（电磁场与微波技术专业论文）基于虚拟光学的信息安全系统研究.pdf

意。 学位论文作者签名：j 主次 签字日期：2 劣毋月 学位论文版权使用授权书 岁日 本学位论义作者完全了解 重麽也e 电太堂一有关保留、使用学位论 文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权重麽由虫太堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 1气涩 导师签名： 俐 j1 止 。 签字日期：2 伊当年7 月3 日 签字日期：7 刃g 年名月 重j 人邮电大学硕上论文 摘要 摘要 进入信息时代后，信息安全问题成为人们关注的焦点，密码技术是信 息安全的核心技术。现代密码体制分为公钥体制和私钥体制两大类。私钥 体制又称单钥体制，其加密密钥和解密密钥相同；公钥体制又称为双钥体 制，其加、解密密钥不同，可以公开加密密钥，而仅需保密解密密钥，从 而具有数字签名、鉴别等新功能。基于光学理论与方法的数据加密技术是 近年来在国际上开始起步发展的新信息安全技术，本文对这项技术能够实 现光学信息保密的密码学原理进行了定的探索。主要工作包括以下几个 方面： 1 在深入研究双随机相位光学编码系统理论的基础上，结合光学全息技 术给出了一种非线性虚拟光学加密算法，并利用m a t l a b 仿真工具，对 该算法进行了数值模拟，分析了其安全性；对基于虚拟光学的密码体 制在密码学上具有的特点进行了总结。 2 从完整的信息安全系统角度考虑，提出了基于虚拟光学加密技术和椭 圆曲线密码技术的混合密码体制v o e ，并设计了用户注册协议、用户 认证与密钥分发协议。v o e 算法充分利用这两种密码体系各自的优点， 能够实现文件数据信息快速、安伞的传递和信息完整性、真实性的验 证，具有很强的不可否认性，可达到一次一密的效果。从而构建了一 个网络环境下的虚拟光学信息安全系统模型。 3 利用v i s u a ls t u d i o n e t2 0 0 3 完成v o e 加密体制的软件实现，设计了相 应的数据结构和算法。 4 论文最后对本文的研究进行了总结，并对以后的工作作了展望。 关键词：虚拟光学，信息安全，双随机相位，密码学，公钥密码体制 至j 人邮电大学硕上论丈a b s t r a c t a b s t r a c t i n f 6 r m a t i o ns e c u r i t yh a sb e c o m ea n i n c r e a s i n g l yi m p o r t a n ti s s u ea n d d r a w nm u c ha t t e n t i o ni nt h ei n f b r m a t i o na g e ，c r y p t o g r a p h yi st h ec o r eo ft h e i n f 6 r m a t i o n s e c u r i t y m o d e r nc r y p t o s y s t e mi s d i v i d e di n t ot h ep u b l i ck e y s y s t e ma n dt h ep r i v a t ek e ys y s t e m t h ep r i v a t ek e ys y s t e mi sa l s oc a l l e dt h e s i n g l ek e ys y s t e m ，i nw h i c ht h ee n c r y p t i o nk e yi st h es a m ea st h ed e c r y p t i o n k e y t h ep u b l i ck e ys y s t e mi s a l s oc a l l e dt h ed o u b l ek e ys y s t e m ，w h i c h e n c r y p t i o nk e yi s d i f f 色r e n tw i t ht h ed e c r y p t i o nk e y s i n c et h ep u b l i c k e y s y s t e mc a no p e ni t sp u b ii ck e ya n dk e e pi t sp r i v a t ek e ys e c r e t ，i th a sm a n y n e wa p p li c a t i o n ss u c ha st h ed i g i t a l s i g n a t u r ea n da u t h e n t i c a t i o n o p t i c a le n c r y p t i o ni se m e r g i n