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量子密钥分发的数据处理技术研究与实现

2020-12-10阅读(199)

量子密钥分发的数据处理技术研究与实现

论文摘要

信息安全因其重要的战略性而备受世界各国的关注,而使用加密技术对信息进行加密是解决信息安全问题的核心方法。一次一密加密方法被证明为是无条件安全的加密算法,然而加密算法中的密钥分发却一直没有得到良好的解决。量子密钥分发的提出为一次一密加密算法带来了新的生机。随着量子密钥分发的研究和发展,诱骗态协议的提出使得量子密钥分发的安全性得到了广泛的认可。目前量子密钥分发技术已从实验阶段走向了工程化、商用化和实用化阶段,并有望成为下一代保密通信系统。因此,本文针对量子密钥分发的数据处理技术进行了研究和实现,其工作内容如下:一、本文设计了基于FPGA的量子数据处理系统架构。在硬件设计上依据功能将硬件系统划分为多个子系统,且每个子系统工作于相互独立的时钟域,以便单独调节各子系统的工作频率和性能。在软件设计上以指令加指令处理器的设计方法实现了指令驱动型软件架构,该架构使软件各个功能模块化和层次化,且有利于软件功能的扩展和调试。二、基于FPGA片内RAM设计并实现了经典通信和Toeplitz认证技术。为提高经典通信的性能,本文通过片内RAM包存储器将网络协议数据处理过程流程化,避免网络协议数据处理过程中重复进出主存储器,进一步提升了经典通信的速度,同时结合了基于Toeplitz的认证技术,使经典通信在具有远程可靠数据传输能力的同时也能够抵御窃听者对通信数据的篡改。三、在FPGA上实现了基于LDPC的量子信息纠错技术。LDPC优异的纠错性能够减少原始密钥纠错过程中原始密钥的消耗量,最终提升安全量子密钥的成码率。本文为进一步降低硬件实现LDPC译码器的难度,在偏置最小和译码算法的基础上进一步使用Matlab预生成译码算法所需的时序控制、数据读取地址和存储器使能信号,并存储在ROM的配置文件。IEEE802.16标准提供了多种码率和码长的准循环LDPC校验矩阵,并作为本文LDPC设计的依据,四、对量子隐私放大算法进行改进和实现。隐私放大可显著减少窃听者获取的信息。隐私放大要求描述哈希函数所需比特数应尽可能的少且是高效的,相较于矩阵哈希函数,多项式哈希函数需要更少的描述信息。为进一步提升隐私放大算法的性能,本文研究了快速数论变换,并对快速数论变换中的倒位序算法进行了改进,使倒位序算法的时间复杂度为(9)),同时避免了FFT中浮点运算的精度问题。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  •   1.1 研究背景及意义
  •     1.1.1 传统密码学
  •     1.1.2 量子通信
  •   1.2 国内外研究和发展现状
  •   1.3 论文内容与组织结构
  • 第二章 量子密钥分发的研究
  •   2.1 量子通信系统
  •     2.1.1 量子通信系统结构
  •     2.1.2 量子密钥分发
  •     2.1.3 数据处理
  •   2.2 BB84 QKD协议
  •     2.2.1 标准BB84
  •     2.2.2 协议的安全性
  •   2.3 诱骗态QKD协议
  •     2.3.1 QKD系统的模型
  •     2.3.2 光子数分离攻击
  •     2.3.3 诱骗态协议
  •   2.4 本章小结
  • 第三章 数据处理系统与经典通信
  •   3.1 数据处理系统研究与设计
  •     3.1.1 系统的设计要求
  •     3.1.2 系统的架构设计
  •     3.1.3 系统的硬件设计
  •     3.1.4 系统的软件设计
  •     3.1.5 系统的伪随机数发生器
  •   3.2 经典通信
  •     3.2.1 经典通信的硬件设计
  •     3.2.2 经典通信的性能优化
  •     3.2.3 经典通信的软件设计
  •     3.2.4 经典通信的认证技术
  •   3.3 功能测试
  •     3.3.1 测试环境
  •     3.3.2 测试结果
  •     3.3.3 数据接口测试
  •   3.4 本章小结
  • 第四章 量子密钥分发的纠错技术
  •   4.1 LDPC纠错技术
  •     4.1.1 纠错基本原理和设计
  •     4.1.2 LDPC码的Tanner图表示
  •   4.2 LDPC编码设计分析
  •     4.2.1 直接编码算法
  •     4.2.2 下三角编码算法
  •     4.2.3 QC-LDPC编码
  •     4.2.4 IEEE806.16标准LDPC编码
  •   4.3 LDPC编码实现与仿真
  •   4.4 LDPC译码设计分析
  •     4.4.0 比特翻转译码算法（BF）
  •     4.4.1 置信传播译码算法（BP）
  •     4.4.2 对数域置信传播译码算法（LLR BP）
  •     4.4.3 最小和译码算法（MS）
  •     4.4.4 译码参数仿真
  •   4.5 LDPC译码实现和仿真
  •   4.6 本章小结
  • 第五章 量子密钥分发的隐私放大
  •   5.1 隐私放大的研究和设计
  •     5.1.1 隐私放大的要求
  •     5.1.2 隐私放大的哈希函数
  •     5.1.3 隐私放大的设计
  •   5.2 快速数论变换的实现
  •     5.2.1 快速数论变换
  •     5.2.2 常用倒位序算法
  •     5.2.3 改进倒位序算法
  •     5.2.4 蝶形运算
  •   5.3 快速数论变换测试
  •   5.4 本章小结
  • 结论与展望
  • 参考文献
  • 攻读学位期间发表的论文
  • 致谢

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 邓雄峰

    导师: 刘震宇

    关键词: 量子密钥分发,量子数据处理,经典通信,隐私放大

    来源: 广东工业大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,信息科技

    专业: 物理学,电信技术

    单位: 广东工业大学

    分类号: TN918.4;O413

    DOI: 10.27029/d.cnki.ggdgu.2019.000249

    总页数: 101

    文件大小: 3492K

    下载量: 66

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