无线网络安全机制中的对称密码学问题研究

论文摘要

密码是网络与信息安全的核心,密码问题一般归结为密码算法与协议的设计与分析问题。本文以三个典型无线网络（IEEE 802.11型无线局域网、IEEE 802.16型宽带无线接入网和移动通信网）的信息安全问题为研究背景,以认证算法为研究重点,以密码编码为研究主线,以密码分析为支撑,致力于设计安全高效的密码算法与协议。主要从以下几个方面展开了研究:1)由于分组密码算法的常用认证模式一般采用单重分组设计,这限制了认证模式的速度,本文提出了一类基于链接与计数的快速认证模式（CCTR）。测试表明,CCTR模式的速度比常用认证模式（例如CBC-MAC模式）快30%左右。2)现有的并行认证模式PMAC引入了一个伪随机序列,其总计算量比常用认证模式多。本文提出了一类基于多重分组的快速并行认证模式（PMB）。测试表明,PMB模式的串行速度也比常用认证模式快30%左右。3)提出了一类基于三重分组链接的单向散列函数（HTBC）。测试表明,HTBC算法的速度比常用单向散列函数（例如SHA1算法）稍快（5%左右）。4)现有的无陷门单向散列函数都是迭代算法,例如SHA和MD系列算法等。本文提出了一类基于三重分组的并行单向散列函数（PHTB）。测试表明,PHTB算法的串行速度介于SHA1和MD5算法之间。5)对CCTR、PMB、HTBC和PHTB四个新算法的安全性进行了论证,并采用AES算法对这四个新算法进行了测试。依赖性测试表明:四个新算法是完备的,其雪崩效应度约为0.9993,其严格雪崩准则度约为0.992。频率测试表明,新算法的输出服从均匀分布。二进制矩阵秩测试表明,新算法的输出子序列间线性独立。Maurer通用统计测试表明新算法的信息压缩损耗不显著。连续（Run）、频谱、非重叠字（Non-overlapping template）匹配、重叠字匹配、Lempel-Ziv压缩、线性复杂度、系列、近似熵、累积和、随机游程以及随机游程变量等测试结果都满足要求。由此说明,四个新算法具有很好的伪随机性。这就从统计评估的角度验证了四个新算法的安全性。6)针对RC4及其变形算法RC4*存在相关密钥产生相似输出的缺陷,本文提出了一种修正算法MRC4。测试表明,MRC4算法消除了该缺陷,其速度也比RC4*算法快。7)三个典型无线网络的保密机制都将采用AES算法。通过对IEEE 802.11型无线局域网（WLAN）中几种共享密钥认证和密钥更新方案以及移动通信系统中三种AKG（认证与密钥产生）方案的性能进行分析与比较,表明基于AES算法的共享密钥认证（含密钥产生或密钥更新）方案在内存需求、灵活性和速度方面具有一定的优势。因此,可以