ga st h e n e x tg e n e r a t i o n t e c h n o l o g yo f i n f 0 r m a t i o ns e c u r i t y i nt h i st h e s i s ，an e wr e s e a r c ho fo p t i c a ie n c r y p t i o nh a s b e e ni m p l e m e n t e d t h em a i nc o n t r i b u t i o n si n c l u d ef b l l o w i n ga s p e c t s ： 1 a nn o n li n e a rv i r t u a lo p t i c se n c r y p t i o na l g o r i t h mi s p r o p o s e db a s e d0 n d o u b l er a n d o mp h a s e o p t i c a le n c o d i n gs y s t e ma n dh o l o g r a p h y w eu s e m a t l a bt oa n a l y z et h es e c u r i t yo ft h ea l g o r i t h mb yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n s t h ec h a r a c t e r i s t i c so nc r y p t o l o g yo ft h ec r y p t o s y s t e mb a s e do nt h ev i r t u a l o p t i c se n c r y p t i o nh a v eb e e ns u m m a r i z e d 2 t h ev o ea l g o r i t h mb a s e do ns e c u r i t ys y s t e mm o d e li s p r o p o s e d t h e p r o p o s e dm o d e le m p l o y s ah y b r i da r c h i t e c t u r ei nw h i c ha s y m m e t r i c e n c r y p t i o na l g o r i t h mb a s e do nv i r t u a io p t i c sa n da na s y m m e t r i ce n c r y p t i o n a l g o r i t h mb a s e do ne c c ，i t sl o g i np r o t o c o la n dd i s t r i b u t i o np r o t o c o l i s p r o p o s e d t h e s p e c i a la d v a n t a g e s o f s y m m e t r i cc r y p t o s y s t e m a n d a s y m m e t r i cc r y p t o s y s t e ma r eu s e dt 0e n c r y p ti m p o r t a n ti n f o r m a t i o ni nv o e a l g o r i t h m t h ev o ea l g o r i t h mc a nr e a li z et h ef a s tt r a n s f e r r i n go ft h e i m p o r t a n ti n f b r m a t i o n i ta l s oc a nr e a l i z et h ev e r i f i c a t i o na b o u tt h ei n t e g r i t y a n d a u t h e n t i c i t y o ft h ei n f b r m a t i o n t h i s a l g o r i t h m h a s v e r ys t r o n g n o n - r e p u d i a t i o n ，a n di t c a na c h i e v et h ee f f 色c to fo n e - t i m e - p a d s o ，t h e i n f b r m a t i o ns e c u r i t ys y s t e mm o d e lb a s e do nv i r t u a lo p t i c sf 6 ri n t e r n a t i o n a