馬奎
摘 要:首先對(duì)編碼理論與密碼的內(nèi)在關(guān)系進(jìn)行了深入闡述,而后對(duì)編碼思想和技術(shù)在密碼通信中的主要宏觀、具體應(yīng)用進(jìn)行了簡(jiǎn)要梳理,并分別對(duì)編碼理論在多種網(wǎng)絡(luò)空間密碼通信領(lǐng)域的新應(yīng)用加以分析,最后對(duì)編碼理論在密碼中的未來(lái)應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)與展望。
關(guān)鍵詞:密碼通信;編碼理論;主要應(yīng)用
中圖分類號(hào):TN918.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
1 引言
縱觀密碼學(xué)的發(fā)展史,密碼從藝術(shù)逐步發(fā)展到科學(xué),這一過程離不開Shannon關(guān)于編碼的信息理論。編碼理論自誕生以來(lái),就一直受到通信技術(shù)研究者的關(guān)注與重視。同時(shí),編碼學(xué)與密碼通信技術(shù)的內(nèi)在聯(lián)系,也逐步成為學(xué)者們的研究重點(diǎn),如何充分利用這種內(nèi)在聯(lián)系,使密碼技術(shù)走向更高更遠(yuǎn)更實(shí)用的未來(lái),相應(yīng)地成為了炙手可熱的課題。
2 編碼中數(shù)據(jù)壓縮理論在密碼通信中的宏觀應(yīng)用
2.1 現(xiàn)代密碼通信系統(tǒng)
在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中,往往需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列變換預(yù)處理,這就是信源編碼。而經(jīng)預(yù)處理的數(shù)據(jù)在發(fā)出后,往往需要利用編碼函數(shù)保障消息的機(jī)密性、完整性和真實(shí)性,這就需要對(duì)消息信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。如圖1所示。
2.2 數(shù)據(jù)壓縮與加密
密碼通信中,離不開數(shù)據(jù)壓縮與加密兩個(gè)過程。這兩個(gè)過程之間的先后關(guān)系不同,使其特點(diǎn)各異。
(1)先壓縮后加密。原始消息通常先進(jìn)行壓縮編碼再加密,而接收方在收到信號(hào)后則是反順序的先解密后解壓縮。
(2)先加密后壓縮,或稱為密文壓縮。它是將數(shù)據(jù)消息安全的外包給專門的信息處理中心,降低發(fā)送端的計(jì)算負(fù)擔(dān)。
(3)壓縮與加密相互嵌入也稱為聯(lián)合型壓縮與加密。同時(shí),進(jìn)行壓縮和加密能夠節(jié)省計(jì)算資源,但難點(diǎn)在于如何處理好壓縮與加密兩者矛盾[1]。
3 編碼理論在密碼學(xué)中的具體新應(yīng)用
3.1簽密的誕生——新的一種密碼理念
簽密[2]思想來(lái)源于編碼與調(diào)制兩個(gè)概念的融合[3],是將壓縮與加密用一個(gè)邏輯步驟同時(shí)實(shí)現(xiàn),即一個(gè)邏輯步驟同時(shí)實(shí)現(xiàn)簽名與加密,以此來(lái)提高算法效率。
3.2 基于編碼的密碼體制——抗量子密碼的未來(lái)
3.2.1 基于糾錯(cuò)碼的公鑰密碼體制
隨著量子計(jì)算機(jī)的誕生,能夠抗量子計(jì)算的基于糾錯(cuò)碼的密碼體制受到關(guān)注。McEliece[4]提出了第一個(gè)基于Goppa碼的公鑰密碼體制,開創(chuàng)了糾錯(cuò)碼在現(xiàn)代密碼學(xué)中的新研究領(lǐng)域。
3.2.2 基于糾錯(cuò)碼的量子糾錯(cuò)碼密碼體制
1998年,Calderbank等人[7]建立了量子糾錯(cuò)碼理論的數(shù)學(xué)形式,極大地推動(dòng)了糾錯(cuò)碼理論在量子信息中的應(yīng)用。此后,基于糾錯(cuò)碼理論的量子密碼研究也逐步成為重要研究課題。
3.3 圖像視頻加密——天生的編碼技術(shù)使用者
