基于椭圆曲线密码体制和AES的混合加密技术研究

摘要

随着政府对于环境保护的力度逐渐增强，燃煤电厂作为主要的污染物排放源头使得其成为了重点监测对象。燃煤电厂污染物监测系统通过使用无线传输作为燃煤电厂污染物的数据传输方式，大大提高了上级监管部门对于污染物排放的监控效率。然而其也存在一定的安全威胁，如燃煤电厂更改（替换）污染监测数据等等不安全的行为。针对燃煤电厂污染物排放监测数据的传输安全问题，本文提出了基于椭圆曲线密码体制和AES的混合加密技术方案。椭圆曲线密码体制作为一种非对称密码体制其加解密速度较慢，因此本文通过使用椭圆曲线数字签名(Elliptic Curve Digital Signature Algorithm，ECDSA)来保证数据的完整性，不可替换性和不可否认性，而高级加密标准(Advanced Encryption Standard，AES)作为一种对称加密算法较非对称加密算法其加解密效率具有较大的优势，因此本文使用AES加密算法保证数据和签名的机密性。 首先，论文对椭圆曲线标量乘算法进行了研究，针对椭圆曲线数字签名中标量乘计算开销较大，占用了较多资源的情况，本文对椭圆曲线标量乘算法进行了优化，在对称三进制标量乘的基础上提出了降低非零值权重的对称三进制标量乘算法，通过对比分析，提出的算法不仅可以得到正确的运算结果，同时计算复杂度也较低。在此基础上，本文对椭圆曲线数字签名方案进行研究，针对相关改进方案中存在的安全缺陷，提出了基于密钥隐藏数据摘要的数字签名，在不增加计算量的同时，提升了算法的安全性。 其次，论文对AES中的S盒设计算法进行了研究，由于传统的AES算法在加密和密钥扩展方案中使用同一个S盒，并且其S盒为大众所知，随着学者对S盒研究的深入，算法安全强度越来越依赖于密钥，而如果算法使用的S盒不公开，则能够减少攻击者对于算法的先验信息，增强算法的安全性。本文通过使用仿生优化算法来生成S盒，通过使用基于交叉变异的粒子群S盒设计算法生成的S盒来替换原有的基于代数运算生成的S盒，从而使得算法的S盒不为大众所知。通过在粒子群算法中加入交叉变异的思想，使得算法生成的S盒的非线性度和差分均匀度与当前的最优S盒极为接近，也可以克服代数方案一次只能生成一个S盒的缺点。 最后，本文对AES加密算法进行了研究，针对AES加密算法中密钥扩展存在轮密钥相关性较强的安全性缺陷，本文提出了使用单向散列函数SHA256的密钥扩展方案代替原有的AES扩展方式，增强AES密钥扩展的不可逆性，并采取Logistic混沌映射生成的混沌序列控制基于交叉变异的粒子群算法生成的多S盒的排布，从而使得S盒的排布随Logistic系统初始参数的更改动态变化，提升了算法的安全性。并通过C++对混合加密方案进行了软件实现。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究背景和意义

1．2国内外研究现状分析

1．2．1 ECDSA中标量乘研究现状

1．2．2 AES中S盒设计算法研究现状

1．2．3 AES基于密钥的动态S盒研究现状

1．3论文主要工作

1．4论文组织结构

第2章密码学基本概念与理论

2．1密码学的基本概念

2．2密码学的分类

2．2．1对称密码体制

2．2．2非对称密码体制

2．3常用密码体制

2．3．1 AES加密算法

2．3．2 ECC密码体制

2．4本章小结

第3章椭圆曲线数字签名算法

3．1数学基础

3．1．1有限域与群

3．1．2椭圆曲线运算法则

3．1．3椭圆曲线离散对数难题

3．1．4 Hash函数

3．2椭圆曲线数字签名

3．2．1密钥生成

3．2．1数字签名的生成

3．2．2数字签名的验证

3．3椭圆曲线数字签名中标量乘算法及其改进

3．3．1经典的标量乘算法

3．3．2改进的标量乘算法

3．3．3算法性能分析

3．4数字签名方案的改进

3．4．1经典的数字签名算法

3．4．2改进的数字签名算法

3．4．3算法性能分析

3．5本章小结

第4章基于交叉变异的粒子群算法的S盒设计

4．1 S盒基础知识

4．1．1 S盒简介

4．1．2 S盒密码学性质

4．2粒子群算法

4．2．1粒子群算法的原理

4．2．2粒子群算法参数简介

4．3基于粒子群算法的S盒设计

4．3．1 S盒编码

4．3．2适应度函数设置

4．3．3学习策略

4．3．4算法流程

4．4基于交叉变异的粒子群算法S盒设计

4．4．1变异算子

4．4．2交叉算子

4．4．3改进算法流程

4．5算法性能分析

4．5．1粒子群算法的S盒设计其适应度进化曲线

4．5．2速度集合大小对算法的影响

4．5．4 S盒性能分析

4．6本章小结

第5章基于Logistic混沌控制的动态S盒AES加密算法

5．1 AES加密算法

5．1．1 AES密钥扩展

5．1．2 AES的攻击方式

5．2 AES加密算法改进

5．2．1改进的AES密钥扩展

5．2．2基于Logistic混沌控制的动态S盒AES加密算法

5．3基于Logistic混沌控制的动态S盒AES加密算法性能分析

5．3．1算法正确性

5．3．2算法安全性分析

5．3．3算法雪崩效应分析

5．3．4算法密钥空间分析

5．3．5算法效率分析

5．4基于椭圆曲线密码体制和AES混合加密方案实现

5．5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