基于单片机的Feistel结构的改进研究

作     者：张旭 

作者单位：湖北师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：洪家平;张良纯

授予年度：2023年

学科分类：0839[工学-网络空间安全] 08[工学] 081201[工学-计算机系统结构] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）] 

主      题：单片机 加密算法 Feistel 结构改进 

摘      要：随着科学技术的飞速发展,计算机被广泛使用。在电子信息技术不断进步的情况下,出现了用于完成单一任务的计算机即单片机。得益于单片机的功耗较低,结构设计简洁,使得其成本低廉,尺寸小巧,在此基础上出现的各式各样的嵌入式设备在工业控制、物联网和航空航天等领域得到了广泛的应用。也正是由于单片机和嵌入式设备这样的结构,使得其缺乏很好的数据防护能力,同时通信协议也较为简单,极易受到来自各方面的攻击,因此有必要对其传输的信息进行加密保护,还有就是其运算能力较低,只能使用轻量级的加密算法。为解决单片机及嵌入式设备这些安全方面的问题,本文结合现今广泛使用的多种加密算法的特点,选择将适合使用硬件实现的数据加密标准DES加密算法应用在单片机上,并对这种DES算法加以拓展和改进,以期达到更好的加密与解密效果。本文介绍了数据加密标准DES加密算法的原理,分析了DES加密算法的性质,通过对目前广泛应用的DES加密算法及相关改进算法的研究,深入了解了广义Feistel结构,在此基础上探索了使用广义Feistel结构的加密及解密算法,并提出了初步的改进方案,通过对初步的改进方案继续论证、推导和拓展后,提出了改进的Feistel算法结构,该结构不仅可以使用在DES加密算法上,还可以使用在其他具有Feistel结构的加密算法上,例如IDEA、GOST和BLOWFISH等。这种改进的Feistel算法结构除了增加了原结构的安全性外,在实际使用中还具备对合特性,使得解密算法与加密算法的流程完全一致,省去了重新设计和实现解密算法的流程。本文还从两个方面对所提出的改进的Feistel结构进行了进一步论证。第一个方面,将改进的Feistel结构和原结构所处理的数据进行比对分析,选择了Python编程语言来描述。两种Feistel结构中的f函数均选择DES中的加密操作,首先多次改变密钥对文本数据进行加密,分析密文的ASCⅡ码分布情况,改变文本内容对加密时间进行对比分析,之后选择图像分析常用的“Lena图像分析密文各通道的信息熵,改变一位密钥研究加密结果的各通道像素变化率,改变并增加明文的大小对加密时间进一步进行对比分析,得出改进的Feistel结构比原Feistel结构拥有更好的安全性及加密效率。第二个方面,将该拓展改进的Feistel结构通过Verilog HDL语言在单片机上仿真,运行过程流畅,加密效率良好,完全实现了对拓展和改进方案的验证。通过以上两方面的论证,进一步推论得出,该改进的Feistel结构在单片机及嵌入式系统加密或通信加密中能安全使用的可能性及可行性。本文的最后,对该改进的Feistel结构给出了今后进一步拓展和改进研究的方向,即可以进一步拓展为Feistel(n)的结构,同时也简要论述了Feistel(n)的结构和相关特性。