基于分组密码的消息完整性认证技术的研究与应用

摘要

面对互联网中各种各样的威胁与攻击，信息的接收方有必要对其收到的信息进行消息认证。消息认证的目的在于鉴别信息发送者的身份，验证信息在传送过程中是否被第三方损坏、修改、伪造、重放或延时发送。实现消息认证的技术一般有两种：探测处理码(习惯上被称作“Hash函数”)和消息认证码。目前常见的探测处理码诸如MD5、SHA系列算法的安全性受到了众多密码学家的质疑，而消息认证码因其在通信双方间增加了共享密钥的使用并且多数基于安全的分组密码来设计，因此被业界认为更为安全。 基于分组密码构造的消息认证码在理论上是可证明安全的，但其实际执行效率大多数相比MD5之类的探测处理码以及基于带密钥的探测处理码构造的消息认证码要低；利用消息认证码进行消息认证往往只能对消息的完整性进行认证，不能验证其消息源的真伪，虽然可以利用Hash函数与公钥密码相结合的数字签名技术来实现对消息源的认证，但基于这种技术的认证效率又不高。 为了解决以上存在的问题，本文在分析分组密码及其工作模式和基于分组密码构造Hash函数理论的基础上，研究提出一个基于分组密码的消息认证方案，并实现了相应的应用系统。论文的主要创新点如下： 1)提出了一种基于分组密码RC6的并行消息认证码算法。通过对消息进行两次分组、增加RC6原有算法中寄存器的数量来扩大RC6的输出、在消息中嵌入秘密数据串来结合明文块并行生成消息认证码等技术在降低算法计算量、提高算法效率的同时增强了算法的安全性。 2)针对Needham-Schroeder协议的缺陷，对协议中随机数的使用及其验证函数的构造进行了改进：将该协议中的随机数验证函数设计成与应用系统内能够唯一标识用户身份的保密信息相关联的函数，使它不仅能够实现对消息新鲜性的认证，还能够对消息源进行鉴别；在协议中引入由秘密数据串参与生成的消息认证码，用它实现对消息完整性以及消息源的认证。 3)研发了一个消息认证子系统。基于上述研究成果在实现过程中：结合IPsec中的加密IP头域的概念，设计了一种封装通信双方IP地址的、带认证信息的消息的数据结构；定义了秘密数据串的内容及其插入位置函数，并将秘密数据串在消息中以乱序的方式存放，给出了乱序置换及其逆置换规则；采用VC++6.0开发工具，研发了输出256位消息认证码的认证系统，并集成到《电子文档安全保护系统》软件中。实践表明，该系统能够快速、有效地发挥其消息认证作用。

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文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

第一章绪论

1.1消息认证的研究意义

1.2研究现状

1.3本文的研究背景

1.4本文的主要成果

1.5本文的组织结构

第二章分组密码及其工作模式介绍

2.1分组密码

2.1.1分组密码的定义

2.1.2分组密码的设计思想及其结构

2.2主要的几种分组密码

2.2.1DES

2.2.2 IDEA

2.2.3AES

2.2.4 NESSIE

2.3分组密码的工作模式

2.3.1基本加密模式的研究

2.3.2基于认证模式的研究

233基于小分组密码构造大分组密码的研究

2.3.4基于加密认证模式的研究

2.4本章小结

第三章 基于分组密码的Hash函数的理论与应用的研究

3.1基于分组密码构造Hash函数

3.1.1基于分组密码构造探测处理码

3.1.2基于分组密码构造消息认证码

3.2用Hash函数实现消息认证

3.2.1实现消息完整性认证

3.2.2实现消息源认证

3.3本章小结

第四章 一种基于RC6算法的并行MAC设计

4.1 RC6算法描述

4.1.1密钥扩展

4.1.2加密算法

4.1.3解密算法

4.1.4 RC6的安全性分析

4.1.5 RC6的性能分析

4.2基于RC6的探测处理码设计

4.2.1输出固定长度(128位)Hash值的算法

4.2.2输出可变长度Hash值的算法

4.2.3安全性分析

4.3基于RC6的消息认证码设计

4.3.1一种基于RC6的司并行的双重分组的消息认证码——RC6-PMAC

4.3.2 RC6-PMAC的可证明安全理论定义

4.3.3安全性证明及分析

4.3本章小结

第五章 应用实现

5.1应用背景

5.1.1软件的系统结构

5.1.2软件的功能描述

5.1.3软件在认证方面的表现

5.2消息认证子模块的设计与实现

5.2.1运用消息认证技术的选择

5.2.2基于中心的密钥分布

5.2.3消息的数据结构

5.2.4定义随机数验证函数

5.2.5定义秘密数据串规则

5.2.6对Needham－Schroeder协议的修补

5.2.7具体实现

5.3安全性分析

5.4实验结果及分析

5.4.1运行环境

5.4.2认证算法效率测试

5.4.3消息认证测试

5.5本章小结

第六章工作总结

6.1本文的主要工作

6.2进一步的工作

参考文献

附录

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文