协同式敌我识别器中的混沌分组加密系统设计与分析

中图分类号：TN918.4论文编号：102870415-SZ015学科分类号：085208硕士学位论文协同式敌我识别器中混沌分组加密系统的设计与分析研究生姓名专业类别工程硕士专业领域电子与通信工程指导教师教授南京航空航天大学研究生院电子信息工程学院二О一四年十二月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofElectronicandInformationEngineeringDesignandAnalysisofChaoticBlockCipherImplementedinCooperativeIFFSystemsAThesisinEngineeringmaster,ElectronicandCommunicationEngineeringbyZhaoXinchenAdvisedbyProf.FengFanYangSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringDecember,2014承诺书本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文I摘要随着科学与技术的发展，战场环境日趋复杂，敌我识别器被广泛应用于各个军事领域。协同式敌我识别器利用询问机与应答机相互通信，对敌我属性进行识别。若敌方破译了消息密钥，便可以发起欺骗式攻击，对己方的识别工作造成干扰。因此，设计高度保密的加密系统对于敌我识别器来说至关重要。混沌函数具备内在随机性、初始条件灵敏性、运动行为难以预测等特性，与密码学混淆和扩散的设计标准相符合。自从20世纪80年代混沌密码的概念被提出以来，混沌密码学已广泛应用于保密通信的各个领域。本文依托具体的科研项目，将混沌映射应用于询问机加密系统的设计，主要研究内容和创新点如下：（1）对混沌系统的基本理论、评判指标进行分析和总结，详细研究了帐篷映射、Logistic映射和Cubic映射的动力学特性，同时探讨了将混沌函数应用在安全通信中的技术难点；重点设计了满足MarkXIIA模式5一级和二级询问消息格式的混沌分组加密算法。（2）真随机密钥为加解密算法提供了安全性保障。利用鼠标轨迹作为随机熵源，设计了基于帐篷映射的Hash函数，一次可生成104比特的真随机密钥；在此基础上用双向耦合映射格子对算法进行扩展，输出序列长度增至256比特，能够满足一般加密算法对密钥长度的要求。15种NIST随机数测试结果表明，两种方案所产生的随机数均能够通过检测，并且算法具有较好的扩散性。（3）非线性S盒是分组密码安全性的保障，本文对现有算法进行研究和改进，设计了一种新的基于双混沌映射的动态S盒生成算法，该算法能够确保所生成S盒的平均非线性度不小于105，差分均匀性最大值不大于10。（4）线性密码分析是评价分组加密算法的一项关键分析技术，针对本文提出的询问信息加密算法，构造了8轮有效线性逼近表达式，基于该表达式对上述算法实施线性密码攻击，并从时间复杂度、空间复杂度和数据复杂度的角度对攻击成本进行了分析，说明了以动态S盒为轮函数的混沌对称加密算法具备很好的抗线性攻击能力。关键词：敌我识别，混沌密码，分组加密，Hash函数，混沌动态S盒，线性密码分析协同式敌我识别器中的混沌分组加密系统设计与分析IIABSTRACTWiththedevelopmentofscienceandtechnology,IFFsystemhasbeenwidelyusedindifferentkindsofmilitaryfieldasbattlefieldenvironmentbecomesincreasinglycomplicated.CooperativeIFFsystemidentifiestargetbyperformingsecurecommunicationbetweenitsownInterrogatorsandhostile’stranponders.Iftheenemydecipheredthepassword,hecanlaunchdeceptionjammingontheinterrogatorwhichcausesinterferencetotheidentificationwork.Therefore,designingcryptosystemwithhighsecurityisvitaltoIFFsystems.Chaoticfunctionischaracterizedbyinnerrandomnessandunpredictabilityanditisalsosensitivetoinitialconditions,whichcorrespondstotheconfusionanddiffusiondesigncriteriaofcryptography.Since1980swhentheconceptofchaoticciphersisproposed,chaoticcryptologyiswidelyusedinvariousfieldsofconfidentialcommunication.Basedonspecificprojectbackground,thispaperapplieschaoticmappingtothedesignofinterrogator’scryptosystem.Thispapermainlyresearchonthefollowingcontentstogetherwithsomeinnovations:(1)Thispapergivesabriefanalysisandsummaryofthebasictheoryandevaluationcriteriaofchaoticsystem.Wealsoanalyzethekineticsfeaturesoflogisticmap,tentmapandcubicmapandgiveoutthekeyissuesofapplyingdigitalchaoticsystemtosecurecommunication.Thenwefocusonconstructingchaoticblockencryptionalgorithm,whichissuitablefortheinterrogationsignalformatofMarkXIIAMode5system.(2)Truerandomkeyistheassurancetothesecurityofcryptosystem.Byusingmousetrajectoriesasthetruerandomsource,wedesignedaHashfunctionbasedontentmapwhichcangenerate104truerandombitsatonetime.Weexpandtheabovemethodbydoubledirectioncoupledmaplattice,sothatitcangenerate256bitstosatisfykeylengthrequirementofmostalogorithms.Theresultof15statisticaltestsproposedbyNISTshowsthatbothalgorithmscangeneratetruerandomnumbers.Atthesametime,experimentaloutputsshowthatbothmethodsalsohaveperfectdiffusibilityfeatures.(3)Thesecurityofblockciphersreliesonthedesignofgoodnonlinearsubstitutionbox.WemakesomeimprovmentsonexistingalgorithmanddesigneddynamicS-boxesbasedonLogisticmapandtentmap.Thealgorithmensuresthatnon-linearityoftheS-boxisnotlessthan105andmaximumvalueofdifferentialuniformityisnotgreaterthan10.(4)Finally,weperformlinearcryptanalysisontheinterrogationencryptionalgorithm.We南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文IIImainlyconstruct8roundseffectivelinearapproximationexpression.Basedonthisexpression,weperformlinearcryptanalysisandanalyzethecomplexityfromthepointoftimeanddataconsumption.Resultshowsthatthechaoticblockcipherdesignedinthispaperhasgoodpropertyagainstlinearattack.Keywords:IdentifyFriendorFoe,ChaoticCipher,BlockCipher,HashFunction,ChaoticDynamicS-box,LinearCryptanalysis协同式敌我识别器中的混沌分组加密系统设计与分析IV南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文V目录第一章绪论..........................................................................................................................................11.1敌我识别系统的基本原理......................................................................................................11.2课题研究的目的和意义..........................................................................................................21.3混沌密码系统的研究现状......................................................................................................21.4论文主要工作与内容安排......................................................................................................4第二章混沌系统概述...........................................................................................................................62.1混沌的基本知识................