采用简单物理模型的图像加密算法的设计与实现

摘要

随着计算机硬件、云计算和大数据等相关技术近年来的大力发展，数据安全已经成为广大计算机、互联网络用户的一个不可缺少的需求。人们无时无刻不与安全打交道。而随着互联网络上的数据量近年来得到了爆炸性的增长以及中央处理器进一步的多核化的发展趋势，使得我们构建一个适用于以上应用环境的加密系统需求变得尤为迫切。因此，对于简单的、并行化的、高效的加密系统这个方向的研究有着非常重要的理论及现实意义。本文在保证安全的前提下，提出了如何利用简单物理模型实现一个加密系统的一种方法。
　　本文对于简单物理模型方面进行了比较详尽的研究。首先介绍了加密系统的研究背景及现状，并且介绍了一些已有的经典加密系统的主要算法及其应用环境，然后会针对这些加密系统的优缺点进行分析。
　　在分析了已有经典加密系统的优缺点的情况下，结合当下硬件的发展趋势以及云计算的大数据量的应用环境下，本文提出了一种新型的基于简单物理模型的算法来构建加密系统。论文主要包括以下四个方面：
　　①针对已有的经典加密系统，包括分组加密系统，流密码加密系统，公钥加密系统等方面做算法分析，指出了这些加密系统的不足之处。鉴于这些不足，有必要采用新的加密方法。
　　②引入了2个经典的简单物理模型：RE模型和HPP模型，然后给出这2个模型对应的计算方法。经过进一步研究，这些模型原有的计算方法可以得到显著的改进。
　　③给出了轮密钥的初始化条件，然后提出轮密钥的计算方法。有了以上的条件后，设计出一个完整的基于简单物理模型加密的流程，并对于数字图像的加密模式进行了讨论。
　　④对于提出的加密算法进行了实验，测试算法的加密性能、随机性和敏感性。分析和实验表明该加密系统有着良好的安全、高效、并行等特点。最后对本文的工作进行了总结，对未来的工作重点做了展望。

目录

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英文摘要

目录

1 绪 论

1.1 课题研究背景

1.2 加密系统研究现状

1.3 本文研究的主要内容

1.4 本文的工作及论文结构

2 经典加密系统及应用

2.1 加密系统分类

2.2 古典加密系统

2.3 现代分组密码加密系统

2.4 现代流密码加密系统

2.5 现代公钥加密系统

2.6 密钥交换方法

2.7 多个加密系统结合的应用

2.8 数字图像加密的技术分析

2.8 本章小结

3 RE模型和HPP模型

3.1 RE模型

3.2 HPP模型

3.3 两个简单物理模型的特点分析

4 一个基于简单物理模型构建的加密系统算法

4.1 算法设计的动机和思路

4.2 加密系统的加密算法

4.3 轮密钥生成过程

4.4 解密过程

4.5 密钥初始化设定

4.6 数字图像的加密模式

4.7 本章小结

5 实验结果的性能分析及指标检测

5.1 性能分析

5.2 随机性检测

5.3 敏感性检测

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 本文工作总结

6.2 后续的工作及展望

致谢

参考文献

附录