的汉字图，以生成连通且非同构的Topsnut-gpws？
• RQ3 如何通过算法构建自相似汉字网络，以支持可扩展的网络加密？
• RQ4 代数图群与基于同构性的结构在增强网络加密安全性与效率方面有哪些作用？
• RQ5 汉字笔顺如何为面向人工智能与图神经网络应用的有向汉字-gpws设计提供指导？

主要发现

• 在不连通汉字图上应用有缺陷的图标记，成功生成多个两两非同构的连通Topsnut-gpws，实现多样化的密码生成。
• ALGORITHM-x（1-line-O-k）算法中，x ∈ {I, II, III, VI}，k ∈ [1,4]，可利用e值与ve值矩阵系统性地将Topsnut-矩阵转换为复杂TB-paws。
• 在xOy平面上的解析汉字可通过含变量的矩阵变换，生成更复杂的TB-paws。
• 通过FIBONACCI-VERTEX算法与顶点或边重合算法（k = I, II, III, IV），有效构建出自相似汉字网络，形成图半群。
• 图群——尤其是零旋转与阿贝尔加法有限群——可实现任意网络/图的快速通用加密，支持人工智能与机器级安全。
• 基于有向图与笔顺建模的有向汉字-gpws，为人工智能兼容、基于关系归纳偏置的安全系统开辟了新路径。