l n e t w o r kj sc o n s t r u c t e d 3 t h es o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o no fv o ei sc o m p l e t e dw i t hm i c r o s o f tv i s u a l i i c t 4 t h ec o n c l u s i o n 0 ft h i sr e s e a r c hi sa c h i e v e d a n dt h ef b r e c a s t0 fl a t e r r e s e a r c hi sm a d ei nt h i st h e s i s k e y w o r d s ：v i r t u a lo p t i c s ，i n f o r m a t i o ns e c u r i t y ，d o u b l er a n d o mp h a s e ， c r y p t o g r a p h y ，p u b l i ck e yc r y p t o g r a p h y i i i 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 密码学基本概念l 1 2 研究背景3 1 3 光学信息安全技术国内外研究现状3 l 。4 研究目的及意义6 1 5 本文研究内容6 1 6 论文结构7 第二章双随机相位光学编码系统8 2 1 基本原理8 2 2 双随机相位光学编码系统的安全性分析9 2 2 1 唯密文攻击9 2 2 2 已知明文攻击1 0 2 2 3 选择明文攻击1l 2 3 实验结果及分析1 2 2 4 双随机相位光学编码系统的改善方案13 2 4 1 基于菲涅耳域的双随机相位光学编码系统l3 2 4 2 二次相位编码系统1 5 2 4 3 基于数字全息的相位编码系统1 6 第三章虚拟光学加密核心算法17 3 1 虚拟光学基本概念1 7 3 2 光学全息数学模型1 8 3 3 加解密算法设计1 9 3 4 算法安全性分析2 l 3 5 实验结果及分析2 2 3 5 1 衍射距离错误对解密结果的影响2 3 3 5 2 相位板函数错误对解密结果的影响2 6 3 6 算法复杂度2 8 3 7 虚拟光学加密系统的密码学特点2 8 i v 重j 人邮电大学硕上论文 目录 第四章基于虚拟光学的混合加密系统2 9 4 1 公钥密码体制基本原理2 9 4 2 公钥基础设施31 4 3v o e 混合密码体制3 2 4 3 1 椭圆曲线密码体制3 3 4 4v o e 模型设计3 5 4 4 1v o e 认证3 6 4 4 2v o e 加密算法3 9 4 5v o e 安全性分析3 9 第五章v o e 加密系统的软件实现4 l 5 1v o e 的数据转换类型4 l 5 2 开发环境与工具4 l 5 3 虚拟光学加密算法关键类的设计4 2 5 3 1 数据转换类c v o e d a t a 4 2 5 3 2 虚拟光学加密类c v o e e n c r y p t i o n 4 5 5 4 椭圆曲线关键类的设计4 5 5 4 1 有限域类c e c c f i e l d e l e m e n t 4 5 5 4 2 椭圆曲线上的点类c e c c p o i n t 4 6 5 4 3 用户信息类c e c c u s e r 4 7 5 5v o e 的软件实现4 7 5 5 1 数据加解密测试4 8 5 5 2e c c 密钥生成5 0 5 5 3 会话密钥加密5 l 5 5 4 会话密钥解密5 1 第六章总结5 2 致 谢5 4 参考文献5 5 附录一：攻读硕士学位期间发表的论文5 8 v 重j 人邮电大学硕上论文 第。章绪论 第一章绪论 随着计算机技术与通信技术的乜速发展，人们对信息的需求与日俱 增。与此同时，各种非法获取有效信息的事件不断发生，使得信息的保护 越来越受到人们的关注。信息保护涉及许多方面的因素，包括自然灾害、 网络或者系统本身的漏洞、管理方面的缺陷、协议结构的不完善、对信息 处理的方式等。所有这些因素可以归纳为三个主要方面：人为因素、物理 因素和信息安全的处理方式。为了防止这些因素造成信息的丢失和泄密， 人们采取了许多安全策略，如加密、软硬件控制、各种物理控制、严格的 管理制度等。在信息安全与数据保护方面，即在对信息的安全处理模式方 面，密码学提供了保护信息的晕要方法与手段。 1 1 密码学基本概念 保密性是信息安伞的一个重要方面，所谓保密性就是保证信息不泄漏 给未授权的客体。信息的保密性可通过密码体制来得到保护，密码体制描 述为：需要保护或隐蔽的信息在某个或某些参数或某个过程的控制下，消 息成为未授权者不可识别的符号序列，而接收端的合法接收者在相应参数 或过程的协助下容易获得信息。