光学对称密码分析学的研究

论文摘要

基于光学理论与方法的数据加密已经有十多年的历史,各种光学加密方法被相继提出。从密码学的观点来看,目前国际上报道的对光学数据加密系统的研究工作主要停留在密码编码学的范畴,很少有人对光学加密系统进行严格的安全性分析。密码学包括密码编码学和密码分析学两方面的内容。因此,对光学加密系统的密码分析学研究,无论是从光学信息安全理论体系的完整性,还是从实际应用来看都是及其重要的。作为国家自然科学基金项目（项目号:60472107）、广东省自然科学基金项目（项目号:04300862）、深圳市科技计划项目（项目号:200426）、中国科学院微系统与信息技术研究所开放课题基金项目的重要研究内容之一,本论文系统研究了光学加密系统的密码学特点及其密码学分析方法,着重分析了双随机相位编码及其衍生技术的安全性。论文主要工作包括以下几个方面:1)提出一种双随机相位加密系统的“已知明文攻击的方法”。利用该攻击方法,攻击者只需一个明文-密文对,通过常规的双强度相位恢复算法即可获得加密系统空域的随机相位函数密钥,继而轻易推导出频域的随机相位函数密钥,成功破解了这一国际著名的光学加密系统,并完成了该攻击算法的并行硬件实现。2)提出一种双随机相位加密系统的“选择明文攻击方法”。通过选择多个冲击函数作为明文,利用冲击函数的筛选性质,成功破解了基于数字方法实现的双随机相位加密系统,并给出了空域和频域密钥的解析式,此方法最大的优点在于解密图像的无损性。3)提出一种基于菲涅耳域的双随机相位加密系统的“选择明文攻击方法”。菲涅耳双随机相位加密系统相对于标准的4f双随机相位加密来说,增加了密钥的维数和变换的复杂性,但由于其仍是一个线性系统,因此其安全性不是很高。利用冲击函数的筛选性质,成功获得加密系统的密钥,并且此解密结果是无损的。4)提出一种“已知明文攻击的方法”,对基于POCS算法和4f相关器的密码系统进行了安全性分析。在此密码系统中,其解密结果以强度的形式输出,而不是复振幅的形式,而仅由强度输出信息不能轻易获得系统密钥。但由于其解密系统是一个典型的4f线性系统,因此基于POCS算法和4f相关器的安全系统也存在很大的安全隐患。该攻击方法将寻找系统密钥的过程转化为一个双强度相位恢复的问题,仅利用一个明文-密文对就获得了加密系统的密钥。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 信息安全
• 1.1.1 密码学
• 1.1.1.1 基本概念
• 1.1.1.2 对称密码体制
• 1.1.1.3 非对称密码体制
• 1.1.1.4 Hash 函数
• 1.1.2 信息隐藏
• 1.1.2.1 基本概念
• 1.1.2.2 分类及特点
• 1.1.2.3 数字水印
• 1.2 光学信息安全技术
• 1.2.1 基于光学理论与方法的安全认证技术
• 1.2.2 基于光学理论与方法的数据加密
• 1.2.3 基于光学理论与方法的信息隐藏
• 1.2.4 基于光学理论与方法的加密系统的密码学分析
• 1.2.5 国际学术组织的活动
• 1.2.6 国内的研究进展情况
• 1.3 论文研究的目的和意义
• 1.4 论文的课题背景及主要内容
• 1.5 论文主要创新性工作
• 第二章 光学密码系统的理论基础及特点分析
• 2.1 光学加密系统的相关理论
• 2.1.1 传播理论
• 2.1.1.1 菲涅耳衍射与夫朗和费衍射
• 2.1.1.2 角谱传播理论
• 2.1.2 透镜的傅里叶变换性质
• 2.1.3 全息理论
• 2.1.3.1 光学全息术
• 2.1.3.2 数字全息术
• 2.1.3.2.1 相移数字全息
• 2.1.3.2.2 傅里叶数字全息
• 2.2 典型的光学密码系统
• 2.2.1 基于4f 系统的双随机相位编码
• 2.2.2 基于菲涅耳变换的双随机相位编码
• 2.2.3 基于分数傅里叶变换的双随机相位编码
• 2.2.4 基于联合变换相关器的双随机相位编码
• 2.2.5 基于数字相移全息的随机相位编码系统
• 2.2.6 基于POCS 算法和4f 相关器的加密系统
• 2.2.7 纯相位光学加密系统
• 2.2.7.1 广义相衬方法
• 2.2.7.2 加密过程
• 2.2.7.3 解密过程
• 2.2.7.4 基于集成微光学元件的解密装置
• 2.2.8 基于分割滤波方法的随机相位编码
• 2.2.8.1 分割滤波技术
• 2.2.8.2 二值化处理
