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加解密技术在风云三号气象卫星数据传输中的应用研究

作　者: 崔鹏
导　师: 杨军；施进明
学　校: 中国气象科学研究院
专　业: 大气物理学与大气环境
关键词: 加解密地面接收系统风云三号气象卫星研究分析传输格式解密算法工作模式数据传输系统分析理解算法验证
分类号: P414.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

作为我国第二代极轨气象卫星的风云三号为了保证中分辨率(MPT)探测资料在特定环境下的授权使用,准备在其传输过程中采用加解密技术。为了验证MPT传输数据进行加解密操作的可行性,也为了地面接收系统实际需求,需要在研究分析加解密原理和算法的基础上,实现数据加解密处理过程并进行相应系统的设计和实现。本文首先研究分析了MPT传输数据加解密原理和加解密过程中使用的基础算法—数据加密标准(Data Encryption Standard, DES)等。随后在分析理解数据传输格式、具体的加解密算法和工作模式的基础上,通过软件进行了算法的实现。由于算法的研究和实现建立在个人分析理解的基础上,因此通过星上数据传输系统产生的加密前模拟数据和加密后模拟数据对实现的算法进行了各功能的验证,最终确认核心算法的实现正确无误。同时,为了满足MPT数据处理速度方面的要求,在核心算法验证无误的基础上又对算法进行了改进,显著的提高了数据处理速度。由于实现完整的加解密系统还需要相应的密钥管理工作,随后进行了相应密钥管理功能的设计和实现,人为的增加了密钥的安全性。最终,进行了地面接收系统解密软件系统的设计和实现,对实现的解密算法和密钥管理功能进行了集成,同时结合数据传输格式和地面接收系统设计需求,进行其他功能的添加和实现从而完成了地面接收系统中解密功能的需要,并通过有线对接试验对其进行了正确性验证。最后,对美国NPOESS卫星采用的加解密基础算法进行了研究分析,并和我国采用的基础算法进行对比,发现DES算法在安全性、效率等方面已无优势可言。从研究分析的结果看,采用DES算法和相应的工作模式可以对MPT传输数据进行加解密处理:通过密钥管理可人为加强密钥安全性;而进行软件系统的设计和实现,可对星上加密功能进行模拟,而在地面接收系统中实现解密功能。

全文目录

摘要  6-7
Abstract  7-8
第一章引言  8-14
  1.1 风云三号气象卫星概况  8-9
  1.2 密码学概述  9-12
    1.2.1 密码学的发展概况  9-10
    1.2.2 密码学基本概念  10-12
      1.2.2.1 加密和解密  10
      1.2.2.2 算法和密钥  10-11
      1.2.2.3 算法分类  11-12
  1.3 加解密技术在国内外气象卫星中的应用  12-13
  1.4 本文研究的内容和意义  13-14
第二章加解密原理  14-28
  2.1 风云三号气象卫星数据传输格式CCSDS  14-16
    2.1.1 CCSDS的基本描述  14-15
    2.1.2 虚拟信道数据单元(VCDU-Virtual Channel Data Unit)  15
    2.1.3 编码后虚拟信道数据单元(CVCDU-Coded Virtual Channel Data Unit)  15
    2.1.4 信道访问数据单元(CADU-Channel Access Data Unit)  15-16
  2.2 加解密原理  16-19
    2.2.1 系统分析  16
    2.2.2 加解密过程密钥介绍  16-18
    2.2.3 加密原理  18-19
      2.2.3.1 地面运行控制系统  18
      2.2.3.2 地面测控站  18
      2.2.3.3 星上加密  18-19
    2.2.4 解密原理  19
  2.3 采用的基础算法  19-28
    2.3.1 DES算法产生背景  19-20
    2.3.2 DES加解密过程  20-21
    2.3.3 DES 工作模式  21-26
      2.3.3.1 电码本模式(ECB-Electronics Code Book)  22
      2.3.3.2 密文分组链接模式(CBC-Cipher Block Chaining)  22-24
      2.3.3.3 密文反馈模式(CFB-Cipher Feedback)  24-25
      2.3.3.4 输出反馈模式(OFB-Output FeedBack)  25-26
    2.3.4 DES算法安全性  26-28
第三章算法研究与实现  28-52
  3.1 算法研究和实现  28-37
    3.1.1 子密钥的生成  30-32
    3.1.2 PNP数据生成  32-37
    3.1.3 明文／密文数据生成  37
  3.2 算法验证  37-45
    3.2.1 密钥功能验证  37-39
    3.2.2 PNP生成功能验证  39-42
    3.2.3 加解密功能验证  42-45
  3.3 算法改进  45
  3.4 密钥管理  45-48
    3.4.1 密钥生成  46
      3.4.1.1 指定输入  46
      3.4.1.2 随机生成  46
    3.4.2 密钥验证  46-47
      3.4.2.1 密钥区验证  46-47
      3.4.2.1 密钥验证  47
    3.4.3 密钥加密和解密  47
    3.4.4 密钥提取  47-48
    3.4.5 密钥备份  48
  3.5 软件系统  48-52
    3.5.1 软件流程  48-51
    3.5.2 编程语言  51
    3.5.3 运行平台  51
    3.5.4 运行效果  51-52
第四章基础算法比较  52-61
  4.1 AES产生过程  52
  4.2 算法介绍  52-58
    4.2.1 算法过程  52-58
  4.3 两种算法比较  58-60
    4.3.1 结构比较  58-59
    4.3.2 交全性比较  59
    4.3.3 其他方面  59-60
  4.4 建议  60-61
第五章结论和讨论  61-63
  5.1 结论  61
  5.2 不足  61-62
  5.3 结束语  62-63
致谢  63-65
个人简介  65

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