广播加密方案研究与应用

论文摘要

广播加密提供一种在非安全信道上同时传输数字信息给多个授权用户的方法,广泛应用于付费电视、卫星广播通信、数字版权产品（如CD/DVD）的分发以及多媒体保护等领域。目前在广播加密领域已取得很多研究成果,但在安全性、效率以及实际应用等方面仍有些问题亟待研究和改进。借助现有的理论与技术,设计安全高效的广播加密体制,构造易于实际应用的广播加密方案显得尤为重要。本文以广播加密技术为研究对象,研究了广播加密技术中的加密体制、密钥分配技术以及其在实际的应用,在此研究基础上,提出了两种新型的广播加密方案。首先对对称密钥广播加密方案和非对称密钥广播加密方案进行深入分析和广泛比较,计算分析各种方案的通信开销、存储开销、计算开销以及相关安全性。通过各种方案之间的比较,归纳各个方案的优点与不足,使广播加密方案体系脉络更加清晰,为设计安全高效的广播加密体制奠定坚实的基础。其次,提出一种基于格的身份分层结构广播加密方案。利用格的性质,巧妙将格与身份分层结构套接。用格表示用户身份信息,通过格和子格的结构关系表达分层结构；用格的短基表示用户的私钥,通过格基生成算法迭代地生成每层格的短基；然后基于格中LWE困难问题设计加密、解密算法。并且用反证法证明,本方案对于非授权用户在适应性选择密文攻击下具有不可区分安全性；同时构造FS-CCA攻击模型,证明本方案对于授权用户在选择密文攻击下具有前向安全性。最后进行效率分析,与基于RSA的广播加密方案相比较,本方案将密钥存储开销从O（1og N）降为O（1）,而且不需要第三方认证机构；与基于双线性对的广播加密方案相比较,本方案将加解密阶段所需的计算开销从3次模幂运算和2次weil配对运算降为3次线性运算和2次与或运算。然后,提出了一种基于智能移动终端设备的CS-I广播加密方案。以智能移动终端设备网络业务为背景,将完全子集结构加密技术与区间结构加密技术相结合,使其适用于忠实用户组（废除用户少）和临时用户组（废除用户多）并存的智能移动终端设备网络业务中。其设计思想利用如下特性：完全子集加密方案在废除用户量少的情况下效率最佳,而区间加密方案则在废除用户量大的情况下效率最佳。通过设计实验验证了CS-I方案在实际应用中较CS方案和区间加密方案具有更优的效率,CS-I方案在业务成熟期其通信开销达到了最低。最后,对本文的研究成果进行归纳和分析,在肯定已取得成果的同时陈述了研究中存在的不足以及改进策略。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 广播加密基本问题
• 1.2.1 研究内容
• 1.2.2 系统结构
• 1.2.3 评价指标
• 1.3 广播加密研究现状
• 1.4 本文研究内容
• 第2章 基本概念与理论
• 2.1 基本概念
• 2.2 数学困难问题及假设
• 2.2.1 大整数因子分解问题及假设
• 2.2.2 RSA问题及假设
• 2.2.3 Diffie-Hellman问题及假设
• 2.2.4 离散对数问题及假设
• 2.2.5 双线性映射
• 2.3 可证安全理论
• 2.3.1 谕示与模型
• 2.3.2 安全性定义
• 2.3.3 可证安全分析步骤及方法
• 2.4 本章小结
• 第3章 对称密钥和非对称密钥广播加密方案
• 3.1 对称密钥广播加密方案
• 3.1.1 CS方案
• 3.1.2 SD方案
• 3.1.3 层次逻辑密钥方案（Logical Key Hierarchy,LKH）
• 3.2 非对称密钥广播加密方案
• 3.2.1 基于身份的广播加密方案（IBBE）
• 3.2.2 基于身份分层的广播加密方案（HIBE）
• 3.3 本章小结
• 第4章 基于格的身份分层结构广播加密方案
• 4.1 格
• 4.1.1 格中短向量
• 4.1.2 单向原像采样函数
• 4.1.3 格基生成函数
• 4.1.4 原像采样算法
• 4.1.5 格中错误学习问题（learning with error problem,LWE）及假设
• 4.2 设计思想
• 4.2.1 基于身份分层结构的加密
• 4.2.2 格基生成算法
• 4.2.3 格基生成算法与身份分层结构套接
• 4.3 具体实现
• 4.3.1 系统初始化
• 4.3.2 用户注册
• 4.3.3 提取用户私钥
• 4.3.4 广播加密
• 4.3.5 用户解密
• 4.4 正确性分析
• 4.5 效率分析
• 4.6 安全性分析
• 4.7 本章小结
• 第5章 广播加密方案在智能移动终端设备中的应用
• 5.0 应用背景
• 5.1 区间加密方案
• 5.1.1 符号说明
• 5.1.2 BTE系统向区间加密系统的转换
• 5.1.3 区间加密方案具体实现算法
• 5.1.4 效率及安全性分析
• 5.2 基于智能移动终端设备的CS-Ⅰ广播加密方案
• 5.2.1 设计思想
• 5.2.2 具体实现
• 5.2.3 效率分析
• 5.2.4 安全性分析
• 5.3 效率仿真
• 5.3.1 仿真实现
• 5.3.2 子集分割算法实现设计
• 5.3.3 结果分析与比较
• 5.4 待进一步研究问题
• 5.5 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 研究工作总结
• 6.2 未来展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 详细摘要