哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
摘要
随着计算机技术和网络通信技术的发展，多媒体信息已广泛应用到社会的各个领域，在教育、医疗、经济、军事等行业和部门已发挥着不可替代的作用，人们在享受多媒体技术带来的巨大利益的同时，也面临着很大的安全隐患。多媒体信息具有数据量大、冗余度高等特点，采用传统的加密算法AES 等对多媒体数据进行加密，不但很难满足加密实时性、快速性的要求，而且在安全性上也不能得到保障。混沌加密算法充分利用了混沌的确定性、混合性、内随机性等特点，在保障安全性的前提下，实现简单、加密快速。另外，随着近年来多核处理器的普及，并行技术的应用已十分广泛，并行加密特别是基于混沌的并行加密已成为密码学领域新的发展趋势。
本文首先介绍了密码学相关的理论基础，分析了传统加密算法AES的加密过程，指出了其在对多媒体数据加密时具有的局限性；其次通过对常见的两种混沌系统——Logistic混沌与分段线性混沌动力学特性的研究，分析了采用混沌系统加密的优势，并在此基础上设计了一种基于分段线性混沌映射的并行加密算法，将分段线性混沌加密与并行技术结合起来，用MPI实现了算法的并行化；最后，本文对所设计的分段线性混沌并行加密算法进行了随机性测试与并行效能分析，通过大量的实验结果分析得出，该加密算法在对多媒体数据加密时，不仅输出序列具有良好的随机性，安全性较高，而且算法具有很好的加速比等并行效能，在加密时间上明显优于传统的AES算法。
关键词：加密，AES，分段线性混沌，并行，随机性
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Abstract
With the development of computer and network communication technologies, multimedia information has been applied into many fields, such as education, medical, economy, and military, and is playing an irreplaceable role. Multimedia technology brings big convenience and profit to its urs, but at the same time has potential risks. Since the information data of multimedia is huge, the traditional encryption algorithm-AES could hardly meet the need of encryption timeliness and rapidity demanded of multimedia data. However, chaotic encryption algorithm could make full u of characteristics of chaos, and realized the simplicity and rapidity at the same time ensuring the safety. Besides, as the popularization of multi-cores processors, parallel technology has been applied widely. And parallel encrypt, especially the one bad on chaotic, has become the development trend of Cryptography field.
In this thesis, cryptology and related theoretical basis are first introduced, and by introducing the encryption process of traditional encryption algorithm AES, it points out AES’s limitation on multimedia data encrypting. Then through the study on dynamic characteristics of two common chaotic systems, Logistical chaos and piecewi linear chaos, it analysis the advantages of chaos system encryption. A parallel encryption algorithm bad on piecewi linear mapping is thus suggested, which combines the piecewi linear chaotic encryption and parallel technology, realizing the parallelization of algorithm by using MPI. At last, random test and Parallel performance analysis are taken on the piecewi linear chaotic encryption parallel algorithm, which is validated by a large number of experimental results to be of good randomness, good parallel performance like speed-up ratio, be safer and much better than the traditional algorithm AES on encryption time when dealing with multimedia data.
