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基于双重XOR逻辑操作的三重DES算法光学实现2013摘要：在本文中,我们提出一个新颖的光学实现加密系统中基于双重逻辑操作3重DES算法的光学实现。原理结构中,光学3重DES系统包括双重XOR逻辑运算,XOR逻辑运算是通过使用无线实现的相互关联的光学逻辑门的方法。提出的3重DES方法的主要观点是做一个更高安全的密码系统,分别由单独的私自密钥加密,这个加密私钥用于解密密文的明文。示意图上,该密码系统的光学配置可用于解密的过程。这种光学方法主要的优点在于巨大的二维数据无论大小可以很快并行处理。如果每个不同的私钥被创建和只加密使用一次，提出的方案可以应用于水印的认证,也可以应用OTP加密。当安全密码数据为512×256像素的大小,我们建议的方法执行2048个DES块或1024个3重des密码。此外,因为密钥长度等于512×256位,需要2512×256次尝试才能找到正确的密码。数值模拟显示使用提出的3重des算法成功进行加密和解密的结果。一、引入随着公众通信网络迅速扩大,强烈要求安全的个人通信。然而,因为安全系统的弱点，重要的个人信息受到泄漏的威胁。因为这个原因,公共网络的信息安全成为一个伟大的问题。为了保护信息不被黑客攻击或窃取,许多电子或光学密码系统已经被提议。确保安全的简单方法之一是把所有数据变为二进制字符串，使用加密DES(数据加密标准)或AES(高级加密标准)算法加密等。加密是纯文本转变为安全密钥密文的过程。为了让一个授权用户对密文进行解密,正确的安全密钥必须被授权用户知道。在传统的对称密钥加密中,公众密码是之前构建的,作为一个共同的密码对所有用户开放。因此,这种类型的加密对未经授权用户有拦截数据的弱点。因为安全密码是大多数数据加密系统的核心,安全密码的保护也是非常重要的。一个先进的算法,如3重des或非对称密钥加密使用双钥加密来加强安全强度,但私人的分享密码是必要的。一般来说,传统的电子加密方法把二进制数据。然而,这些方法涉及大量的计算和对处理海量数据并不足够的快。相反一个光学处理系统的优点是快速并行处理二维数据,使光学系统适合于大规模数据加密。近年来,使用光学加密的兴趣越来越浓厚，因为光学系统可以并行处理和快速操作的优势。在每种情况下加密的数据完全是复杂的,因此可能需要全息记录。这个需求使在数字通信网络存储和传输的密码数据变得困难。为了解决这个问题,使用移相数字全息技术记录和重建复杂值的光学加密和解密来已经执行。使用数字逻辑的光电方法适合加密。一些研究人员报道了XOR-based光学加密。在本文中,对于加密系统我们提出一种新的基于双XOR逻辑操作的3重des算法光学实现,并显示该密码系统的性能。解密可以通过使用相同的光学原理进行。节二是组织为四个部分。在第一部分中,传统DES算法概况。第二部分解释了3des算法,和使用XOR逻辑运算描述使用两个密钥的两倍加密,特别是使用私有密钥交换的双重加密算法被提出和描述。在第三部分,介绍了无线互联光学逻辑门的方法执行光学XOR逻辑运算。在第四部分,我们提出一种3重des光学架构和在建议的体系结构中解释加密/解密程序。计算机实验用第三部分提到的方法显示加密和解密的结果。最后,在第四节简要总结了结论。二、理论1．DES加密也被称为数据加密算法(DEA)的DES是选择的第一个对称块密码和在1977年首次作为一个标准由美国国家标准研究所(ANSI)发布，美国国家标准和技术(NIST)认为由于其预期的非保密信息的应用程序，DES提供了足够的安全。DES中指定的算法非常复杂。通过使用一个56位密钥在64位块中加密纯文本数据。DES已成为成功的最广泛使用的密钥加密系统之一。然而,自从DES用于公共密码系统后一些密码者一直认为其56位密钥不够多将不足以提供足够的安全强度。因此DES算法和密钥长度成为有争议的问题。在传统的加密数字块加密系统中，电子码书(ECB)模式是转换64位输入为64位的输出最简单的模式。