数字混沌系统退化分析、优化策略及其应用研究
发布时间：2020-08-21 13:27
【摘要】：混沌系统具有对初始条件敏感性、遍历性、拉伸折叠变换特性、正的李氏指数、奇异吸引子等特性,这些特性与现代密码学中的扩散和混淆等特征密切相关,因此其在密码学方面有着巨大的应用价值。近年来,混沌保密通信受到了人们的广泛关注。然而虽然有大量的混沌密码设计与分析的研究成果被发表,但基于混沌的密码算法仍需要经过相当长的时间才能被大规模的实际应用。混沌密码体制的安全问题主要分为两大类:加密算法的结构和混沌系统本身。其中对于混沌系统自身问题主要是由于在计算机等有限精度的设备上实现混沌系统时,混沌系统将会出现动力学性能退化现象,这将极大地破坏基于混沌系统的密码体制的安全性,从而阻碍其在实际应用领域的发展。首先,为了克服数字混沌系统在有限精度下的动力学性能退化现象,不同于其它使用m序列或某些数字混沌系统作为扰动源的方法,本文使用连续混沌系统Chen作为扰动源,并使用Chen混沌系统的输出分别扰动数字混沌映射Chebyshev的参数以及输入,利用Chen系统的轨迹对数字Chebyshev系统进行补偿。基于此种改善方案,设计了一种具有非常良好随机性能的伪随机数生成器。最后,对改善后的系统模型以及伪随机数生成器进行仿真测试。其次,使用无迹卡尔曼滤波器(UKF)算法和扰动反馈技术混合操作来改善混沌系统的动力学性能退化。其中UKF算法用于预测和估计近似理想的数字混沌序列。然后,采用扰动方案对预测值进行扰动反馈,使得最终的输出获得更高的随机性及安全性,从而能够抵御如相空间重构技术等的攻击。使用一维和三维混沌系统分别来验证此改善方案,仿真结果表明了该方法的有效性、优越性和鲁棒性。同时,设计出对应的伪随机数生成器,并通过测试表明其具有优越的性能。最后,利用混沌映射Chebyshev多项式的半群特性以及相应的数学计算难题设计出适用于无线传感器网络的数字签名技术;同时使用第一个研究课题所设计的混沌退化改善方案所生成的混沌系统设计一个新的哈希函数,将改善后的混沌方案进行整数化操作,并将其作为哈希函数的压缩迭代函数,以使得所设计的哈希函数适用于节点资源有限的无线传感器网络。结合此数字签名方案与哈希函数方案,最终构成基于混沌的无线传感器网络广播身份认证方案。将此协议在硬件平台CC2530上实现,并给出各种性能测试与功耗分析。
【学位授予单位】：广西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O415.5;TN918
【图文】：
图 1-1 本文创新点及相互之间的关系（3）使用扩展的 Chebyshev 混沌映射设计基于无线传感器网络的签名算法，并使用第一个创新点所设计的混合混沌映射来构造适用于传感器节点的哈希算法，二者结合构成无线传感器网络的广播身份认证协议。同时在硬件平台 CC2530 来实现此算法。并给出各种性能测试与功耗分析。1.4 本文的结构安排本文主要研究改善由于计算精度造成的混沌系统动力学性能退化方案以及基于混沌的无线传感器网络广播身份认证协议。根据目前国内外主要研究方案，并与无迹卡尔曼滤波器（UKF）等理论结合，提出两种改善性能退化方案的算法。同时设计并硬件实现了无线传感器网络的广播认证协议。论文一共分为六章：第一章 绪论，阐述本课题的课题研究背景，对无线传感器网络的安全现状以及混沌密码学及其所存在的问题进行了简要介绍，并给出了所有章节的安排。
图 3-1 Chebyshev 映射分岔图指数是一种重要的定量测度指标，它反映了相邻两个相空。因此，当最大李雅普诺夫指数为正时，系统呈现出复杂正的李雅普诺夫指数意味着，无论初始两个轨道在相空间数速率增加，因此很难去预测系统。在这里我们给出了一种计算方法。一维混沌映射作为例子，对于混沌映射其表达式如下 +1= ( ). 维映射其只有一个拉伸和折叠的方向，所以如果其初值是间的距离为 = ( )( 0+ 0) ( )( 0) = ( )( 0) 0. 每次迭代后两点间的平均拉伸比，其中 LE 为 Lyapunov
广西师范大学硕士论文可以很显然的看到当 Chebyshev 映射在低计算精度实现时，其相邻轨道之间的相关性将很强，，这使得系统变得脆弱从而容易受到攻击。从图 3-9（c）可以看出，虽然其也是在低有限精度下实现的，但改进后的系统的相邻轨道自相关与原 Chebyshev 映射相比要好很多这意味着改进后的系统能够抵抗相关性攻击和密文攻击。
本文编号：2799433
【学位授予单位】：广西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O415.5;TN918
【图文】：
图 1-1 本文创新点及相互之间的关系（3）使用扩展的 Chebyshev 混沌映射设计基于无线传感器网络的签名算法，并使用第一个创新点所设计的混合混沌映射来构造适用于传感器节点的哈希算法，二者结合构成无线传感器网络的广播身份认证协议。同时在硬件平台 CC2530 来实现此算法。并给出各种性能测试与功耗分析。1.4 本文的结构安排本文主要研究改善由于计算精度造成的混沌系统动力学性能退化方案以及基于混沌的无线传感器网络广播身份认证协议。根据目前国内外主要研究方案，并与无迹卡尔曼滤波器（UKF）等理论结合，提出两种改善性能退化方案的算法。同时设计并硬件实现了无线传感器网络的广播认证协议。论文一共分为六章：第一章 绪论，阐述本课题的课题研究背景，对无线传感器网络的安全现状以及混沌密码学及其所存在的问题进行了简要介绍，并给出了所有章节的安排。
图 3-1 Chebyshev 映射分岔图指数是一种重要的定量测度指标，它反映了相邻两个相空。因此，当最大李雅普诺夫指数为正时，系统呈现出复杂正的李雅普诺夫指数意味着，无论初始两个轨道在相空间数速率增加，因此很难去预测系统。在这里我们给出了一种计算方法。一维混沌映射作为例子，对于混沌映射其表达式如下 +1= ( ). 维映射其只有一个拉伸和折叠的方向，所以如果其初值是间的距离为 = ( )( 0+ 0) ( )( 0) = ( )( 0) 0. 每次迭代后两点间的平均拉伸比，其中 LE 为 Lyapunov
广西师范大学硕士论文可以很显然的看到当 Chebyshev 映射在低计算精度实现时，其相邻轨道之间的相关性将很强，，这使得系统变得脆弱从而容易受到攻击。从图 3-9（c）可以看出，虽然其也是在低有限精度下实现的，但改进后的系统的相邻轨道自相关与原 Chebyshev 映射相比要好很多这意味着改进后的系统能够抵抗相关性攻击和密文攻击。
【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 曹绿晨;罗玉玲;丘森辉;刘俊秀;;A perturbation method to the tent map based on Lyapunov exponent and its application[J];Chinese Physics B;2015年10期
本文编号：2799433
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