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 缩略词
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 IEEE 802.11 型无线局域网（WLAN）安全机制
• 1.1.2 IEEE 802.16 型无线城域网（WMAN）安全机制
• 1.1.3 移动通信网安全机制
• 1.2 网络安全中基于数学的对称密码学研究现状简述
• 1.2.1 分组密码算法
• 1.2.2 序列密码算法
• 1.2.3 分组密码算法的工作模式
• 1.2.4 单向散列（Hash）函数
• 1.2.5 认证与密钥交换协议
• 1.2.6 密码算法的统计分析
• 1.2.7 无线网络对密码算法的需求
• 1.3 研究内容、研究目的和研究特色
• 第二章 序列密码算法与分组密码算法
• 2.1 常用对称加密算法简介
• 2.1.1 常用序列密码算法
• 2.1.2 常用分组密码算法
• 2.2 RC4 算法研究与改进
• 2.2.1 RC4 算法简介
• 2.2.2 变形算法RC4*简介
• 2.2.3 修正算法MRC4
• 2.2.4 MRC4 算法的应用模型
• 2.2.5 分析测试结果
• 2.2.6 小结
• 第三章 分组密码算法的工作模式
• 3.1 常用分组密码模式
• 3.1.1 电子码本（ECB）模式
• 3.1.2 密码分组链接（CBC）模式
• 3.1.3 输出反馈（OFB）模式
• 3.1.4 计数器（CTR）模式
• 3.1.5 并行消息认证码（PMAC）模式
• 3.1.6 偏移码本（OCB）模式
• 3.2 密码学常用统计测试套件简介
• 3.2.1 依赖性（Dependence）测试
• 3.2.2 频率（Frequency）测试
• 3.2.3 连续（Run）测试
• 3.2.4 二进制矩阵秩（Binary Matrix Rank）测试
• 3.2.5 频谱（Spectral）测试
• 3.2.6 非重叠字匹配（Non-overlapping Template Matching）和重叠字匹配测试
• 3.2.7 Maurer 通用统计（Maurer’s “Universal Statistical”）测试
• 3.2.8 Lempel-Ziv 压缩（Lempel-Ziv Compression）测试
• 3.2.9 线性复杂度（Linear Complexity）测试
• 3.2.10 系列（Serial）测试
• 3.2.11 近似熵（Approximate Entropy）测试
• 3.2.12 累积和（Cumulative Sums）测试
• 3.2.13 随机游程（Random Excursions）测试
• 3.2.14 随机游程变量（Random Excursions Variant）测试
• 3.3 PMAC 与OCB 模式的安全性分析
• 3.3.1 PMAC 模式的安全性
• 3.3.2 OCB 模式的安全性
• 3.4 基于链接与计数（CCTR）的认证模式
• 3.4.1 CCTR 模式的算法过程
• 3.4.2 CCTR 模式的安全性证明
• 3.4.3 CCTR 模式的速度
• 3.4.4 CCTR 模式的统计评估
• 3.5 基于多重分组的并行（PMB）认证模式
• 3.5.1 PMB 模式的算法过程
• 3.5.2 PMB 认证模式的安全性分析
• 3.5.3 PMB 模式的速度
• 3.5.4 PMB 模式的统计评估
• 3.6 小结
• 第四章 单向散列（Hash）函数
• 4.1 常用单向散列函数
• 4.1.1 MD5（消息摘要）算法
• 4.1.2 SHA（安全散列算法）
• 4.1.3 HMAC（带密钥的散列函数）
• 4.1.4 SHA2 算法
• 4.1.5 NESSIE 候选散列函数与MAC 算法
• 4.2 基于三重分组链接的散列函数（HTBC）
• 4.2.1 HTBC 算法过程
• 4.2.2 HTBC 算法的安全性分析
• 4.2.3 HTBC 算法的速度
• 4.2.4 HTBC 算法的统计评估
• 4.3 基于三重分组的并行散列函数（PHTB）
• 4.3.1 PHTB 算法过程
• 4.3.2 PHTB 算法的安全性分析
• 4.3.3 PHTB 算法的统计评估
• 4.4 小结
• 第五章 身份认证与密钥交换协议
• 5.1 常用认证与密钥交换算法
• 5.1.1 ITU-T X.509 协议
• 5.1.2 Diffie-Hellman 算法
• 5.1.3 GPS 算法
• 5.2 基于AES 的共享密钥认证（A-AES）算法
• 5.3 小结
• 第六章 典型无线网络安全机制研究
• 6.1 IEEE 802.11 型无线局域网（WLAN）安全机制
• 6.1.1 IEEE 802.11 安全机制简介
• 6.1.2 IEEE 802.11 安全机制研究与设计
• 6.1.3 小结
• 6.2 IEEE 802.16 型无线城域网（WMAN）安全机制
• 6.2.1 IEEE 802.16 的帧格式
• 6.2.2 IEEE 802.16 安全机制
• 6.2.3 IEEE 802.16 的安全问题
• 6.2.4 IEEE 802.16 安全解决方案
• 6.3 移动通信网安全机制
• 6.3.1 GSM/GPRS 系统中基于SIM 卡的认证和密钥产生方案
• 6.3.2 3GPP 系统中AKG（认证和密钥产生）系列算法的设计
• 6.4 小结
• 第七章 白化测试——伪随机性的严格统计评估方法
• 7.1 白化测试方法
• 7.2 白化测试与自相关测试的区别
• 7.3 SHA 算法的白化性能测试
• 7.3.1 SHA1 算法
• 7.3.2 SHA256 算法
• 7.3.3 SHA384 和SHA512 算法
• 7.4 AES 算法的白化性能测试
• 7.5 白化序列的数学构造方法
• 7.6 小结
• 第八章 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士期间已发表和录用的论文