基于魔方原理的数据加密算法

 2022-01-17 11:01

论文总字数:15061字

目 录

1 绪论 1

1.1 研究背景与目的 1

1.2文献综述 1

2密码学基础 2

2.1密码学与密码体制 2

2.2密码安全性 3

2.3信息安全概述 3

3常见加密算法简介 4

3.1 DES算法简单描述 4

3.2 RSA算法分析 4

4魔方加密算法 5

4.1魔方特性 5

4.2魔方加密算法的设计原理 5

4.2.1魔方加密解密原理及图解 6

4.3魔方加密算法设计准则 7

4.3.1构建虚拟数字魔方: 8

4.3.2密钥生成原理: 9

4.3.3加密解密具体实施原理 10

4.3.4算法正确性证明 11

4.3.5算法实现描述 11

4.3.6算法优点与不足 12

4.4算法应用 12

5结束语 13

参考文献 13

致谢 15

基于魔方原理的数据加密算法

魏超

,China

Abstract:Today's society, the rapid development of information technology, ushered big data, the cloud era. Data encryption is to ensure the information security of the core means; cryptography is to solve a variety of information security problems are most direct and effective way. As the core cryptography, encryption algorithm in response to information security issues at the core. According cube rotating changeable, and data on the characteristics of nonlinear diffusion, and take full advantage of packet sequence encryption system, to achieve information security encryption processing. The algorithm principle, by digital virtual cube, Rubik's Cube so that the digital key and the plaintext to establish one to one mapping relationship, and based on that mapping, complete the plaintext encryption process.

Keywords: cryptography; cube; data encryption;

1 绪论

1.1 研究背景与目的

当今时代,可以说是完全进入了信息时代,人们时时刻刻都在获取和传递数据信息,信息充斥在人们生活的每一个角落,各种信息纷乱杂呈,信息的安全和防护问题变得尤为重要。因此,我们需要一种强劲有力的措施来保障我们的信息安全。数据加密技术是保障信息安全的重要举措。使用密码技术对数据信息进行加密,赋予数据保密手段,能够切实有效地保障保密信息的真实、完整和有效,防止保密信息被非法截取、篡改、伪造、假冒。数据加密技术是信息安全领域基础防护技术,也是保障数据安全的重要手段,而加密算法又是数据加密技术的核心,其重要地位不言而喻。

就当今而言,分组加密算法和序列加密算法是目前最常用的两种数据加密体制,也是数据加密最常用的两种常加密方式。然而,这两种方式存在着各自的缺憾和不足。首先,分组加密而言,相同密钥对相同明文加密后得出的密文是相同的,为差分密码分析和线性密码分析提供了可能;其次,序列加密,明文、密文和密钥任意两种组合就容易求得第三者;若想要提高信息安全级别,必将要求产生的伪随机序列周期足够长,序列随机性十分良好;但这些要求都很难具体实现,导致了理论与现实实现之间的矛盾。混合加密体制综合了各种体制的优点,克服了单一体制所带来的弊端,提高了数据的安全性,有效性和随机性。

本文提出一种新的加密算法——魔方混合加密算法,是基于魔方特性,依据单一数据多变乱置特点,综合利用分组、序列加密特点的混合加密体制。魔方加密算法既有效地提高数据加密的安全性,有效性和随机性,简化了加密过程,又克服单一加密体制的不足,有效地解决数据加密理论与现实矛盾的问题。

1.2文献综述

目前,国内外对数据加密的研究不断深入,对于混合加密算法的数据加密技术分析研究的也很多。针对数据加密的研究,算法研究,新算法以及算法的新应用、旧算法的改良层出不穷,而专门针对魔方混合加密算法的研究,相关文献比较少。

国内外针对各种数据加密技术的研究,要么是对现有算法进行改良或者组合;要么就是开发新的加密技术、系的加密算法。以王春风、钱军为代表的着重于RAS算法和DES算法分析和研究以及在网络安全中的应用。就是在已有算法基础上,将RAS算法和DES算法进行组合,对现有算法进行改良,形成所谓的混合加密算法。

综合利用RAS算法和DES算法各自的优点:用RAS方式加密和传递数据通信中的DES方式密钥,这样可以节省通信前密钥秘密发送的过程,简化了数据加密过程,并可以借此进行数字签名;以RAS方式进行密钥的保密管理,只需对一个解密密钥进行保密管理,优化了密钥的保密管理;以DES方式加密解密,大大减少了耗费的时间。以DES和RSA的混合加密兼有的方式,加密解密处理速度明显快于常规密码体制,并且具有需要进行密钥分配、保密保管量少的公开密钥密码体制的优点。另一种是以王云峰为代表的,基于混沌力学原理,衍生混沌算法,以新算法打破原有桎梏。典型的就是他设计的可与集成电路的混沌随机数发生器,在不需要额外的工艺工序的情况下,就可以在数字CMOS工艺上生产,广泛的应用各种领域。

