基于AES的短分组加密算法研究及其应用
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摘要
目前国内预付电费解决方案，大体是通过接触式或非接触式IC卡这种有形的物理介质来进行数据的传输，这种有形的物理介质存在着相当的缺陷：携带不方便，容易丢失，容易损坏；充值需要用户前往管理部门方可进行、费时费力；而且其加密算法一般是DES(Data Encryption Standard)、TEA(Tiny Encryption Algorithm)等，加密强度不高，运算速度不快，算法本身具有可破解性。要实现无介质预付费，实现不可靠信道的安全通信，密文是由人来传输，要求密文是固定长度的十进制数，如果使用现有加密算法对明文进行加密，再将密文转换成十进制数，不能完全利用该固定长度表示信息量，不能满足实际应用要求。因此，研究设计基于AES的十进制短分组加密算法很有实际意义。
论文首先介绍了AES加密算法的发展史，数学基础和算法原理；针对实际应用中对加密算法的要求，对AES的S-盒、行移位、列混合、轮密钥加四种变换进行了重新设计，设计了基于AES的十进制短分组加密算法；设计了应用系统中的密钥分配、密钥管理动态密钥产生算法；规定了加密通信的明文帧格式，建立了不可靠信道加密通信的协议，实现了预付费代码表计不可靠信道安全通信。
在预付电费解决方案中，我们在充分的考虑实际情况与安全系数的基础上，设计出了一整套加密系统。该系统在密钥的分发与管理中应解决对称加密中密钥分发和管理难的问题。它将AES加密算法、随机加密算法、混沌加密算法相结合，集中了以上三类加密算法的优点，如AES加密算法的安全性(抗各种攻击等)、运算的快速性；随机加密算法由参数决定加密算法，这里由密钥决定加密算法；混沌加密算法是一次一密，密钥对初始条件敏感。
论文最后对基于AES的短分组加密算法进行安全性分析和仿真测试，通过限制表计用户每天的密文输入次数，解决短分组加密的穷举搜索问题。该算法满足实际应用中的安全需要。
In current, domestic prepaid electric bill solution is achieved by contact or un-contact IC card. There are obvious limits within this kind of physical transfer method: Hard to carry, easy to lose and damage; Users must go to special management department in order to add funds, which consumes time and energy; The encryption algorithms of the IC card are usually DES (Data Encryption Standard) and TEA (Tiny Encryption Algorithm), which is slow and not strong enough, may be cracked. Therefore, in order to implement adding fund without physical medium, realize security communication via unreliable channel and transfer the cipher by people, the cipher must be a decimal number with fixed length. It can't satisfy the apply demand when using the existing encryption algorithms translate the cipher to decimal number, because some decimal number would never be used. It is necessary to study and design the short block encryption based on AES.
After introducing the development history, mathematics basic and the algorithm principle of AES, this thesis redesigns the four transforms of AES under the demand of practical application; designs the short block encryption based on AES; designs new algorithm about key distribution and Dynamic Key Distribution of application; prescribe the frame format of encryption communication, establish a protocol of encryption communication against unreliable channel; finally, encryption communication mode of pre-payment code meter is proposed.
Within the prepaid electric bill solution project, based on the adequate advisement of the practical situation and security ratio, we developed a whole set of encryption system. The system should resolve the problem of distribution and management with key to the Symmetric-key cryptography algorithm. It integrates AES encryption algorithm, random encryption algorithm and chaos encryption algorithm together, so this system absorbs the advantage of these three algorithms. For example, the system has the feature of AES such as security (anti-crack) and efficiency; the random encryption algorithm decides encryption algorithm by parameters while our system does it by the secret key; the key is sensitive to the initial condition like chaos algorithm, which always utilizes different keys.
In the end, this thesis analysises the the short block encryption's security performance and simulate the algorithm based on AES, resolves the exhaustive search problem of the short block encryption through limit the time of the cipher input by meter's user a day. All in all, the algorithm can satisfy the security needs of practical application.
论文首先介绍了AES加密算法的发展史，数学基础和算法原理；针对实际应用中对加密算法的要求，对AES的S-盒、行移位、列混合、轮密钥加四种变换进行了重新设计，设计了基于AES的十进制短分组加密算法；设计了应用系统中的密钥分配、密钥管理动态密钥产生算法；规定了加密通信的明文帧格式，建立了不可靠信道加密通信的协议，实现了预付费代码表计不可靠信道安全通信。
在预付电费解决方案中，我们在充分的考虑实际情况与安全系数的基础上，设计出了一整套加密系统。该系统在密钥的分发与管理中应解决对称加密中密钥分发和管理难的问题。它将AES加密算法、随机加密算法、混沌加密算法相结合，集中了以上三类加密算法的优点，如AES加密算法的安全性(抗各种攻击等)、运算的快速性；随机加密算法由参数决定加密算法，这里由密钥决定加密算法；混沌加密算法是一次一密，密钥对初始条件敏感。
论文最后对基于AES的短分组加密算法进行安全性分析和仿真测试，通过限制表计用户每天的密文输入次数，解决短分组加密的穷举搜索问题。该算法满足实际应用中的安全需要。
In current, domestic prepaid electric bill solution is achieved by contact or un-contact IC card. There are obvious limits within this kind of physical transfer method: Hard to carry, easy to lose and damage; Users must go to special management department in order to add funds, which consumes time and energy; The encryption algorithms of the IC card are usually DES (Data Encryption Standard) and TEA (Tiny Encryption Algorithm), which is slow and not strong enough, may be cracked. Therefore, in order to implement adding fund without physical medium, realize security communication via unreliable channel and transfer the cipher by people, the cipher must be a decimal number with fixed length. It can't satisfy the apply demand when using the existing encryption algorithms translate the cipher to decimal number, because some decimal number would never be used. It is necessary to study and design the short block encryption based on AES.
After introducing the development history, mathematics basic and the algorithm principle of AES, this thesis redesigns the four transforms of AES under the demand of practical application; designs the short block encryption based on AES; designs new algorithm about key distribution and Dynamic Key Distribution of application; prescribe the frame format of encryption communication, establish a protocol of encryption communication against unreliable channel; finally, encryption communication mode of pre-payment code meter is proposed.
Within the prepaid electric bill solution project, based on the adequate advisement of the practical situation and security ratio, we developed a whole set of encryption system. The system should resolve the problem of distribution and management with key to the Symmetric-key cryptography algorithm. It integrates AES encryption algorithm, random encryption algorithm and chaos encryption algorithm together, so this system absorbs the advantage of these three algorithms. For example, the system has the feature of AES such as security (anti-crack) and efficiency; the random encryption algorithm decides encryption algorithm by parameters while our system does it by the secret key; the key is sensitive to the initial condition like chaos algorithm, which always utilizes different keys.
In the end, this thesis analysises the the short block encryption's security performance and simulate the algorithm based on AES, resolves the exhaustive search problem of the short block encryption through limit the time of the cipher input by meter's user a day. All in all, the algorithm can satisfy the security needs of practical application.
引文
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