后量子加密算法的硬件实现综述

现有的密码体制大多基于RSA、ECC等公钥密码体制,在信息安全系统中实现密钥交换、数字签名和身份认证等,有其独特的优势,其安全性分别依赖于解决整数分解问题和离散对数问题的难度。近年来,随着量子计算机的快速发展,破解上述数学问题的时间大幅减少,这将严重损害数字通信的安全性、保密性和完整性。与此同时,一个新的密码学领域,即后量子密码学应运而生,基于它的加密算法可以对抗量子计算机的攻击,因此成为近年来的热点研究方向。2016年以来,NIST向世界各地的研究者征集候选抗量子密码学方案,并对全部方案进行安全性、成本和性能的评估,最终通过评估的候选方案将被标准化。本文比较了NIST后量子密码学算法征集(第2轮、第3轮)的各个方案,概述目前后量子加密算法的主要实现方法:基于哈希、基于编码、基于格和基于多变量,分析了各自的安全性,签名参数及计算量的特点以及后期的优化方向。PQC算法在硬件实现上的挑战其一是算法规范的数学复杂性,这些规范通常是由密码学家编写的,关注的重点是其安全性而非实现的效率,其二需要存储大型公钥、私钥和内部状态,这可能会导致不能实现真正的轻量级,从而降低硬件实现的效率。本文重点介绍了目前后量子加密算法的硬件实现方式,包括PQC硬件应用程序编程接口的开发,基于HLS的抽象实现和基于FPGA/ASIC平台的硬件实现。PQC方案的硬件化过程中不仅需要算法的高效实现,同时需要抵抗针对硬件结构的侧信道攻击。侧信道攻击可以通过来自目标设备泄露的相关信息来提取密码设备的密钥。本文讨论了后量子加密算法在具体实现和应用中受到侧信道攻击类别和防御对策。     

考虑偏压作用的基坑抗隆起稳定性上限分析

为了研究偏压荷载对抗隆起稳定性的影响,提出了一种考虑偏压作用的基坑抗隆起稳定性计算方法,将墙后土体沉降变形近似简化为余弦曲线,从而在研究偏压作用对基坑抗隆起稳定性影响时可计入偏压荷载范围和坑边距等因素,同时在极限上限分析法的公式推导中考虑了土体各向异性对基坑抗隆起稳定性的影响。将该方法与HASHASH和WHITTLE提出的波士顿蓝黏土深基坑开挖有限元模型进行对比,通过数值算例研究了挡墙入土深度、基坑深度、土体各向异性、最下一道支撑到坑底距离及偏压荷载等因素对抗隆起安全系数的影响。研究表明:基坑抗隆起稳定性系数随着土体各向异性比的增加而增加,随着最下一道支撑到坑底距离增加而增大,发现偏压作用距离坑边在2倍基坑深度之内对抗隆起安全系数影响较大。最后结合案例分析验证了该方法的有效性。     

边界约束对弯曲-伸展元三轴波速试验的影响

利用弯曲-伸展元开展干砂小应变剪切波试验和除气水压缩波试验,研究了三轴试样的不同约束边界对弯曲-伸展元量测剪切波速和压缩波速的影响,并对波速试验结果进行分析。研究结果表明:以干砂为试验对象的剪切波速试验结果介于砂土中剪切波速与边界材料的剪切波速之间,受到约束边界的材质、长度和壁厚的显著影响;而以除气水为试验对象的压缩波速试验结果受样品约束边界的影响较小。在不同约束材质下,剪切波在干砂中的传播速度与约束材料的刚度有关,材料的刚度越小对干砂剪切波速测试结果影响越小。弯曲-伸展元激发频率的相关性与边界约束无关,只与测试材料有关。研究成果有助于获取准确的弯曲-伸展元波速试验结果。     

考虑接触行为的U型渠道冻胀数值模拟

U型衬砌渠道具有良好的整体性和冻胀适应性,但在冬季仍极易因土体冻胀而导致破坏。考虑渠基冻土与衬砌接触面冻结的非线性特性和冻土、混凝土材料的塑性特征,建立能分析渠道基土与衬砌间挤压、脱开及滑移等接触力学行为的渠道冻胀破坏热力耦合数值模型。以宝鸡峡灌区塬下北干渠为原型渠道,按照模型是否考虑接触分别进行冻胀数值模拟,并对模拟结果进行对比分析。结果表明:考虑接触的模型模拟结果与原型实测值更相符,更能合理地解释U型渠道冻胀在渠底与阴坡衔接处冻胀量最小;考虑接触的混凝土塑性应变最大值是不考虑接触时的3.76倍;考虑接触的法向冻胀力和切向冻结力更均匀,最大值均减少1.5~3.0倍,应力集中现象减弱,更能反映混凝土衬砌板与渠基土之间的滑移变形与破坏准则的相互作用。研究结果为U型衬砌渠道冻胀破坏规律提供了分析方法。     

脱湿过程中红黏土热导率的变化试验研究

自然状态下岩土体中的三相组成处于动态变化之中,对土体热传导性能的准确测试造成困难,通过热导率脱湿曲线(TCDC)可间接获取土体的传热性能。为此,以桂林红黏土为研究对象,采用压力板仪和KD2 Pro土壤热特性分析仪,研究了红黏土在脱湿过程中热导率的变化规律。试验结果表明:在进气值之前,土体饱和度不变,3种干密度的土体热导率都有小幅度增加,此阶段主要与吸力变化引起的土体密实度变化有关;当吸力超过进气值后,热导率随饱和度减小逐渐减小,此阶段含水率为影响热导率的主要因素。基于热导率试验结果,采用Lu模型和William模型对红黏土脱湿过程中热导率变化曲线进行拟合,整体上2模型对试验结果拟合较好,可以用于红黏土脱湿过程中热导率变化的模拟。     