2密码学基础

2.1密码学与密码体制

顾名思义,密码学就是研究编制密码和破译密码的技术科学,旨在隐秘地传递信息或者传递不为第三方知道的秘文。总所周知,密码既包括编码也包括解码,也就是对应加密和解密过程。通俗点讲,加密的实际意义就是按照一定的规律或约定,在数据传递过程中改变或隐藏原有信息以掩盖其真实目的或维持通信秘密;反之,应用于获取通信情报并还原原有信息以得到信息发送方真实意图的过程称为解密。一般来说,加密运算和解密运算互为逆运算。

一切理论的发展和研究,都源于人们实际生存生活的迫切需要,密码学也不例外。著名的密码学者Ron Rivest曾说:“密码学是关于如何在敌人在的环境中通讯”。在漫长严峻军事斗争中,信息安全的迫切需求导致了密码学的诞生。密码是通信双方按约定的法则进行信息特殊变换的一种重要保密手段。早期,密码只是对数字文字进行加密解密,然而随着信息技术的飞速发展,语音、图像、数据等都可以进行加密、解密运算。

密码体制,亦称密码系统,是通过改变或隐藏真实信息来实现传递中信息保密、安全的。简单来说,密码就是一种仅对特殊对象赋予信息查看和使用的防护工具。在通信过程中,被隐藏或改变的真实信息内容称为明文;经过密码体制的变换、隐藏,转化成隐蔽形式或者其他与原文表面无关的信息称为密文;控制明文转换成密文的信息或者把密文转换成明文所遵循的规则或约定称为密钥(加密算法中的控制信息称为加密密钥,反之则称为解密密钥);通过一定条件,能够解决对应问题或者找到问题的解,称为算法。理论上密钥仅为收、发双方所知。在密钥控制下,由明文变到密文的过程叫加密,其逆过程叫解密。

对于给定的明文和密钥,加密变换将明文变为密文,在接收端,利用解密密钥,完成解密操作,将密文恢复成原来的明文。如图2.1所示,加密解密过程就是由明文变成密文再变回明文的过程。

在通信过程中,通常将发送信源的一方称为发送方,将信息接收的一方被称为接收者。数据通信的实际过程,就是发方发送原始信息,也就是发送方将明文m发送到加密器,在加密密钥控制下,加密器对明文m进行加密,输出密文c,再经信道传递到接收方。接收方经过解密器解密,随后将解密的明文m传给接收者。

图2.1加密原理图

2.2密码安全性

密码学编码是密码理论、密码体系具体可实现的基础。密码分析主要研究如何破解加密的信息,并验证信息真实性,是检验一个密码体制是否安全的直接手段。一个安全完备的密码体制,必须能够接受现实的考验。在实际生活运用中,切实保证数据信息的完整、安全、有效是一个密码体制首要标准。简单来说,一个安全的密码体制应该同时满足以下条件:当攻击者非法窃取到信息时,其无法或极难从密文中推出所对应的真实明文,无法揣测出发送方的真实意图;要求加密解密算法相对简便,适用于所有密钥空间。当接收者接收到对应信息时,能够快速准确地检验和证实信息的完整和真实。并且,信息发送的事实不能被否认、不可被伪造、不可被篡改,接收的数据信息及时、有效、可靠。遗憾的是,到目前为止绝对的保密是无法实现的。

2.3信息安全概述

当今时代,高新科技迅猛发展,随着云技术的不断成熟,我们逐步跨入大数据时代,信息充斥于生活的方方面面。计算机网络通信的广泛使用,极大地拓展了人们的获取和使用信息的渠道,随即提高了信息安全的重要性。为了切实保障数据通信中通信数据的安全、有效,需要构建一个健全信息安全保障体系结构,制定安全完备的防范和防护措施,防止信息被非法获取,达到确保网络通信的安全可靠的目的。密码技术是整个信息安全保障体系的核心,是整个安全防护系统的关键所在。

信息安全是指信息系统(包括硬件、软件、数据、环境及其他基础设施)受到保护,不受偶然的或者恶意的因素而遭受到泄露、破坏或者更改;系统可以保证能够连续可靠地运行,信息服务不中断,切实保证业务连续性。简单来说,信息安全涵盖与信息有关的各方面的安全。信息安全可以主要概括为以下五个方面:保证信息的保密性、保证信息的真实性、保证信息的完整性、保证信息的未授权拷贝和保证信息的所寄生系统的安全性。在网络环境下,所谓的信息安全体系是其保证信息安全的关键,其中包括计算机安全操作系统、各种信息安全协议以及信息安全保障机制(例如数字签名、消息认证机制以及数据加密机制)等等。

3常见加密算法简介

3.1 DES算法简单描述

DES算法,又被称为美国数据加密标准,是1972年美国IBM公司研制的对称密码体制加密算法。DES采用分组乘积密码体制,是对早期Lucifer 密码体制的改进。简单来说,DES算法就是不断地异或,将明文拆分为两个部分,不断异或、移位、交换达到加密的目的。DES是一个16轮的Feistel型结构密码,利用模2加运算进一步提高了密码复杂程度。

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