物联网中轻量级对称密码算法的研究与设计

发布时间：2017-03-20 06:07

  本文关键词：物联网中轻量级对称密码算法的研究与设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着信息技术的高速发展,物联网成为新一代信息化浪潮的典型代表。然而,使用传统对称密码算法解决物联网领域日益突出的数据安全问题遇到了困难,其主要原因是物联网上使用的应用组件不同于传统的台式机和高性能计算机,它采用计算能力相对较弱的微型计算处理设备,而这类设备的运算存储能力有限。在这种情况下,轻量级对称密码算法受到人们的广泛关注。与传统对称密码算法相比,轻量级对称密码算法的计算资源消耗少,适合应用于计算能力有限的微型计算设备如RFID标签等。本文致力于轻量级对称密码算法的研究与设计,以三种广义对称密码(分组密码、Hash函数和流密码)的基本原理为研究背景,以密码设计为研究重点,以密码分析为支撑,结合轻量级的环境需求,并运用轻量级对称密码的设计技巧,主要从以下三个方面展开了研究:(1)设计了基于双伪随机变换的轻量级分组密码算法VH和VHF,分别采用SPS结构和Feistel结构。VH的分组长度为64比特,支持长度为64、80、96、112和128比特的密钥;VHF的分组长度为128比特,密钥长度为80和128比特。VH和VHF的安全评估结果表明,它们对已知的攻击实现足够的安全性,如差分分析、线性分析和不可能差分分析。与现有的轻量级分组密码进行对比,VH和VHF的软硬件效率都高于同为面向8位平台的国际标准CLEFIA。(2)设计了一种轻量级Hash函数HVH,采用Sponge迭代结构,压缩函数采用VH型算法。为了用于不同的受限环境和安全级别,HVH提供了5种不同长度的消息摘要。通过对HVH族Hash函数进行软硬件效率测试分析,结果表明HVH-88的软件效率为1.47Mb/s,效率是同样应用于RFID环境的SPONGENT-88的10倍,HVH-88硬件实现需要1129GE,与SPONGENT-88的1127GE硬件实现相当。线性分析、差分分析、不可能差分分析以及抗原像、抗第二原像和抗碰撞分析表明,HVH满足轻量级密码的安全需求。(3)设计了轻量级流密码VHFO和VHFC,分别采用分组密码的OFB和CTR工作模式构造密钥流。VHFO和VHFC的初始向量长度为128比特,密钥流块的长度为128比特。VHFO和VHFC的安全评估结果表明,它们对已知的攻击实现足够的安全性。与现有的轻量级流密码进行对比,VHFO和VHFC的软硬件效率都高于轻量级流密码WG-7。
【关键词】：轻量级分组密码 轻量级Hash函数 轻量级流密码 伪随机变换 Sponge结构 OFB工作模式 CTR工作模式 密码分析
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP391.44;TN929.5;TN918.1
【目录】：

• 摘要4-5
• abstract5-13
• 注释表13-14
• 缩略词14-15
• 第一章 绪论15-21
• 1.1 研究背景15-16
• 1.2 国内外研究现状16-18
• 1.2.1 轻量级分组密码算法的研究现状16-17
• 1.2.2 轻量级Hash函数的研究现状17
• 1.2.3 轻量级流密码算法的研究现状17-18
• 1.3 本文内容与组织结构18-21
• 1.3.1 本文主要研究内容18
• 1.3.2 本文的组织结构18-21
• 第二章 轻量级密码的理论与技术简介21-37
• 2.1 轻量级分组密码的理论与技术21-25
• 2.1.1 设计原理与结构21-23
• 2.1.2 几种轻量级分组密码算法简介23-25
• 2.2 轻量级Hash函数的理论与技术25-29
• 2.2.1 迭代结构与压缩函数25-26
• 2.2.2 几种轻量级Hash函数简介26-29
• 2.3 轻量级流密码的理论与技术29-34
• 2.3.1 基本原理与构造方法29-31
• 2.3.2 几种轻量级流密码算法简介31-34
• 2.4 轻量级密码算法的评估要素34-35
• 2.4.1 硬件实现与软件效率34
• 2.4.2 安全性分析34-35
• 2.5 本章小结35-37
• 第三章 轻量级分组密码VH和VHF算法的设计与分析37-54
• 3.1 VH算法的设计与分析37-45
• 3.1.1 设计原则及整体结构38-39
• 3.1.2 加密变换表S[256]和解密变换表S~(-1)[256]39
• 3.1.3 置换函数39-40
• 3.1.4 密钥编排40
• 3.1.5 加密过程40-41
• 3.1.6 解密过程41-42
• 3.1.7 性能分析42-45
• 3.2 VHF算法的设计与分析45-50
• 3.2.1 设计原则及整体结构45-46
• 3.2.2 轮函数46-47
• 3.2.3 密钥扩展47
• 3.2.4 加密过程47-48
• 3.2.5 性能分析48-50
• 3.3 VH和VHF算法的安全性分析50-52
• 3.3.1 差分分析50
• 3.3.2 线性分析50-51
• 3.3.3 不可能差分分析51-52
• 3.4 本章小结52-54
• 第四章 轻量级Hash函数HVH的设计与分析54-67
• 4.1 HVH函数的设计方法54-60
• 4.1.1 迭代结构55-58
• 4.1.2 压缩函数58
• 4.1.3 HVH的设计58-60
• 4.2 HVH函数的性能分析60-64
• 4.2.1 硬件实现60-63
• 4.2.2 软件效率63-64
• 4.3 HVH函数的安全性分析64-66
• 4.3.1 差分分析和线性分析64-65
• 4.3.2 不可能差分分析65
• 4.3.3 抗原像、第二原像及碰撞分析65-66
• 4.4 本章小结66-67
• 第五章 轻量级流密码VHFO和VHFC算法的设计与分析67-77
• 5.1 VHFO和VHFC的设计方法68-71
• 5.1.1 密钥流生成器KG69-70
• 5.1.2 VHFO算法70-71
• 5.1.3 VHFC算法71
• 5.2 VHFO和VHFC算法的性能分析71-75
• 5.2.1 硬件实现71-73
• 5.2.2 软件效率73-75
• 5.3 VHFO和VHFC算法的安全性分析75-76
• 5.3.1 差分分析和线性分析75-76
• 5.3.2 不可能差分分析76
• 5.4 本章小结76-77
• 第六章 总结与展望77-79
• 6.1 本文工作总结77-78
• 6.2 进一步的研究工作78-79
• 参考文献79-85
• 致谢85-86
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文86-87

  本文关键词：物联网中轻量级对称密码算法的研究与设计，由笔耕文化传播整理发布。

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本文编号：257282