在这种模式下,块被按顺序加密,Ek(•)表示一些加密密码为k的加密方法,Pi表示第i个明文文本,和Ci表示对应的密文文本，m是被加密纯文本的总数。解密是如下：Dk表示相应的加密的密钥为k的解密方法。DES算法可用于ECB模式,加密和解密方案可以由简单异或(XOR)逻辑函数实现。因此,XOR逻辑操作描述了加密系统的数学操作,那就是两个加。具体来说,如果且仅如果密码数据是完全随机的,从不重用，只有XOR的加密原理才将是完全安全的。基于XOR的加密方法只能应用于二进制数据或黑色和白色像素组成的图像中,这种方法意味着每个像素独立进行加密。当我们在ECB模式应用基于XOR的加密方法到DES算法之上,方程式(1)和(2)可以表示如下：P是一个将被加密的纯文本,K是安全的密码。然后密文C可以通过用密码K加密安全纯文本P：⊕代表按位异或操作。为了从密文检索最初的纯文本,C用相同的密钥解密：但是，这种DES方法在安全系统上并没有给我们太多算法强度。3重des是一种没有递减加密速度的增加密钥长度的增加一倍DES算法加强DES的增强安全性的方法。2.2三重DES算法自从公共安全发布DES以来,但很多加密者认为,因为其密钥长度较短，密码器DES的安全性将在目前的日子濒临灭绝。为了克服这个问题,做许多努力来扩大密码规模。他们的一些重新设计整个的DES来增加密码位,和其他一些多次使用DES算法。来增加密钥长度的另一种方法是并行链接两个DES代替DES的串行应用。然而,因为快速的处理器速度,和提出一些可能的攻击方法，目前几天DES的安全性受到攻击者的威胁。最近,三重DES(3DES)作为一个临时的标准被采用，包含在几个国际标准中。3重des是被称为Encrypt-Decrypt-Encrypt(EDE)和三重DEA(3dea)。3重des的名字是现在多个DES应用程序最常见的一个流行形式。大多数3重des实现使用两个安全密钥。如果两个密码的总长度有112位,那么密码分析相比56位密钥长度的DES需要三倍计算努力。合成的3重des密码文本更难被打破。2.2.1、使用两个密钥的双重加密来增长安全密码的一个合理的方法是使用两个密钥。P是将被加密的一个纯文本,K1和K2是两个不同的安全密码。首先,一个中间密文C1可以通过用K1加密纯文本P获得；第二,最终的密文C2可以通过用密码K2加密密文C1得到：为了从密文C2中恢复最初的纯文本,C2用密码K2被和解密来获得C1，又被密码K1解密获得明文P：然而,这种方法有一个缺点,我们必须知道用于解密的两个安全密钥。2.2.2、使用私钥交换的两倍加密方法为了避免两个密码双重加密的密钥共享,我们建议以特殊的方式使用两个密码的三重加密。让K1和K2是两个不同的安全密钥。K1和K2的钥匙被称为一个公钥和一个私钥。在这种方法中,一个中间加密密钥K可以通过用加密私钥K2与公钥K2加密获得,密文C可以通过用私钥K2加密纯文本P获得：为了从密文C检索最初的纯文本,加密的密码K用公钥K1解密来重建私钥K2。一般来说,公钥是向用户开放一个共同的密码。然后,密文被重建的私钥K2解密来获得纯文本P：有趣的是,我们可以将该算法应用到水印验证。如果我们用一个用户的水印替代一个私钥K2,然后公式(9)表示水印的加密的形式。这加密的水印被传播到其他用户B和被密码K1解密来显示用户A的水印。重建的水印被用户B验证，被用于Eq(12)解密密文P。此外,如果当我们创建密文时只使用一个不同的私钥一次，该算法可以应用于一次性密加密(OTP)。这个提议的优点之一是,它是一种更高级的在同一时间传输加密私钥和加密的密文密码系统。这个方法另一个优势是方便以加密的形式交流私钥和不知道其他用户的私钥时直接解密纯文本。这意味着这种方法有用户可以自行改变私有密钥的属性。当然,这种方法也是一种双重DES加密改进的密码系统。图1显示了3重des框图的加密/解密过程。我们可以通过用水印改变私钥修改这个过程来同步水印验证和数据加密，如图1。