这里，需要保护或隐蔽的信息称为明义， 用m 表示，所有明文的集合称为明文空间，用j o 表示；使用的参数或过 程称为密钥，用k 表示，所有可能的密钥构成的集合称为密钥空间，用二 来表示：未授权不可识别的符号称为密文，用c 表示，所有密文的集合称 为密文空问，用表示；使明文成为密文的过程称为加密，用e 表示，其 反过程称为解密用d 表示。用密码学语言描述，密码体制可以定义如下： 在加密密钥的控制下将明文转换成密文，而在解密密钥的控制下将密文转 换为明文i 。 为了保护信息的保密性，防止各种形式的窃听，一个密码保密系统应 该满足如下的要求： 系统即使达不到理论上的不可破，也应该是实际上不可破的。 系统的保密性不依赖于对加密体制或算法的保密，而依赖于密钥。 加密和解密密钥算法适用于所有密钥空间中的元素。 重人邮电大学硕上论文 第章绪论 在信息保护方面，除了合法的接收者以及授权用户外，还有非授权者。 为了谋求各自的利益，非授权者必然会试图通过各种办法来窃取机密信 息。这种非授权者在密码学中称为攻击者，对保密系统采取截获密文并进 行分析的攻击方法称为被动攻击。除了窃听者外，有些非授权者还会试图 破坏合法通信者之间传输的信息，主动向信息安全系统串扰，采用删除、 增添、重放、伪造等篡改手段向系统注入假消息，从而实现窃取机密信息 的目的，这种攻击方法称为主动攻击方法。 根据密码变换中使用的密钥的特性不同，可将密码系统分为两大类： 单钥密码体制和双钥密码体制。其中，单钥密码体制也称为对称密码体制： 双钥密码体制也称为非对称密码体制【lj 。 对称密码体制的特点是加密密钥和解密密钥相同。从加密模式来看， 对称密码体制可分为序列密码和分组密码两大类。对称密码体制中通信双 方使用同一个密钥或者具有对称性的密钥，密钥必须由通信双方秘密保 存。对称密码体制实现简单，但是，这种密码体制的密钥特点增加了密钥 管理的难度。另外，对称密码体制的密钥必须通过所谓的安全信道传送， 由于至今没有任何形式的证据能够在没有假设的前提下证明所需的安全 信道足绝对安全，所以在对称密钥体制中存在c a t c h2 2 问题【2 1 。 对称密码体制足从传统的简单换位、代替密码等形式发展而来的，自 19 7 7 年美国颁布d e s 密码算法作为美国数据加密标准以来，对称密钥密 码体制得到了迅猛的发展，在世界各国得到了关注和使用。目前，国际上 作为数据加密标准的对称密码算法是a e s 。 非对称密码体制的特点是将加密和解密密钥分开，即加密密钥和解密 密钥不同。在非对称密码体制的两个密钥中，通过一个密钥可以轻易的导 出另一个密钥，但是相反的过程很难或者不可能。非对称密码体制又称为 公钥密码体制，其特点是：两个密钥中一个可以公开，公开的密钥称为公 钥，另一个密钥称为私钥，其中公钥可以象电话号码一样进行注册。 19 7 6 年d i f f i e 和h e l l m a n 提出了公钥密码体制的思想【川，这种思想对 密码学产生了重大的影响。在这种思想的基础上，人们提出了多种公钥密 码算法。不过，其中许多算法是不安全的，一些认为是安全的算法又有许 多是不实用的，他们要么是密钥太大，要么密文扩展十分严重。多数经典 公钥密码算法的安全基础是基于数学问题的难解性。在至今为止的所有公 钥密码中，最著名的是由r r i v e s t ，a s a m i r 和l a d i e m a n 三位教授于19 7 7 年提出的r s a 。 由于公钥密码体制中加密和解密过程是不对称的，在使用公钥密码体 2 第章绪论 1 2 研究背景 加密功能外，公钥密码系 近代密码学主要是建立在数学理论基础上的，并且已发展到较为完善 的程度。但随着计算机技术和数学理论的发展以及网络和多媒体技术的日 新月异，以数学为基础的密码技术遇到了一些困难，这主要表现在两个方 面： 安全性与速度性的矛盾，即现有密码体制安全性的提高是以降低对明 文信息的处理速度为前提。 海量信息与处理速度限制的矛盾，尤其在数宁图像加解密方面，图像 编码所含的信息量很大，而现有密码体制单位时间内对明文信息的吞 吐速率是有限制的。 于是，人们开始寻找更安全更简单的加密体系。与此同时，物理学及 其相关技术早己突破经典物理学范畴，促使人们产生了用物理学方法对信 息进行加密的思想。许多新的物理学方法被引入到信息保密领域。上世纪 8 0 年代以来，随着光学模式识别加密、混沌加密、量子加密等以物理学为 基础的加密方法相继提出，为密码学的研究和应用开辟了一个伞新的领 域，受到密码学界和物理学界的高度重视。 光学作为物理学的重要分支，在信息安伞领域有着广阔的应用前景。 与传统计算机技术相比，光学信息处理系统恰恰在处理速度、并行性、加 密维度等方而有着得天独厚的优势，就算把多路信号同时加载到不同的光 信道上，输入到同一个光信息系统中，系统也能以高速同时对这多路信号 进行处理。