耦合效应下压力型锚索锚固机理的拟静力分析

为了更加精确地对地震作用下软弱岩土体中压力型锚索抗震性能进行理论研究,基于长期荷载作用下钢绞线的材料松弛现象,推导了锚索预应力与岩土体蠕变的耦合效应下锚索预应力表达式和预应力损失量表达式;结合地震作用效应的拟静力等效法、Mindlin问题解和积分简化方法,推导了砂浆体在圆形均布荷载作用下压力型锚索锚固段的等效压应力表达式和等效剪应力表达式。通过案例分析可知:锚索预应力初期损失较大,中期损失稳定,至后期基本保持不变,预应力损失速率是递减的;压力型锚索锚固段砂浆体的等效应力主要集中在承压板0.5 m的范围内,等效应力最大值不在承压板与砂浆体的接触面上,而在承压板0.1 m的范围内。该研究成果丰富了压力型锚索抗震设计理论研究内容,可为深化压力型锚索抗震机理研究提供一定的理论依据,也可为合理考虑压力型锚索加固边坡的抗震设计提供有益的参考。     

堤防工程标准化管理体系风险评估方法

为了完善堤防工程管理体系,依托鄱阳湖区重点堤防工程,将风险管理理论与堤防工程工作、技术、管理和考核标准化体系有机结合,建立了基于风险的堤防工程标准化管理体系,并且提出了标准化管理体系风险评估方法。首先,确定我国中部地区堤防工程生命、经济和社会与环境风险标准图;再借助风险矩阵法拟定生命、经济和社会与环境风险考核指标系数,估计综合考核指标系数,并将其融入标准化考核管理中得到基于风险的堤防工程标准化管理评分;最后,根据评分值来评价堤防工程标准化管理是否合格。结果表明:建立的堤防工程标准化管理体系不仅可为制定科学合理的堤防失事风险管理决策及措施提供理论和技术支持,而且可为其他堤防工程运行管理提供借鉴。     

雨水泵站水泵机组启停优化

为解决雨水泵站运行过程中存在的水泵频繁启停问题,提出一种水泵机组启停优化方法.该方法通过分析泵站的设计参数和水泵机组运行原理,建立启泵水位优化模型,并运用暴雨洪水管理模型(storm water management model,SWMM)和粒子群优化算法(particle swarm optimization algorithm,PSO)对模型求解,最终得到水泵机组的最优启泵水位.通过实例将优化方法与传统的人工调试方法进行对比,验证了其可行性.研究结果表明:采用优化方法得到的启泵水位可使机组启停次数达到最小,实现了较好的水泵启停效果.同时优化方法也避免了复杂的人工调试过程,得出的优化结果为雨水泵站启泵水位的选取提供参考.     

氯和氯胺冲击消毒对二次供水管道生物膜的控制作用

针对建筑二次供水管壁生物膜对饮用水的生物安全性构成的潜在威胁,采用生物膜反应器(BAR)模拟二次供水管道,研究氯和氯胺冲击消毒过程对管壁生物膜的细菌总数、大肠杆菌和异养菌(HPC)灭活效果以及对生物膜结构的影响.结果表明,在第80天时生物膜中生物量达到最大,生物膜宏基因组分析表明,厚壁菌门(Firmicutes)、变形菌门(Proteobacteria)和拟杆菌(Bacteroidetes)为优势菌种.冲击消毒对生物膜的灭活效能与氯和氯胺的质量浓度以及CT值有关,在相同CT值条件下,高质量浓度氯和氯胺的灭活效果更佳.氯和氯胺的生物膜灭活效果对比可以看出,在低投量条件下,氯的细菌总数和大肠杆菌灭活效果好于氯胺,但氯的HPC灭活效果弱于氯胺;在高投量条件下,消毒剂质量浓度和CT值与生物膜的灭活效果无明显相关性,可以达到快速消毒的效果.在氯和氯胺的投加质量浓度为3.0 mg/L、CT值300~400 mg·min/L的最佳冲击消毒条件下,生物膜中细菌总数、大肠杆菌和HPC的灭活率均达到95%以上.从生物膜的表面特性分析可以看出,冲击消毒后生物膜结构破坏明显,生物膜变薄或脱落;氯冲击消毒对生物膜的破坏和削减程度优于氯胺,更有利于管道生物膜的控制.     

索承式桥梁吊索钢丝腐蚀疲劳寿命评估

根据吊索镀锌钢丝腐蚀疲劳破坏特点,把镀锌钢丝腐蚀疲劳纹形成和扩展过程分解成镀锌层腐蚀失效、蚀坑萌生、蚀坑形成、短裂纹扩展、长裂纹扩展和断裂破坏等阶段,建立各阶段时间表达式,得到镀锌钢丝疲劳寿命表达式,提出基于断裂力学的吊索钢丝腐蚀疲劳寿命评估研究结果方法。通过算例分析复杂运营条件下腐蚀环境和应力幅等因素对吊索钢丝腐蚀疲劳寿命的影响,研究结果表明：吊索钢丝腐蚀疲劳寿命主要由钢丝镀锌层腐蚀、蚀坑发展和短裂纹扩展等3个阶段组成,为了准确地评估吊索腐蚀疲劳寿命,需要掌握大桥的运营环境和交通荷载。