【摘要】：隨著現(xiàn)代化信息技術(shù)的發(fā)展,信息安全問題也愈加嚴(yán)峻,網(wǎng)絡(luò)安全事件接連出現(xiàn),包括個(gè)人信息、敏感數(shù)據(jù)、商業(yè)數(shù)據(jù)遭到泄露和竊取等。密碼技術(shù)是解決信息安全問題的核心技術(shù)。目前,工業(yè)實(shí)用的公鑰學(xué)方案幾乎都是基于大數(shù)分解問題和離散對(duì)數(shù)問題而構(gòu)造的。然而,這兩類問題可以用量子計(jì)算機(jī)在多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)求解,從而對(duì)目前流行和使用中的公鑰密碼方案造成了嚴(yán)重的安全威脅。尋找能夠抵御量子計(jì)算機(jī)攻擊的的密碼算法也成為了密碼學(xué)研究的一個(gè)重要方向。后量子密碼是基于傳統(tǒng)的特定數(shù)學(xué)領(lǐng)域的困難問題設(shè)計(jì)的,并且其安全性依據(jù)可抵御當(dāng)前已知的任何形式的量子攻擊。后量子密碼目前的主要研究方向?yàn)?基于格的密碼(Lattice-based);基于哈希的密碼(Hash-based);基于編碼的密碼(Code-based);多變量公鑰密碼學(xué)(Multivariate Public Key Cryptography)這四類。本文的研究?jī)?nèi)容著重于多變量公鑰密碼。多變量公鑰密碼經(jīng)過了三十年的發(fā)展,學(xué)者們提出了許多多變量加密方案和簽名方案。多變量密碼方案的運(yùn)算過程一般為多項(xiàng)式求值運(yùn)算或者矩陣之間的計(jì)算,因此其計(jì)算速度非常快,非常適用于計(jì)算能力有限的設(shè)備。然而,多變量密碼方案因?yàn)槊荑�過長(zhǎng)的問題,使得其在實(shí)際應(yīng)用中受到影響。密碼算法最終都是要走向?qū)嵱玫?設(shè)計(jì)基于多變量密碼的硬件是非常重要的。因此,本文關(guān)注多變量密碼方案的效率優(yōu)化并設(shè)計(jì)了高效實(shí)現(xiàn)的硬件。首先,本文提出了一種基于Toeplitz矩陣的SRP加密方案,通過使中心映射中的部分私鑰具有特殊的結(jié)構(gòu)使得解密過程中求解線性方程組時(shí)得到的系數(shù)矩陣為特殊的Toeplitz矩陣,這種特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以減少私鑰的大小并提高解密的速度。在安全性方面,本文分析了這種關(guān)系的引入對(duì)原本SRP方案的影響。經(jīng)過理論分析和實(shí)驗(yàn)證明,這種有特殊結(jié)構(gòu)的SRP方案不會(huì)對(duì)安全性產(chǎn)生影響。改進(jìn)后的SRP加密方案在私鑰的大小和解密的速度上有明顯的優(yōu)勢(shì)。其次,本文提出了適用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的多變量在線離線簽名方案,通過預(yù)計(jì)算的方法,極大地減少了簽名的實(shí)時(shí)延遲和開銷。本文將多變量在線離線簽名方案部署到能量采集無線傳感網(wǎng)絡(luò)中,通過在能量峰到來時(shí)進(jìn)行預(yù)計(jì)算,將能量收集技術(shù)和預(yù)計(jì)算的方法結(jié)合起來,降低了無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)簽名的實(shí)時(shí)延遲,同時(shí)降低了系統(tǒng)的能量開銷,使它更適用于部署在資源受限的無線傳感網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中。再次,基于PMI+加密方案,本文針對(duì)密碼硬件設(shè)計(jì)的兩個(gè)方向(面積和速度),設(shè)計(jì)了兩種PMI+加解密硬件。其中,第一種是小面積的PMI+加解密硬件,該硬件基于微程序控制器設(shè)計(jì),其占用資源少。第二種是快速的PMI+加解密硬件,該硬件基于狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì),通過增加一些模塊,用面積換取更快的解密速度,其解密速度非�？�,且綜合性能非常好,同時(shí)也是一種高效的加解密硬件。本文實(shí)現(xiàn)了全并行的大域乘法、大域平方、向量點(diǎn)積。并且對(duì)大冪運(yùn)算給出了優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)。通過上述主要優(yōu)化和其他小的改進(jìn),本文在FPGA上高效地實(shí)現(xiàn)了PMI+加、解密硬件。最后,本文設(shè)計(jì)了一種適于資源受限環(huán)境的多變量密碼硬件,其占用面積非常小,且綜合性能比較高,該硬件可用于信息加密和數(shù)字簽名,并在FPGA上進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。首先,本文對(duì)域上的基本運(yùn)算單元進(jìn)行高效的實(shí)現(xiàn)。然后通過在多變量密碼硬件中增加一個(gè)ROM來減少對(duì)RAM的讀寫操作及RAM的大小,本文優(yōu)化了微處理器指令的長(zhǎng)度及內(nèi)部寄存器的位寬,同時(shí)對(duì)內(nèi)部寄存器采用分時(shí)復(fù)用的方式以減少內(nèi)部寄存器的使用數(shù)量。本文還優(yōu)化了多變量加密過程、線性方程組系數(shù)矩陣求解過程及求解線性方程組過程。此外,通過上述的優(yōu)化設(shè)計(jì),本文設(shè)計(jì)的多變量密碼硬件只使用了非常少的硬件資源,且簽名和加密速度快,非常適用于資源受限的環(huán)境,該多變量密碼硬件可用于實(shí)現(xiàn)多種多變量密碼方案。
【圖文】：