由此可见，利用光学技术能有效解决目前密码学中存在的海量 信息与处理速度受限的困难，因而探索和开发光学信息安全系统具有很高 的学术和应用价值。 1 3 光学信息安全技术国内外研究现状 光学技术应用于安全领域，最早可追溯到上世纪8 0 年代初期。 a m e r i c a nb a n k n o t eh o l o g r a p h i c 公司首次为v i s a 公司和m a s t e r c a r d 国际公 司生产的信用譬引入全息防伪技术。此后lo 多年里，这种基于彩虹全息 重j 人邮电大学硕l 论文 第章绪论 的防伪技术，迅速应用到安全和日常生活的方方面面。根据应用范围的不 同，科研人员相继开发出莫尔条纹、光可变器件【4 - 5 】等技术以防止对机密 文档和认证信息的非法复制，并在防伪领域中得到应用。r e n e s s e 在2 0 0 2 年光学安全和防伪技术国际会议上指出，这些不含密钥的加密技术在安全 性方面已经显露出弊端1 6 j ，因而很有必要寻求新的具有更高性能的安全技 术。19 9 5 年由b j a v i d i 等人率先提出的双随机相位编码技术【。7 】( d o u b l e r a n d o mp h a s ee n c o d i n g ，d r p e ) ，掀起了光学安全、光学加密领域的研究 热潮。2 0 0 1 年j a v i d i 和r o s e n 借助基本的光学变换实现了半色调图像的信 息隐藏哺j ，2 0 0 2 年j a v i d i 首次设计了利用双随机相位编码的图像隐藏方案 一j ，这些成果使得利用光学技术进行信息隐藏的研究在一个崭新的高度上 得到了发展。现代光学信息隐藏通常借助密钥作用，对待加密图像进行光 学变换或处理，在空域内实施嵌入载体图像的操作完成隐藏。所应用的主 要技术手段是随机相位编码和数字全息技术，隐藏算法的密钥则通常采用 随机相位板( r a n d o mp h a s em a s k ，r p m ) ，它能有效白化相位以及振幅，既 可以用传统的光学器件又可以用计算机模拟生成。 双随机相位编码技术的提出，引起了世界上许多国家科研人员的注意 和兴趣，并纷纷投入到这一领域的研究，大大促进了该理论和技术的发展。 乌克兰国家科学院卡尔边科机械物理所的科学家，研制出了应用于信用 卡、证券等各利证件防伪的光学相干识别仪器，并获得多项专利；印度理 工学院光子学研究小组的研究人员基于分数傅里叶变换( f r a c t i o n a lf o u r i e r t r a n s f o r m ，f r t ) 提出更具一般性的双随机相位编码系统，该系统可以采用 二次相位加密系统( q u a d r a t i cp h a s es y s t e m ，q p s ) 实现1 1 0 】：该系统需要3 个 平面：输入平面、加密平面和输出平面，以及在输入平面和加密平面各放 一块r p m 。该系统除了拥有r p m s 作为加密密钥外，输入、输出尺度因子 和分数傅里叶变换的阶数也能起到密钥的作用，并且能组成级联加密系统 【，使之具有更高的加密维度，更高的安全性；j o h n s o n 和b r a s h e r 提出了 一种应用衍射光学元件( d i f f r a c t i v e0 p t i c a le l e m e n t ，d o e ) 的加密方案【坛j ， 该方案可以采用p o c s 【13 1 等算法，应用p o c s 算法【2 1 和s a 算法【1 4 1 的系统 已经成功实现。d o e 应用使得将来微型、紧凑的集成光学加密系统的实现 成为可能；一般来说，经纯粹的光学系统加密的数据是复数形式的，不利 于传输。为了解决此问题，可以借助数字全息技术将光学模拟技术数字化 【”】。加密系统可以采用相移干涉测量技术i1 6 】、同轴数字全息技术或离轴数 字全息技术来实现【l7 】；丹麦科学家基于相衬技术提出了一种纯相位 ( p h a s e o n l y ) 光学加密方案i ”】，这种技术只能对相位型信息进行加密。随后， 重j 人邮电大学硕上论文第章绪论 他们又发展出了一种反相衬技术【”】，结合相衬技术和反相衬技术使得该光 学加密方案能够对振幅信息进行加密；随着用于存储和传输的三维信息所 占比重不断增加，k i s h k 和j a v i d i 借助于同轴数字全息术，在三维物体信 息中隐藏平面水印图像方面作了有益尝试【20 1 ，k i m 等在类似的以三维信息 做载体的信息隐藏研究中，对嵌入权重因子做了分析优化l z ，由此把受阻 塞攻击的影响降到最低；2 0 0 4 年j j k i m 等利用非线性光学联合变换相关 器进行加密图像的提取，建立了多图像隐藏的光电混合系统【22 】；在虚拟光 学( v i r t u a lo p t i c s ，v o ) 的概念上，彭翔等研究者提出了一些二维图像加密和 水印技术相关的具体方法【2 3 ，2 4j ，并用数字信号处理( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s ， d s p ) 芯片做了相关的硬件实现。 