Математичне моделювання задач криптографії та обробки сигналів з використанням неканонічних гіперкомплексних числових систем

Дисертація присвячена математичному моделюванню задач криптографії та обробки сигналів з використанням неканонічних гіперкомплексних числових систем, застосування яких зменшує кількість обчислень при функціонуванні таких моделей та дозволяє оптимізувати їх за окремими характеристиками. Результати моделювання задачі розділення секрету показали, що застосування неканонічних гіперкомплексних числових систем, починаючи з вимірності 4, зменшує кількість потрібних обчислень у порівнянні із застосуванням канонічних гіперкомплексних числових систем. Розроблено методи побудови структур неканонічних гіперкомплексних числових систем, що задовольняють критеріям побудови цифрового фільтра. Побудовано цифровий фільтр з коефіцієнтами у неканонічних гіперкомплексних числових системах та проведена його оптимізація за параметричною чутливістю.The thesis is devoted to mathematical modeling of cryptography and signal problems using non-canonical hypercomplex numerical systems, which reduces the calculations amount during these models functioning and allows their optimization by individual characteristics. The modelling results of secret sharing scheme have shown that the use of non-canonical hypercomplex numerical systems starting from dimension 4 reduces the computation amount required in comparison with the use of canonical hypercomplex numerical systems. The methods for synthesis the noncanonical hypercomplex numerical system structures that satisfy the criteria for building a digital filter are developed. The digital filter is developed with the coefficients in noncanonical hypercomplex numerical systems and optimized by the parametric sensitivity.Диссертация посвящена математическому моделированию задач криптографии и обработки сигналов с использованием неканонических гиперкомплексных числовых систем (ГЧС). Разработаны методы и способы представления и обработки данных в неканонических ГЧС, применение которых упрощает вид математических моделей, уменьшает количество вычислений при их функционировании и позволяет производить их оптимизацию по отдельным признакам. Анализ результатов работ последнего десятилетия по применению гиперкомплексных числовых систем в решении задач криптографии и обработки сигналов показал следущее: 1) применение канонических ГЧС к задаче разделения секрета повышает криптографическую стойкость, но вместе с тем увеличивает количество операций, требуемых для реализации такой задачи. Применение неканонических ГЧС дает возможность минимизировать количество вычислений за счет меньшей размерности системы; 2) синтез цифрового фильтра с использованием канонических ГЧС дает результаты по оптимизации его параметрической чувствительности, но поскольку выбор таких систем ограничен, неканонические ГЧС дают большие возможности по оптимизации чувствительности. В работе совершенствуются методы построения структур ГЧС заданной размерности, в том числе получения множества структур неканонических ГЧС, заданных в общем виде и неканонических гиперкомплексных числовых систем, изоморфных диагональной системе. Эти методы учитывают заданные ограничения представления данных в неканонических ГЧС для моделирования практических задач. Предлагается метод построения некоторых классов изоморфизма для неканонических ГЧС размерности 2. Изоморфные системы используются для минимизации вычислений при таком представления данных. В работе совершенствуются методы определения единичного элемента, нормы, сопряжения и делителей нуля для неканонических гиперкомплексных числовых систем; методы выполнения операций в таких системах. Впервые предлагается метод вычисления вычетов в неканонических ГЧС, который применяется в моделировании задачи разделения секрета и учитывает структурные особенности неканонических гиперкомплексных числовых систем. Предлагается модификация модулярной схемы разделения секрета, которая отличается от существующей представлением информации остатками в неканонических ГЧС по совокупности неканонических гиперкомплексных модулей. Реализована компьютерная модель задачи разделения секрета для неканонических ГЧС третьей и четвертой размерности в системе символьных вычислений MAPLE. Приведены результаты работы такой модели и сравнительные характеристики количества операций в части преобразования данных, непосредственно разделения секрета и восстановления данных. Анализ полученных результатов показал, что в целом, применение неканонических ГЧС к данной модели позволяет использовать меньшую размерность в зависимости от выбора констант при структурных единицах в таблице умножения системы, для обеспечения такой же криптостойкости, как и с использованием канонических ГЧС. Использование неканонической ГЧС размерности 3 для обеспечения такой же криптостойкости, как и при использовании канонической ГЧС размерности 4, не дает нужного эффекта для уменьшения количества вычислений, так как среднее количество операций увеличивается на 92%. Но уже при использовании неканонической ГЧС размерности 4 с 9-ю составными ячейками в таблице умножения с целыми коэффициентами из диапазона {-4,4}, для обеспечения такой же криптостойкости, как и при использовании канонической ГЧС размерности 6, количество требуемых вычислений уменьшается в среднем на 44%. Для успешного восстановления секрета, необходимо использовать числовые системы без делителей нуля и обладающих свойством мультипликативности нормы. В диссертационной работе впервые предлагается метод синтеза неканонических ГЧС, которые могут быть использованы при построении цифрового фильтра. Создана математическая модель рекурсивного цифрового фильтра с гиперкомплексными коэффициентами в полученных неканонических ГЧС третьей размерности. Впервые предлагается метод оптимизации суммарной параметрической чувствительности фильтра, построенного с использованием неканонических ГЧС который позволяет существенно уменьшить параметрическую чувствительность эквивалентного фильтра с вещественными коэффициентами (до ~50%) и существующих фильтров с гиперкомплексными коэффициентами (до ~40%). В работе описано расширение аналитически-программного инструментария в системе символьных вычислений MAPLE, который реализует предложенные модели и методы с учетом структурных особенностей неканонических ГЧС, а именно: определение основных свойств и выполнение операций над неканоническими гиперкомплексными числами; выполнение модулярных операций над неканоническими гиперкомплексными числами; построение структур неканонических ГЧС согласно заданным критериям, в том числе, критерию построения цифрового фильтра; реализация модели задачи разделения секрета в неканонических ГЧС и метода оптимизации параметрической чувствительности цифрового фильтра. Листинги кода приведены в приложениях

Математическое моделирование задач криптографии и обработки сигналов с использованием неканонических гиперкомплексных числовых систем

Дисертація присвячена математичному моделюванню задач криптографії та обробки сигналів з використанням неканонічних гіперкомплексних числових систем, застосування яких зменшує кількість обчислень при функціонуванні таких моделей та дозволяє оптимізувати їх за окремими характеристиками. Результати моделювання задачі розділення секрету показали, що застосування неканонічних гіперкомплексних числових систем, починаючи з вимірності 4, зменшує кількість потрібних обчислень у порівнянні із застосуванням канонічних гіперкомплексних числових систем. Розроблено методи побудови структур неканонічних гіперкомплексних числових систем, що задовольняють критеріям побудови цифрового фільтра. Побудовано цифровий фільтр з коефіцієнтами у неканонічних гіперкомплексних числових системах та проведена його оптимізація за параметричною чутливістю