非平稳混沌序列密码的理论与实现技术研究

发布时间：2017-05-12 15:09

  本文关键词：非平稳混沌序列密码的理论与实现技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：非线性乱源是序列密码体制建设的关键。混沌动力学特性与密码设计准则的一致性使得混沌系统被广泛应用于构造序列密码所需要的非线性乱源。然而,在计算机等有限精度器件上实现的混沌系统(常被称为数字混沌系统)所呈现出的动力学退化行为会对基于数字混沌系统的密码体制构成极大安全威胁,由此成为阻碍混沌密码实用化进程的一大屏障。为此,寻求解决数字混沌系统动力学退化的方法,构造有限状态空间上的混沌系统,是混沌密码亟待解决的关键问题。 已有克服数字混沌系统动力学退化的办法多侧重于对系统某些统计特性的改善,无法产生具有密码学期望动力学性能的混沌输出。有限状态空间上已构造的混沌模型大都没有考虑在实际混沌保密应用中的实现问题。此外,混沌系统的输出常会携带系统特征,使得攻击者可根据获取的轨道信息对混沌系统进行有效攻击,进而对所构造的混沌密码体制构成安全威胁。为此,研究克服上述问题的理论与方法对混沌序列密码具有重大科学意义和应用价值。 针对有限状态空间上已有混沌模型存在的问题,本文借鉴基于追踪控制的混沌反控制思想,采用基于事件驱动的脉冲同步控制机制和时间滑动窗的补偿控制机制,建立一种双向耦合的混杂混沌系统模型。采用相空间重构的方法,将混杂模型中数字系统的相空间拓扑等价地拓展为无限维度量空间,论证了其在Devaney意义下的混沌性。最后,对混杂混沌系统模型进行了前端仿真、设计和验证。 针对基于固定参数混沌的密码体制存在安全隐患的问题,本文构造了一种Devaney意义下的变参数混沌系统,该系统中控制参数在离散的参数集中随机性地跳变,参数的变换可视作有限群上的一种随机游走。变参数混沌系统的输出序列具有非平稳统计特性,由此使得基于变参数混沌系统的序列密码体制具有很高的安全性。 针对数字混沌系统动力学退化现有解决方法存在的问题,本文首次借鉴混沌反控制的思想来解决数字混沌系统的动力学退化：根据微分中值定理和状态反馈控制技术,提出一种变参数控制方法,实现了数字混沌系统的混沌化,并使其输出具有密码学期望的动力学性能。基于此,设计了一种具有良好随机性的伪随机数发生器；借鉴基于外反馈的混沌反控制思想,提出一种混合控制方法,实现了数字混沌系统的混沌化,并使其输出具有密码学期望的动力学性能。 在上述研究基础上,基于数字混沌系统和模拟混沌系统的互补性,构建了变参数混杂混沌系统,论证了系统的混沌性和在噪声环境下的同步鲁棒性。基于此,设计了一种非平稳混沌序列密码模型——变参数混杂混沌序列密码,并在Cadence和FPGA上完成了其前端混合仿真。变参数混杂混沌系统的输出序列具有的非平稳性统计特性以及密码体制输出密钥序列具有的高度非线性复杂性和随机性,使得变参数混杂混沌序列密码模型具有很高的安全性。上述研究的开展对混沌序列密码的研究具有重要的科学意义和应用价值。
【关键词】：混沌 序列密码 动力学退化 非平稳 混沌反控制 伪随机数生成器
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O415.5;TN918.1
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-8
• 目录8-10
• 1. 绪论10-30
• 1.1 课题研究的目的和意义10-14
• 1.2 目前国内外的研究现状和存在的问题14-27
• 1.3 本文的研究技术路线和主要内容27-28
• 1.4 本论文的课题来源及章节安排28-30
• 2. 有限状态空间上混沌模型的构造及实现30-47
• 2.1 引言30-31
• 2.2 混杂混沌系统模型31-42
• 2.3 混杂混沌系统的电路设计42-45
• 2.4 数值分析45-46
• 2.5 本章小结46-47
• 3. 变参数混沌系统47-59
• 3.1 引言47-48
• 3.2 变参数LOGISTIC映射48-51
• 3.3 动力学性能分析51-58
• 3.4 本章小结58-59
• 4. 数字混沌系统的变参数控制方法59-85
• 4.1 引言59-60
• 4.2 变参数控制方法60-65
• 4.3 数值分析65-78
• 4.4 基于受控LOGISTIC映射的伪随机数发生器78-84
• 4.5 本章小结84-85
• 5. 数字混沌系统的混合控制方法85-104
• 5.1 引言85-86
• 5.2 复杂度可控的混合控制方法86-89
• 5.3 数值分析89-100
• 5.4 基于受控LOGISTIC映射的PRNG100-102
• 5.5 本章小结102-104
• 6. 变参数混杂混沌序列密码算法104-138
• 6.1 引言104-105
• 6.2 变参数混杂混沌源105-114
• 6.3 基于变参数混杂混沌源的序列密码114-124
• 6.4 变参数混杂混沌序列密码的性能分析124-137
• 6.5 本章小结137-138
• 7. 结束语138-142
• 7.1 本文的主要工作和结论138-140
• 7.2 存在的问题和今后的研究方向140-142
• 致谢142-143
• 参考文献143-156
• 附录1 作者在攻读博士学位期间完成的科研成果156-158
• 附录2 博士期间参与的课题研究情况158

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