结合光学加密技术和传统密码技术的研究也取得了一定进展。l i n 等 人利用公钥算法【25 1 ，将双随机相位编码方案改进为公开密钥系统，解决了 加密中对称密钥的传输问题，但是该方案并未将光学加密方案构建为一个 完整的信息安全系统，其中系统“公钥”如何发布这一关键技术并未解决， 不能保证系统公钥在传输过程中的安全性。随后彭翔等人从一个完整的安 全系统的角度来考虑光学信息问题，基于公钥密码学的概念与技术提出一 种混合密钥加密技术，并加入认证技术从而构建了一个网络环境下的虚拟 光学信息安全系统模型【2 引，其公钥采用r s a 来实现，光学加密的使用还 是在对称加密的层面，但是，该方案并没有给出认证协议和数字签名等关 键技术的解决方案。这一系列工作，已经为光学加密系统从以信息隐藏和 图像加密为主到应用于更具一般性数据的加密提供了很好理论支持。 另外，随机相位编码只是光学加密技术的一个方面，从整个光学技术 的角度来看，目前已经有人对彩色图像加密和完全非相干光学加密作了不 少研究【2 7 2 8 】；也有人注意到光信号的偏振特性，并实现了光学信息的偏振 加密【2 9 ，3 0 】；非线性光学的混沌特性也是应用于信息加密的一个研究热点 【3 l 】：再有就是数字光学技术，这更有利于光学技术与业已发展程度非常高 的数字技术相结合，目前关于光学序列密码的实现口2 】和一些全光密码器件 的发明【 l 已有报道。 自2 0 0 5 年以来，采用光学方法对数据进行加密的最新进展还包括： g s i t u 和j z h a n g 将波l j ：复用技术引入到了菲涅耳域的双随机相位加密系 统中【3 4 】，完成了多幅图像的加密，并分析了系统的最小波长间隔和复用容 量等问题。l c h e n 等人提出基于分数小波变换( f w t ) 的光学图像加密方法 【35 1 。j b a r r e r a 等人给出了一种利用波带片完成的光学图像加密技术【3 6 】。 b h e n n e l i v 和j s h e r i d a n 研究了基于傅立叶变换、分数傅立叶变换、菲涅 重j 人邮电大学硕上论文第章绪论 耳变换、广义线性规范变换等光学信号处理技术的图像加密系统中的空间 带宽积问题，分析了加密系统的性能及参数取值问题【37 1 。y d o h 等人提m 了种能够保护个人身份识别信息的光学安全系统【38 1 。2 0 0 6 年h k i m 和 y l e e 提出了一种新颖的体全息图光学加密系统【39 1 。 1 4 研究目的及意义 光学信息安全作为一种非数学的密码理论和技术已经显示出极大的 发展潜力并成为当前国际上的研究热点。另一方面，对丁光学加密技术的 研究尚处于初步探索阶段，目前还存在很多问题没有解决，主要体现在： 从密码学的观点来看，国际上绝大多数报道的关于光学加密的工作都 属于对称密码的范畴，对光学非对称密码系统( 公钥密码系统) 的研 究极少。而非对称密码学( 公钥密码学) 无沦是从信息安全理论体系 的完整性，还是从实际应用( 密钥分配、数宁签名、身份认证、网络 安全等) 的重要性来看都是极其重要的。如何将现有的基于光学理论 与方法的数据加密系统与信息安今领域的国际标准相结合，从而能够 嵌入到公钥基础设施( p u b i i ck e yi n f r a s t r u c t u r e ，p k i ) 中去以便解决网络 环境下的各种应用以及密钥分配、密钥管理等，也是值得探讨的问题。 目前国际上所报道的光学信息安伞实验装置与系统的部件大多采用自 由守问传播的光学元器件。这样的实验系统灵活性差，而且造成解密 质量不高，光学信息安伞技术不能与发展程度非常高的数字技术有机 的结合起来。 由此可见，尽管光学信息安全的理论与技术具有极大的潜力，但要将 它从实验室推向真正的实际应用还有很多大键技术问题需要解决。囚此， 深入的研究来逐步解决这些问题，系统地发展基于光学概念和方法的信息 安全理论与技术、具有重要的现实意义。 1 5 本文研究内容 就目前而言，国内外公开发表的有关虚拟光学密码理论与实现的学术 论文并不多，人们对虚拟光学密码理论主要停留在数字图像加密领域。 本论文在分析及借鉴已有方法的基础上，主要做了以下几个方面的工 作： 6 重j 人邮电大学硕上论文第章绪论 ( 1 ) 在双随机相位光学编码系统基础上，提出一种新的虚拟光学加密 算法，改变了双随机相位光学编码系统中明文、密文、密钥之间的线性关 系，改进了系统的安全性。 ( 2 ) 结合虚拟光学加密系统和椭圆曲线密码系统，提出基于虚拟光学 的混合密码体制，并设计该密码体制的注册协议、认证及密钥分配协议。 ( 3 ) 在v i s u a ls t u d i o n e t2 0 0 3 平台上用c + + 实现一种虚拟光学密码体 制的综合加密系统。 ( 4 ) 对虚拟光学密码体制进行安全强度、执行效率等方面的评价。 1 6 论文结构 本文共分六章，各章主要内容安排如下： 第一章，介绍密码学基本概念，以及光学加密技术国内外研究进展， 最后介绍本文的工作和内容安排。 第二章，首先阐述基于4 厂系统的双随机相位光学编码系统基本原理， 分析其加解密效果以及安伞性，利用m a t i a b 软件进行数字仿真。接着提出 基于4 7 厂系统的双随机相位光学编码系统的几种改进方案。 第三章，我们提出一利t 新的虚拟光学加密算法，并对其进行安伞性分 析。利用m a t l a b 软件对解密密钥对解密结果的影响进行数字模拟。 第四章，结合虚拟光学加密系统和椭圆曲线密码系统，提出基于虚拟 光学的公钥密码体制。 第五章，在v i s u a ls t u d i o n e t2 0 0 3 平台上利用c + + 完成v o e 加密体制 的软件实现，设计了相应的数据结构和算法。 第六章，总结了本文所做的工作，并探讨了迸一步的研究方向。 7 统 本章主要阐述目前比较热门的双随机相位光学编码系统。在分析双随 机相位光学编码系统的基本原理后，着重讨论了其安全性，并进行计算机 模拟实验，最后提出基于双随机相位光学编码系统的衍生方案。 2 1 基本原理 由p r e f r e g i e r 和b j a v i d i 提出的双随机相位光学编码系统【7 1 如图2 1 所示的4 ，系统来实现。 列乇 弋 。 一，。 乙化 卜一卜_ + 一卜斗一+ 一，1 图2 1 实现双随机相位编码的4 ，系统 设以x ) 表示待编码的原始明文图像，r p ml 和r p m 2 为两个均匀分布 在【o ，1 且彼此独立的随机函数，分别用丹( x ) 和6 ( ，d ，这里( x ) 为窄域坐 标，( ，d 为频域坐标。 编码时，将待编码的原始图像以x ，y ) 与随机相位板r p m1 紧贴一起放在 4 ，系统的输入面上，首先利用r p m l 对以x ) 在空域进行凋制，在频谱面 利用r p m 2 进行滤波，得到最后的加密图像，其结果可表示为： g ( x ，y ) = ( x ，y ) e x p 【2 刀门( x ，y ) 】 o 办( x ，夕) ( 2 1 ) 其中，矗( x ，y ) = f 丁一 e x p 【2 万6 ( ，y ) 】 ，f 7 代表逆傅立叶变换，o 代表卷 积运算。 上述加密过程在频域中的表示为： g ( ，y ) = f 丁 厂( x ，y ) e x p 【_ ，2 万一( x ，y ) 】 e x p 2 万6 ( ，y ) 】 ( 2 2 ) 其q jf 7 代表傅立叶变换。 解码时，将编码后的图像g ( x ) 置于4 ，系统的输入端，经傅立叶变 换后，在频谱面上利用相位函数e x p 【2 冗6 ( ，d 】滤波，再经逆傅立叶变换， 重人邮电大学硕上论文第二章双随机相位光学编码系统 即可以恢复出以x ) e x p 【，2 7 c ”( x ) 】。因为图像是正的实值函数，故经c c d 等强度探测器件即可恢复m 明文信息【x ，y ) ，用下式表示： 厂( 工，y ) = f 丁- 1 g ( ，y ) e x p 【一2 万6 ( ，y ) 】 = f 7 1 一 f 7 1 厂( x ，y ) e x p 【2 刀珂( x ，y ) 】) ， e x p 2 万6 ( ，y ) e x p 一2 万6 ( ，y ) = 厂( x ，y ) e x p 【2 万刀( x ，j ，) 】 从上面描述的编码和解码过程可以看出，双随机相位光学编码系统利 用两个独立的随机相位掩模板分别对原始图像在空域和频域进行调制， 将原始图象编码为复振幅稳定的白噪声，当输入的以x ，y ) 为实函数时，只 需要傅立叶频谱面上的相位板函数r p m 2 作为解码的密钥即可以在输出 面获得【x ) ：而当输入的以x ) 为经过预编码的复函数时，则必须两块相 位板函数作为解码密钥。 2 2 双随机相位光学编码系统的安全性分析 基于标准4 7 系统的双随机相位光学编码系统在安全领域得到了最广 泛的研究。然而，双随机相位光学编码系统是基于傅立叶变换的系统，其 本质上足一种线性变换关系，所以明义、密文、密钥之间的函数依赖关系 比较简单，这就为其安伞性留下了很大的隐患。一些学者已经证明，通过 选择明文、已知明文等攻击方法可以得到系统的加密密钥【4 0 ，4 1 1 。 