Keywords: encryption, AES, piecewi linear chaotic mapping, parallel, randomness
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目录
摘要...............................................................................................................................I Abstract ...................................................................................................................... II 第1章绪论. (1)
1.1课题研究的背景及意义 (1)
1.2国内外研究现状及进展 (2)
1.3课题研究内容及组织结构 (4)
第2章密码学与混沌理论概述 (5)依稀
2.1信息安全概述 (5)
2.2密码学基础理论 (6)
2.2.1密码系统的组成 (6)
2.2.2密码体制的分类 (7)
2.3混沌理论 (8)
2.3.1混沌理论的发展 (8)
2.3.2混沌的定义 (9)
2.3.3混沌系统的基本特征 (11)
2.3.4混沌与密码 (11)
2.4本章小结 (12)
第3章分段线性混沌加密并行算法的设计 (13)
3.1 AES算法 (13)
拉肚子能不能喝牛奶3.1.1 AES算法整体结构 (13)
最长情的陪伴3.1.2 AES算法的轮函数 (15)
3.1.3 AES算法对多媒体数据的加密 (17)
3.2 混沌密码的设计 (19)
3.2.1混沌密码设计的一般方法 (19)
什么是编码
3.2.2加密常用的混沌映射 (20)
3.2.3混沌序列密码 (21)
3.2.4混沌伪随机序列的生成 (23)
3.3 基于分段线性混沌映射的加密算法设计 (24)
3.3.1混沌映射的选取 (24)
3.3.2两种常见混沌映射的比较 (24)
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3.3.3混沌序列的量化与密钥的生成 (30)
3.3.4分段线性混沌密码的加密过程 (32)
3.3.5分段线性混沌加密算法描述 (32)
3.4分段线性混沌密码的并行设计 (33)
3.4.1可并行任务分析 (33)
3.4.2数据和计算划分 (35)
3.4.3并行加密算法的描述 (36)
3.5本章小结 (37)
第4章分段线性并行算法评测与分析 (38)
4.1随机性测试 (38)
4.1.1随机性的假设检验 (38)
4.1.2随机性的衡量方法及评价标准 (39)
齐刘海怎么剪4.1.3 NIST随机性测试 (41)
4.1.4随机性测试实验 (43)
4.2算法安全性分析 (48)
4.2.1统计分析 (48)
4.2.2密钥敏感性分析 (51)
4.3并行效能分析 (53)
4.3.1 Amdahl定律 (53)
4.3.2并行加速比实验 (54)
4.3.3加密时间对比实验 (54)
4.4本章小结 (55)
结论 (56)
参考文献 (57)
哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 (60)
致谢 (61)
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不得罪小人第1章绪论
1.1课题研究的背景及意义
随着通信技术和计算机技术的发展，信息已经融入到社会生活的方方面面，并扮演着越来越重要的角色。信息在给人类社会带来日新月异的变化的同时，它所带来的安全问题也是摆在人们面前的一个严峻挑战。信息作为一种重要的战略资源，自古以来就是国与国间争夺和控制的内容，信息安全严重威胁到国家的政治、经济、军事、文化等领域。同时，伴随着互联网络的普及，商业机密、个人隐私等方面的信息安全问题也受到人们越来越多的关注。
多媒体信息是信息在计算机时代的产物，它不是简单的把不同种类的信息揉合在一起，而是在计算机的处理和控制下的一系列交互汇总，是信息在计算机上的数字化实现。多媒体作为一种新兴的信息载体所具有的优越性是其它传统的信息载体无法比拟的，它改变了信息的传统表现形式，被广泛应用于生产管理、文化教育、医疗卫生、军事指挥，生活娱乐等领域。由于多媒体信息通常是数字化的信息，
在存储和传输的过程中容易受到窃取和篡改，所以多媒体信息安全面临着更大的安全性挑战，如何有效保护多媒体信息的安全是目前信息安全领域研究的重要问题之一。
守信的名言密码是信息安全的核心技术，也是保护信息安全的基本手段之一。出于信息安全保密的需求，人们对密码理论进行了不断深入的研究，密码体制朝着多样化发展，期间产生了一系列具有代表性的密码方案，但几乎每一种密码方案都是不完善的[1]。采用传统的加密算法DES、AES等对多媒体数据加密，并没有充分考虑到多媒体信息的特性，加密有其局限性。AES等传统加密算法对某些特殊的多媒体数据加密时，特别是对一些冗余度较大的图像、语音等信息加密，其效果不能让人满意，在安全性上存在隐患；另一方面，这些传统加密算法也难以满足大数据量的多媒体信息对加密实时性、快速性的要求。
混沌是一种在确定性系统中出现的看似无规则的、类似随机的运动现象，具有确定性、遍历性、混合性和对初值极端敏感性等特性，由确定性系统产生
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