基于纠错码的安全通信方案

作     者：吕凤橙 

作者单位：电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：史治平

授予年度：2018年

学科分类：11[军事学] 1105[军事学-军队指挥学] 0839[工学-网络空间安全] 08[工学] 110505[军事学-密码学] 110503[军事学-军事通信学] 

主      题：LDPC码 无线信道特征 密钥提取 PEG算法 安全通信方案 

摘      要：纠错码中的一般线性分组码译码问题已经被证明是一种完备多项式时间不可解(NPC)难题,在该理论的基础上McElicece提出了一种基于纠错编码的公钥密码体制。密码学研究领域的学者普遍认为量子计算机无法攻破NPC难题,因而该公钥密码体制可以对抗量子攻击。但该密码体制因为密钥量大、数据传输速率低、缺乏纠错能力等缺点而没有得到广泛应用,随后出现的典型改进方案包括王新梅提出的具有纠错一定能力的M体制公钥算法和Rao提出的M对称加密体制,但这些改进只是单方面地对M公钥体制的某个缺点进行改进,许多关键问题依旧没能到解决。为此,本文作者参与提出了一种基于低密度奇偶校验(LDPC)码的安全通信方案,该方案中利用准循环低密度奇偶校验(QC-LDPC)码的准循环特性有效降低了密钥量和编码复杂度,同时保留了LDPC码优秀的纠错性能;该方案设计了对称密码体制使其具有更广泛的应用场景,通信双方采用线性同余方法产生伪随机序列控制生成大量的等价QC-LDPC码,并通过同步动态跳变加密矩阵H以实现类似于“一次一密的安全机制。尽管该方案对M公钥体制进行了全方位的改进,但也还存在码长码率不够灵活、线性同余方法不能产生真随机密钥等缺点,为此本文将继续对该方案进行深入的研究和改进。由于无线信道具有随机性,互易性、时变性和空变性等特点,将基于无线信道特征提取的随机密钥用于加密有望实现真正的一次一密加密机制,为此本文研究了信道特征提取、密钥量化算法、一致性协商方案等技术,并进行了大量的仿真实验,设计了一种具有较高密钥熵和较高密钥生成速率的同步密钥提取方案。由于渐进边增长(PEG)算法性能优异且能构造任意码长和码率的LDPC码,本论文将该算法与安全通信思想相结合,提出了一种可以利用密钥序列控制的海量等价LDPC码构造算法——K-PEG算法。仿真表明利用该算法生成的LDPC码纠错性能明显优于原方案中的QC-LDPC码;该算法在相同码长下可以构造的等价LDPC码数量也明显更多,这意味着采用该算法的加密通信方案可以获得更大的密钥空间。因此K-PEG算法可以同时提高原方案的可靠性、安全性和编码灵活性。最后本文将基于物无线信道特征提取密钥的方案与K-PEG算法结合,设计了一种新的基于LDPC码的安全通信方案,此方案具有逼近“一次一密加密机制的安全性,且较原方案更为优秀的纠错能力以及更高的编码灵活性。