• 2.2.8.3 加密和解密过程
• 2.2.9 基于光学异或的流密码系统
• 2.2.9.1 灰度图象的位平面分解
• 2.2.9.2 光学异或操作
• 2.2.9.3 流密码系统
• 2.3 光学密码系统的特点分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 双随机相位加密系统的安全性分析
• 3.1 密码分析学
• 3.1.1 密码分析的重要性
• 3.1.2 密码分析的依据
• 3.1.3 密码分析的分类
• 3.1.4 密码系统的安全条件
• 3.1.5 分组密码的设计与分析
• 3.1.5.1 分组密码的基本设计原则
• 3.1.5.2 分组密码的典型分析方法
• 3.2 双随机相位加密系统的安全性分析
• 3.2.1 计算复杂性分析
• 3.2.2 密钥空间
• 3.2.3 半弱密钥分析
• 3.2.4 密码系统性质分析
• 3.2.5 混淆和扩散机制的分析
• 3.2.6 双随机相位编码系统穷举攻击的可行性
• 3.3 本章小结
• 第四章 双随机相位加密系统的已知明文攻击
• 4.1 引言
• 4.2 背景技术
• 4.2.1 相位恢复的基本概念
• 4.2.2 典型的相位恢复算法
• 4.2.2.1 GS（Gerchberg-Saxton）算法
• 4.2.2.2 误差减少算法
• 4.2.2.3 输入－输出算法
• 4.2.2.4 混合投影－反射算法
• 4.2.2.5 松弛平均交互反射算法
• 4.2.2.6 差分映射算法
• 4.2.2.7 杨－顾算法
• 4.2.2.8 迭代角谱算法
• 4.3 相关工作
• 4.3.1 选择密文攻击
• 4.3.2 基于模拟退火算法的启发式已知明文攻击
• 4.3.2.1 模拟退火算法的基本原理
• 4.3.2.2 攻击算法描述
• 4.3.3 基于线性方程组求解的已知明文攻击
• 4.4 基于双强度相位恢复算法的已知明文攻击
• 4.4.1 明文为正实函数的情况
• 4.4.2 明文为复函数的情况
• 4.5 实验结果及分析
• 4.6 已知明文攻击方法的并行硬件实现
• 4.6.1 DSP 硬件开发系统
• 4.6.2 TMS320DM642 数字信号处理器
• 4.6.3 TMS320DM642 的流水线
• 4.6.4 代码优化方法
• 4.6.4.1 编译选项参数优化
• 4.6.4.2 软件流水
• 4.6.4.3 循环展开
• 4.6.4.4 查找表
• 4.6.4.5 TI 的信号和图象处理库
• 4.6.5 核心算法的优化
• 4.7 本章小结
• 第五章 双随机相位加密系统的选择明文攻击
• 5.1 加密系统的选择明文攻击
• 5.1.1 空域密钥的恢复
• 5.1.2 利用恢复的空域密钥推导频域密钥
• 5.1.3 利用恢复的空域密钥和频域密钥解密后续传来的密文
• 5.2 加密系统的差分密码分析
• 5.2.1 差分密码分析方法的基本思想
• 5.2.2 双随机相位加密系统的差分密码分析
• 5.2.3 频域密钥的恢复
• 5.2.4 利用恢复的频域密钥推导空域密钥
• 5.2.5 利用恢复的频域密钥解密其它密文
• 5.3 实验结果
• 5.4 与基于相位恢复的已知明文攻击方法的比较
• 5.5 本章小结
• 第六章 基于菲涅耳域的双随机相位加密系统的选择明文攻击
• 6.1 菲涅耳域的双随机相位加密系统的安全性分析
• 6.1.1 加密方程的分析
• 6.1.2 密钥空间
• 6.1.3 密码系统的性质
• 6.2 加密系统的选择明文攻击
• 6.2.1 推导因式A（x, y ）
• 2（x", y "）'>6.2.2 推导因式C₂（x", y "）
• 6.2.3 推导因式B（x′, y ′）
• 6.2.4 解密后续传来的其它密文
• 6.3 实验及结果分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 基于POCS 算法和4f 相关器的密码系统的已知明文攻击
• 7.1 基于POCS 算法和4f 相关器的密码系统的基本原理
• 7.2 相关工作
• 7.3 基于双强度相位恢复算法的已知明文攻击
• 7.4 仿真实验及分析
• 7.5 本章小结
• 第八章 全文总结及工作展望
• 8.1 全文总结
• 8.2 工作展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