基于智能算法的s盒设计研究

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1、北京邮电大学硕士学位论文(4)人为构造。这是一种手工操作方式，它只用到简单的数学或几乎不使用数学方法，而是使用更直接的方法来产生s盒。现在看来DES设计中采用的就是这种方式。某些S盒的设计方法是在相应的密码分析方法出现之后提出的，比如当差分密码分析出现后，Detombe与Tavares口别，运用5个变量的近bent布尔函数来构造5x5的S盒，以抵抗差分攻击。不过这种方法只能用于构造输入比特是单数的情况。从以上描述的S盒设计方法可以分析看出，如果采用数学方法进行构造一般难以考虑s盒的多种密码学特性，并且构造出的S盒的代数结构一般都比较简单，所构造的

2、性质好的S盒的数量也比较少。而使用随机选择、选择和测试的方法构造，一般需要很大的时间复杂度，即要消耗很大的计算资源采可能找到密码学性能较好的S盒。11120世纪80年代以来，人们提出了一类模拟大自然的智能优化算法。智能优化算法通过模拟或揭示某些生物进化现象和生理现象而得到发展，其思想涉及数学、生物进化、人工智能、物理学等方面，这类算法为解决复杂问题提供了新的思想和手段。密码学中许多问题就是非常困难和复杂的，有的甚至是NP—C问题，近年来已有学者将智能算法应用与密码学和信息安全(表1．2)，并且取得的相应的研究成果。考虑到设计S盒的时间复杂度和S盒

3、的密码学特性等因素，所以采用智能算法构造S盒是一个较优的选择。表1-2智能算法在密码学中的应用现状论文名称研究者使用的方法时间SmarthillclimbingfindsbetterMILLAN彤CLARK爬山算法1997booleanfunctionsA，DAWSONE．Self-nonselfdiscriminationinForrestS，PerelsonA免疫算法1997computerS，AllenL，Cherukuti利用细胞自动机构造密钥流发生器王培春，李毅等细胞自动机2002演化密码与DES的演化研究张焕国、冯秀涛等遗传算法200

4、3Bent函数的演化设计孟庆树，张焕国等演化设计算法2004AnEffectiveEvolutionaryStrategyforChenH，Feng演化设计算法2004BijectiveS-Boxes基于遗传算法生成序列密码胡能发、邓永发遗传算法2005基于一维扩展元胞自动机的伪随机赵学龙、王庆梅等细胞自动机2005发生器研究使用快速收敛遗传算法设计S盒殷新春、杨洁快速收敛的遗传算法20067北京邮电大学硕士学位论文l布尔函数设计中望爬山算法及其改李超，胡朋松等爬山算法2007近年来，国内外学者使用人工智能等智能算法对S盒的安全性进行研究【4】，

5、即由己知的S盒构造具有相同密码指标或是密码性质更好的S盒。如表1．2所示，国内在这个方面也已经有一些成果，张焕国等【5】提出演化密码的概念，利用演化算法构造分组密码算法中的S盒，取得了较好的实验结果。陈华等基于遗传算法提出改善随机选取的双射s盒密码特性的算法。殷新春等【6】贝0利用快速收敛遗传算法对S盒进行优化，给出一批非线性度较高和差分均匀度较低的6x6的S盒。所以目前智能算法已经在密码学和信息安全领域已经由比较丰富的应用，智能算法凭借其在处理很多复杂问题中的出色表现，可以预见智能算法未来将在信息安全和密码学领域有更多的贡献。1．4本文的研究内

6、容与意义对于信息安全产品，除非能完全确信它在软件和硬件上没有陷门，否则，可能带来不可预测的后果。而要做到软、硬件上的确认通常是十分困难的，因此科学的方法是依靠我们国家自己的力量并吸取现有的先进经验进行研究，设计和开发。密码学是信息安全的核心技术之一，密码学的研究与开发应该具有较大的本土性，而S盒是分组密码中的唯一非线性部件，它的密码强度将决定整个分组密码的安全强度。用传统的数学方法构造出性能优异的S盒是非常复杂和困难的，近年来仿生智能优化算法已在经典的ⅣP—C问题的求解和实际应用中表现出强大的生命力，由表格1．2可以看出，目前已有将遗传算法用于构

7、造S盒的先例，并且取得了一定研究成果，同时是也可以看出当前比较新的智能算法，比如：免疫算法、蚁群算法等还没有在S盒上应用的研究。本文将在目前已有的研究基础之上进一步深化智能算法在S盒的构造中应用，同时将研究当前比较新的智能算法(免疫算法、蚁群算法)并将其应用NS盒的构造中，本文具体的研究内容包括：l、采用改进的遗传算法构造S盒，同时分析其构造的效果；2、采用人工免疫算法构造s盒，同时分析其构造的效果；3、采用蚁群算法构造s盒，同时分析其构造的效果；4、分析这三种算法及其在构造s盒过程中的相同点和各自的特点。北京邮电大学硕士学位论文使用智能优化算法

8、来对s盒进行优化，具有多方面的意义：能够在有限的时间、有限的计算资源内寻找到满足一定密码学标准的优良S盒；为S盒的构造提供了一种新的研究