基于LZ4数据压缩与格加密的大数据加密算法研究

发布时间：2021-07-25 23:37

　　随着云计算及物联网的高速发展,传输与存储的数据量急剧增加,时代的发展与进步必然会导致大数据的诞生。大数据的应用也越来越广泛,但是在传输、存储及安全方面都存在诸多问题。因为大数据的数据量庞大,所以传输的时间更长、需要的存储空间更大。传统的加密方案适用于简单的文本加密,用于大数据加密其计算复杂且加密耗时极大,更重要的是传统的加密方案在量子计算机问世时将不再安全。数据压缩能够有效的解决大数据因为数据量庞大导致的传输与存储的问题,而格加密能有效的抗量子攻击,在量子技术成熟时也能够保护数据安全。本文选择了LZ4无损数据压缩算法与R-LWE公钥加密算法来解决上述问题。通过对两种算法的研究,从硬件应用与实现的角度对两种算法在算法或硬件实现上进行了改进,使其硬件实现获得更好的性能。首先,本文针对LZ4无损数据压缩算法在硬件实现中速度慢、无法持续压缩等缺陷,然后提出了改进算法,改进算法在硬件实现后不仅仅资源消耗较少,而且可以实现高达1.92 Gb/s和2.08 Gb/s的压缩和解压吞吐量,分别比以往最好的压缩机和解压器设计快20%和47%。其次,由于加密算法中随机数直接影响加密系统的安全性,因此不能使用... 

【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校

【文章页数】：74 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
abstract
缩略词
第一章 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 大数据安全研究现状
        1.2.2 数据压缩算法研究现状
        1.2.3 数据加密算法研究现状
    1.3 主要研究内容和章节安排
        1.3.1 主要研究内容
        1.3.2 论文章节安排
第二章 理论基础
    2.1 数据信息量、熵和冗余度
    2.2 LZ4数据压缩算法
        2.2.1 LZ4算法数据格式
        2.2.2 LZ4算法操作流程
    2.3 R-LWE格加密算法的理论基础
        2.3.1 格的定义
        2.3.2 格上困难问题
        2.3.3 R-LWE加密算法中的多项式乘法
        2.3.4 R-LWE问题
    2.4 R-LWE公钥加密算法
    2.5 本章总结
第三章 LZ4数据压缩
    3.1 改进后的LZ4算法
        3.1.1 原始算法在硬件实现中的缺陷
        3.1.2 LZ4无损压缩算法的改进途径
        3.1.3 MLZ4算法计算流程
    3.2 MLZ4算法在FPGA中的硬件实现
        3.2.1 MLZ4压缩算法的第一种硬件结构
        3.2.2 MLZ4解压缩算法的第一种硬件结构
        3.2.3 MLZ4压缩算法的第二种硬件结构
        3.2.4 MLZ4解压缩算法的第二种硬件结构
        3.2.5 两种硬件结构的比较与分析
    3.3 MLZ4算法测试系统
    3.4 与其他FPGA实现的LZ算法的比较
    3.5 本章总结
第四章 真随机数发生器
    4.1 真随机数生成器的方案设计与论证
        4.1.1 振荡器采样法
        4.1.2 亚稳态结合相位抖动
        4.1.3 链式振荡环
        4.1.4 方案比较分析与选择
    4.2 真随机数发生器数学模型分析
        4.2.1 FPGA中的抖动
        4.2.2 异或门对链式振荡环的贡献
        4.2.3 真随机数中的亚稳态
        4.2.4 在FPGA中验证
    4.3 测试系统框架与流程
        4.3.1 测试系统结构
        4.3.2 真随机数发生器
        4.3.3 移位寄存器与FIFO
        4.3.4 USB3.0驱动
        4.3.5 CYUSB3014开发板
        4.3.6 USB3.0上位机
    4.4 实验结果与分析
        4.4.1 AIS31测试
        4.4.2 NIST SP800-22测试
        4.4.3 真随机数发生器的性能分析
    4.5 本章总结
第五章R-LWE公钥加密
    5.1 R-LWE公钥加密算法的硬件实现
        5.1.1 硬件实现系统架构
        5.1.2 多项式乘法的硬件实现
        5.1.3 格加密多项式乘法专用乘法器设计
    5.2 加解密验证系统
    5.3 实验结果与分析
    5.4 本章总结
第六章 基于LZ4与格加密的大数据加密算法
    6.1 基于LZ4数据压缩与格加密的大数据加密算法设计
        6.1.1 面向大数据的加密算法
        6.1.2 面向大数据的解密算法
    6.2 面向大数据的加密算法硬件实现
        6.2.1 加密算法的硬件实现
        6.2.2 解密算法的硬件实现
    6.3 实验结果与分析
    6.4 本章总结
第七章 总结与展望
    7.1 总结
    7.2 展望
参考文献
致谢
在学期间的研究成果及发表的学术论文


【参考文献】：
期刊论文
[1]加密技术演变与发展[J]. 李润启.  网络安全技术与应用. 2014(03)
[2]大数据安全与隐私保护[J]. 冯登国,张敏,李昊.  计算机学报. 2014(01)
[3]大数据管理:概念、技术与挑战[J]. 孟小峰,慈祥.  计算机研究与发展. 2013(01)
[4]基于格的公钥加密体制的研究[J]. 潘平,王励成,何万生.  天水师范学院学报. 2012(05)
[5]架构大数据:挑战、现状与展望[J]. 王珊,王会举,覃雄派,周烜.  计算机学报. 2011(10)
[6]量子计算及量子算法研究进展[J]. 王蕴,黄德才,俞攸红.  计算机系统应用. 2011(06)
[7]量子计算与量子计算机[J]. 吴楠,宋方敏.  计算机科学与探索. 2007(01)
[8]信息加密技术的发展及其应用[J]. 卢铁城.  通信保密. 1986(03)

博士论文
[1]基于格的密码方案的研究与设计[D]. 蒋亚丽.山东大学 2011



本文编号：3302998