2 2 1 唯密文攻击 在仅知道密文的前提下，对双随机相位光学编码系统的攻击只能通 过随机相位函数可能的取值范围进行试凑，这样的计算量相当巨大。假 设随机函数门( j ，j ，) 和6 ( ，d 在【0 ，l 】区间的取值分别量化为l 。、厶级，由一 幅大小为的编码图像g ( j ) 完全推导出原始图像以x ) ，需要进行 l 。“次运算。假设l 。= “= 2 ，对于一台运算速度为lo 次秒的计算机 破解l0 0 lo o 大小的加密图像就需要5 1 l0 4 2 年的时间，这样的破解在 现实中是没有意义的。因此，双随机相位光学编码系统对唯密文攻击具 有很高的安全性。 9 统 假定攻击者已经掌握若干密文，并且还知道对应的明文本身，攻击 者采用已知的明文密文对来分析系统的加密密钥的攻击方法称为已知明 文攻击【40 1 。攻击的过程分为以下两个步骤： ( 1 ) 利用相位恢复算法获得输入平面的随机相位函数密钥 在已知明文条件下，攻击者已获知一个明文- 密文对圻( x ，少) ，g i ( x ) ， 对g i ( x ) 取傅立叶变换并由( 2 2 ) 式可得： g f ( ，y ) = f 7 z ( 工，j ，) e x p 【2 万刀( x ，y ) 】 e x p 【2 万6 ( ，y ) 】 ( 2 4 ) 令： z ( x ，y ) = z ( x ，y ) e x p 2 万玎( x ，y ) 】 ( 2 5 ) d ，( ，y ) = f 7 1 【z ( j ，y ) 】 ( 2 6 ) 口j 得： g f ( ，y ) = f 啪( j ，川e x p _ ，2 砌( ，y ) 】 ( 2 7 ) = p ( ，y ) e x p 【2 万6 ( ，y ) 】 、 对式( 2 7 ) 两端取模得： l q ( ，y ) l = i 口( ，矿) i ( 2 8 ) 同时： l z ( j ，j ，) i = i ，( j ，y ) e x p 【2 万门( x ，y ) 】l = l z ( x ，y ) l ( 2 9 ) 由式( 2 8 ) 、( 2 9 ) 可以看到：此时攻击者已知明义和对应的密文，寻 求输入平而的密钥门( j ) 的问题已经转化为：已知输入平而的强度信息和 频谱而的强度信息，如何去恢复输入平而上的相位信息的问题，这样可 以用相位恢复算法进行迭代求得输入平而的密钥刀( x ) 。 ( 2 ) 由输入平面密钥推导出频谱面密钥 在已知明文攻击的条件下，若攻击者已按上述第一个步骤中提供的 方法并通过常规的相位恢复算法获得了4 j 厂系统输入平面的随机相位函数 密钥玎( x ) ，又因为明文z ( x ，y ) 和g i ( x ) 密文为已知，则由( 2 4 ) 式可立即 给出其频谱面的随机相位函数密钥： e x p 【2 万6 ( ，y ) 】2j i f 了了j j i j 号毛：毫褊( 2 lo ) 至此，攻击者已经成功找到了双随机相位加密系统的两个加密密钥， 从而攻破了该系统。 i o 得到： g ( ，y ) = f 丁 ( x ，y ) e x p 2 万门( x ，少) 】 e x p 【2 万6 ( ，y ) 】 = f 丁 万( x ，y ) e x p 【2 万玎( x ，y ) 】 e x p 【2 万6 ( ，y ) = f 丁 万( 工，y ) e x p 【2 万玎( o ，o ) 】 e x p 【2 万6 ( ，y ) = f 丁i 万( x ，少) le x p 【2 万门( o ，o ) 】e x p 【2 万6 ( ，y ) 】 = e x p 【2 万玎( o ，o ) 】e x p l ，2 丌6 ( ，y ) 】 i 列理，当，0 ，七0 ，可以得到： g ( ，y ) = e x p 【2 万刀( 研，玎) 】e x p l ，2 万6 ( ，y ) 】 联立式( 2 11 ) 、( 2 1 2 ) 可得： e x p 【2 石玎( ，庀) 】 g ( ，y )e x p 【2 万刀( o ，o ) 】 ( 2 1 1 ) ( 2 12 ) ( 2 13 ) ，为全l 矩阵，g ( “，v ) 、g ( “，v ) 都足已知量，设刀( o ，o ) 为参考点，其值可 以足任意非零值，从而可以得到刀( f ，足) 的值。对一幅的图像而言，需 要个这样的冲击函数，就可以得出输入面的密钥刀( x ) ，这些值都 是相对参考点刀( 0 ，o ) 的值。 ( 2 )利用恢复的输入面函数密钥推导出频域密钥 首先加密任意一个明文 ( x ) ，由式( 2 2 ) 可以得到： g 2 ( ，y ) = f 丁 厶( x ，y ) e x p 【2 万n ( x ，y ) 】 e x p 【2 万6 ( ，y ) 】 ( 2 1 4 ) 将恢复的输入面密钥以( x ) 代入上式，则可以得到频谱面密钥： e x p 【2 万6 ( ，y