图2显示了提出的3重des加密和解密流程图。图中的XOR部分意味着异逻辑运算。2.3、使用无线互联光学逻辑门的方法光学异或操作一种光学逻辑门处理的概念可以视为一个用逻辑在空间相互联系的门。因为它的各种优势，自由空间光互不仅在通信系统中而且在巨大的数字光学计算中是很重要的,如：实现逻辑功能的效率和实现系统的复杂性。在本文中,我们应用一个无线互联光学逻辑门方法以一种光学方法来实现一个XOR逻辑运算。无线互联光学逻辑门方法可能是一个解决投入产出模式匹配的困很好的突破难。数据编码类型上,一比特信息是由一个亮点所代表的，而不是它的强度或极化。无线互联光学逻辑门的方法的优点是不需要细胞编解码流程和输出具有输入相同的格式。在光学逻辑门的配置上,二进制输入变量使用两个空间补充编码。图3显示了使用无线互联光学逻辑操作门的方法光学按位逻辑操作的原理,就分别是相应和逻辑或逻辑,和XOR逻辑的光学配置。考虑输入变量X和Y分为4×1像素象限来应用空间光学互联逻辑门的方法。两个输入X和Y分段成四个相等的像素象限,四种象限的每一个被透明的(逻辑“1”)或不透明的(逻辑“0”)编码的特点代表。逻辑与操作通过逐像素的内部生产获得。这两个空间X和Y二进制输入放置在指定的系列。逻辑或操作从增加两个并行输入X和Y获得。图3(a)和(b)显示这些逻辑操作。XOR逻辑运算的体系结构可以通过结合和逻辑原理和或逻辑原理实现。在此体系结构中如图3(c)所示,输入数据格式的编码原则是一个输入变量X放置在一个光的路径,而X的补充,放置在其他的光路径。另一个输入变量Y似类的方式坐落在空间,但输入变量Y与输入变量X系列放置，Y补充与输入变量X系列放置。为了收集这两个输出到一个位置,一个光束分束器等结合因素被使用。XOR逻辑的基本原理可以被描述为两个逻辑与和一个逻辑或的组合。在图3(c)中,两个输出光结果在逻辑门的输出可表示如下：X⊕Y=XY+XY(16)2.4、三重DES的光学实现对称密码体制的安全性是密码长度的一个函数。密码越长,越多的安全强度。出于这个原因,密码被选为用于指定长度加密算法第一个参数。如果没有更好的办法打破密码系统,除了尝试每个密码可能与蛮力攻击,密码的时间越长,就需要越长的时间来找到正确的密码进行必要的攻击。事实上,通常每个额外的密码给可能的密钥加倍,因此增加所需成功的蛮力对多数对称密钥算法攻击的努力数量。一般来说,一个N位密码意味着2n的长度努力是必需的。例如,有256可能为传统的钥匙DES和2112种可能在传统3重des密钥中。尽管两个密码的算法增强的安全强度,他们需要更长的加密或解密的处理时间与一键算法相比。由于传播技术的进步,我们需要更快密码来赶上传输速度。为了满足这些要求,在本文中,我们要提出一个安全增强的方法来加强3des算法。基本上,光学系统有二维图像处理数据和快速并行信息处理时间的固有优势。该方法的主要思想是,3重des算法以光学方法实现和扩大密码长度到二维数组增加的密码的长度。这中二维扩展没减少加密速度。有了这些属性,我们建议一个XOR-based3des二维page-typed纯文本和安全密码的输入格式光学系统的实现,导致的相同的2d密文输出。如果二维的密码数据包含N×M像素,那么2N×M尝试需要来找到正确的密码。然而,因为平行XOR运算处理，使用这种异或操作加密方法速度不受数据大小的影响。对称加密算法如DES可以按位XOR逻辑实现。韩寒等人提出基于异或操作光学图像加密。使用两个偏振器件和两个液晶非常简单显示器实现两个输入XOR门。这种方法可以实现一个简单的DES算法,但不能用于双重加密如3des,因为执行顺序光学XOR逻辑操作的困难。然而,我们的提议通过在光学逻辑XOR逻辑使用的无线互联技术方法将顺序解决异或操作。在拟议的光学3des方法的主要思想是通过加密和传输个人私钥和纯文本做更安全的加密系统,这种加密私有的密钥用于解密最初的纯文本。3des加密和解密的框图如图1所示,光学3des系统设计带有光学组件如镜子、分束器、