多層元胞自動機加密算法的研究與實現(xiàn).pdf

1、隨著信息和通訊技術(shù)的迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用，信息安全已經(jīng)成為信息時代一個不可或缺的重要問題。在對信息安全的核心技術(shù)之一—密碼學(xué)的自主性研究與開發(fā)中，元胞自動機因其特有的組成結(jié)構(gòu)的簡單性、組成單元之間相互作用的局部性、信息處理的高度并行性和復(fù)雜的動力學(xué)特性，使其在密碼學(xué)領(lǐng)域有著獨特的優(yōu)勢，具有重要的理論意義和廣泛的應(yīng)用前景。
　　本論文在研究元胞自動機理論和分析現(xiàn)有的元胞自動機加密算法的基礎(chǔ)上，針對元胞自動機在密碼學(xué)不同領(lǐng)域的應(yīng)用，對多

2、層元胞自動機和可逆元胞自動機構(gòu)造分組密碼、公鑰密碼的方法進(jìn)行了相關(guān)的研究和探討，取得的主要研究成果和創(chuàng)新點如下:
　　1.針對已有的基于多層可逆元胞自動機的分組加密算法密鑰結(jié)構(gòu)簡單，且擴散性效果不理想的缺陷，利用多層元胞自動機的結(jié)構(gòu)特點，引入層內(nèi)和層間半移位變換，以及具有隨機性的全局移位變換，設(shè)計了一種新的多層可逆元胞自動機分組加密算法。該算法增強了層與層之間的聯(lián)系，表現(xiàn)出更復(fù)雜的動力學(xué)行為，仿真實驗結(jié)果表明，該算法提高了密文對明

3、文和密鑰的敏感性，具有良好的擴散性和混淆性效果。
　　2.針對可逆元胞自動機數(shù)量稀少的問題，設(shè)計了一種可逆元胞自動機的構(gòu)造方法，在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一種基于可逆元胞自動機的反向迭代分組加密算法。該算法充分利用了多層元胞自動機的層狀結(jié)構(gòu)優(yōu)點，在層與層之間進(jìn)行交叉異或運算，并引入偽隨機序列，反向演化實施加密，前向迭代實施解密。仿真結(jié)果表明，該算法具有良好的擴散性和混淆性，而且密文和隨機序列是不可區(qū)分的;這些性質(zhì)確保了提出的加密算法能夠抵

4、抗統(tǒng)計分析、線性分析和差分分析攻擊。
　　3.在分析圖像數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)與八層元胞自動機關(guān)系的基礎(chǔ)上，提出了一種新的基于多層元胞自動機的圖像加密方案。該方案是反向迭代的分組加密算法的擴展和應(yīng)用，同樣的引入了偽隨機序列和偽隨機數(shù)，但是本算法中對偽隨機序列又進(jìn)行了隨機演化，而且利用偽隨機數(shù)控制加密過程中不同層之間的交叉運算，使得密圖中的像素分布更具隨機性。詳細(xì)的實驗表明該算法具有足夠大的密鑰空間，加密后的圖像像素分布均勻、相鄰像素的相關(guān)性低

5、，并且對密鑰和明文非常敏感，即該算法是安全的，且具有良好的性能。
　　4.在研究了一種已有的基于可逆元胞自動機理論的公鑰加密算法的基礎(chǔ)上，借助于多層元胞自動機定義了一種新型的鄰域結(jié)構(gòu)，進(jìn)而設(shè)計出基于多層元胞自動機的公鑰加密算法。利用可證明安全理論，可以證明該算法是安全抵抗選擇明文攻擊的，彌補了其他元胞自動機公鑰加密方案的不足;并且，利用隨機預(yù)言模型，還可以將其改進(jìn)成可以安全抵抗選擇密文攻擊的公鑰加密算法。對密鑰空間的分析以及仿真實

6、驗結(jié)果表明，本算法相較于RSA-1024加密算法具有高效性。
　　5.嘗試?yán)迷詣訖C理論構(gòu)建數(shù)字簽名算法，在上述公鑰加密算法的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種基于多層元胞自動機的數(shù)字簽名算法，彌補了元胞自動機在數(shù)字簽名上的空白。該算法選取可逆的一維元胞自動機作為私鑰進(jìn)行簽名，構(gòu)建出的二維規(guī)則作為公鑰進(jìn)行簽名的驗證。此算法是一個隨機算法，元胞自動機的狀態(tài)數(shù)和一維元胞自動機的個數(shù)以及二維元胞自動機的鄰域半徑均是不固定的，可以依據(jù)實際應(yīng)用隨機設(shè)定