由于圖像、視頻等信息的自身特點(diǎn),若用傳統(tǒng)的加密方法,則需要很高的計(jì)算代價(jià)和帶寬。因此,學(xué)者開始將壓縮加密與編碼技術(shù)結(jié)合起來(lái),以達(dá)到多媒體信息經(jīng)濟(jì)、可靠、安全的傳輸要求。目前,已逐步發(fā)展為混沌密碼學(xué)與算術(shù)編碼學(xué)兩個(gè)主流方向。
3.3.1 基于算術(shù)編碼的圖像加密體制
算術(shù)編碼思想是在Shannon提出信息論后不久提出的。目前,出現(xiàn)了許多將算術(shù)編碼應(yīng)用于圖像視頻數(shù)據(jù)壓縮的實(shí)例,如最新的多媒體壓縮標(biāo)準(zhǔn)JPEG2000、H.264等都是算術(shù)編碼應(yīng)用成果,實(shí)現(xiàn)了高效安全的壓縮加密。
3.3.2 基于混沌系統(tǒng)的圖像加密體制
基于混沌的圖像加密技術(shù)是近年來(lái)用的最多的圖像加密技術(shù)[7]。它的原理是將待加密的數(shù)據(jù)按照某一種編碼方式的進(jìn)行編碼得到二進(jìn)制數(shù)據(jù)流,再利用混沌映射對(duì)編碼后的數(shù)據(jù)流進(jìn)行加密。
目前,除了混沌系統(tǒng)可以對(duì)編碼后的數(shù)據(jù)流進(jìn)行加密,新興的超混沌系統(tǒng)因其良好特性也逐步應(yīng)用于圖像加密領(lǐng)域,取得了不錯(cuò)的研究進(jìn)展。
4 結(jié)束語(yǔ)
編碼理論與密碼保密通信的天然關(guān)系可被大致總結(jié)為三點(diǎn):一是密碼加密、解密實(shí)質(zhì)是帶秘密信息(密鑰)的編碼與解碼;二是利用高效的編碼技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高效的密碼體制;三是利用編碼中的困難問題可構(gòu)造量子安全的密碼體制。
實(shí)質(zhì)上,編碼理論在密碼學(xué)中的重要應(yīng)用不僅僅限于文中所列舉的領(lǐng)域,還可用于秘密共享、安全多方計(jì)算、基于矩陣的密碼體制等許多方面。由于編碼問題本身的困難性,相信利用或結(jié)合編碼技術(shù)構(gòu)造的密碼體制可抵抗包括量子計(jì)算等許多攻擊,是未來(lái)密碼學(xué)發(fā)展不可忽略的重要技術(shù)支撐,值得學(xué)者更加深入的探討與研究。
參考文獻(xiàn)
[1] J. Chen, J. Zhou, K.-W. Wong, A modified chaos-based joint compression and encryption scheme [J], IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs, 2011, 58(2):110-114.
[2] Y.Zheng. Digital signcryption or how achieve cost (signature&encryption;< [3] Alexander W.Dent, Yuliang Zheng. Practical Signcryption[D]. Springer-Verlag Berlin and Heidelberg GmbH&Co.k;, 2010,11:371-377. [4] McEliece R. A public key cryptosystem based on algebraic coding theory[C]. DSN progress report, 1978,42-44:114-116. [5] Calderbank AR, Rains EM, Shor PW, Sloane NJA. Quantum error correction via codes over GF(4)[J]. IEEE Trans. Inform. Theory,1998, 44(4):1369-1387. [6] 禹思敏,呂金虎,李澄清.混沌密碼及其有多媒體保密通信中應(yīng)用的進(jìn)展[J].電子與信息學(xué)報(bào),2016, 38(03):735-749.