′h，則接受簽名，否則拒絕簽名。雙極型多變量方案計(jì)算過程如圖2-3所示。圖 2-3 雙極型多變量密碼方案計(jì)算過程目前，大多數(shù)多變量密碼方案都是屬于雙極型系統(tǒng)的，包括 MI 加密體制、UOV 簽名體制、ABC 加密方案等等。2.3.2 混合型構(gòu)造形式混合型多變量系統(tǒng)目前相對(duì)較少，其相關(guān)的方案主要有 Little Dragon、Big Dragon等。混合型系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2-4所示。其中，F(xiàn) 為一個(gè) 階有限域，1 2為正整數(shù)， F 1 F 1 和2F 2 F 29

程中出現(xiàn)傳輸分組的碰撞而產(chǎn)生更多的開銷。常用的方法是讓沒有數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，而讓數(shù)據(jù)需要傳輸?shù)膫鞲衅鞴?jié)點(diǎn)則處于蘇醒狀態(tài)。傳感器節(jié)點(diǎn)的服務(wù)周期主要由 MAC 層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)定，為每個(gè)節(jié)點(diǎn)規(guī)定睡眠與蘇醒周期。節(jié)點(diǎn)處于休眠期時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)將關(guān)閉其主數(shù)據(jù)接收天線，進(jìn)入休眠以達(dá)到節(jié)省能量的目的。當(dāng)節(jié)點(diǎn)的蘇醒周期到來時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)將開啟數(shù)據(jù)接收天線，從而可以重新數(shù)據(jù)接收。在節(jié)點(diǎn)工作時(shí)間后，對(duì)信道進(jìn)行監(jiān)聽，判斷是否可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行收發(fā)。周期性喚醒的方法是最簡(jiǎn)單的用于處理喚醒模式與休眠模式的切換方法，即讓節(jié)點(diǎn)周期性進(jìn)入休眠和蘇醒時(shí)期，然而這種方式的切換會(huì)使得很多時(shí)間節(jié)點(diǎn)在喚醒的時(shí)候不需要收發(fā)數(shù)據(jù)。這種時(shí)候通訊開銷有時(shí)候通常會(huì)很大。因此，我們?cè)谙到y(tǒng)中集成了先進(jìn)的低功耗射頻喚醒接收器，用于消除了主收發(fā)機(jī)的空閑監(jiān)聽，，實(shí)現(xiàn)低延遲異步通信。大大地減少了通信開銷。圖4-4與圖4-5記錄了在不使用預(yù)計(jì)算的情況下，HS-Sign 和循環(huán) UOV 在數(shù)據(jù)采集通訊、生成簽名過程的每日平均能量開銷。
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN918

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