包旭雷混沌在保密中的应用现状与前景

混沌在保密中的应用现状和应用前景包旭雷电路与系统•一、研究背景•二、混沌的基本理论与产生•三、混沌保密学的研究现状•四、应用前景的个人观点研究背景•随着计算机技术与通信技术的迅猛发展，数字信息交互在世界范围内得到日益广泛的使用。然而，数字信息易于拷贝和发布，给其应用带来了诸多安全问题。当前，保证数字信息在互联网上的安全性和无线通信网络中的安全通信技术成为极具重要性的研究方向混沌系统的一些动力学特性大致对应着传统密码系统的某些安全特征，而具有良好混合性的传统密码系统又暗示着拟混沌现象。密码学遍历性、混合性、确定性混淆、扩散混沌相关知识•一、什么是混沌•混沌是确定系统出现的一种非确定性现象，指一个系统的状态随时间（或空间）的变化规律是混沌的•混沌是关于过程和演化的科学•二、混沌特性•决定性和随机性的对立统一•对初始状态的敏感依赖•蝴蝶效应三、混沌的历史•庞加莱在三体运动中发现了混沌三、混沌的历史•Lorenz混沌系统三、混沌的历史•蔡氏电路f(x)x-EEGaGb分段线性函数RL2C1CRN2v1v3iiRChua电路是第一个在物理上实现且经过严格理论证明的混沌电路电路结构简单，混沌行为复杂，可用于基于混沌的各种信息系统之中；三、混沌的历史•各种各样的混沌系统得到提出和分析，复杂度逐渐增高；目前虽仍没有提出确切的构造混沌的方法，但在一系列已提出的约束条件下，构造混沌系统、从混沌到超混沌系统的构造都成为可行并容易做到。四、代表性混沌及其吸引子1.Logistic映射－虫口模型1(1),04,[0,1]nnnxxxx()xayxycxyxzzxybz四、代表性混沌及其吸引子周期32.Lorenz系统四、代表性混沌及其吸引子3.蔡氏电路RL2C1CRN2v1v3iiR四、代表性混沌及其吸引子4、分数阶混沌aaaaaaaadxdtaxbyzmzdydteyhxzdzdtkxyczgwdwdtdx•其他混沌吸引子四、代表性混沌及其吸引子混沌密码学的研究现状•一、产生机理–模拟混沌•模拟电路在理论上不会使混沌系统产生周期性弱化，而不易控制–数字混沌•二、应用对象–实时系统–非实时系统数字混沌实时系统的研究现状•目前所需解决的问题–混沌系统的构造–数字化混沌系统以及混沌系统数字带来的动力学退化问题–混沌系统同步与抗破译问题–如何进行有效的保密问题(算法)一、混沌系统的构造•1.分数阶混沌的发展•分数阶类似于普通的连续混沌系统，只是将混沌一阶导数转化为分数阶。由于分数阶在求解过程中无法求的数值解，只能获得近似解；并且很难利用现有的数字芯片来获得系统的实现，所以虽然分数阶系统有其自身的优点，但目前在混沌保密学中应用不广•2.混沌到超混沌的发展•利用混沌反控制，在原有的混沌系统中增加非线性项来获得超混沌•3.线性映射级联的发展•级联，将几个低维的混沌映射根据分段函数组合在一起•4.开关函数二、数字化混沌密码•数字混沌流密码•利用混沌系统生成伪随机密钥流，直接用于掩盖明文•数字混沌分组密码•使用明文和/或密钥作为初始条件和/或控制参数，通过迭代/反迭代多次的办法得到密文•基于搜索机制的混沌密码•将不同的明文划分在混沌系统不同的区域，当混沌系统迭代N次后，序列到达了该明文的区域，再通过明文区域的值与一规定的值比较产生密文•分组密码中利用混沌构造s盒•胞元自动机密码•混沌公钥密码二、数字化混沌密码三、数字化混沌的退化及对策1.在经典的混沌理论中，所有的动力学系统都是定义在连续域上的，他们的动力学特性往往只在具有正的勒贝格测度连续相空间才有意义。考虑到数字芯片带来的精度问题，就很难保证系统在连续时候的动力学特性。2.对策更高的有限精度、更多系统的级联、对系统的扰动四、混沌系统的同步与抗破译•目前，混沌同步的方法很多，从最早的驱动-响应同步、主动-被动同步、反馈控制同步到目前应用比较多的自适应同步、变结构控制同步、神经网络同步以及脉冲同步等。用户信号信号编码混沌序列调制信道高斯白噪声解调解密混沌同步序列判决误码率分析延迟解码混沌序列加密混沌序列()xayxycxyxzzxybz()xayxyzzycxyxzuzxybzukx21111()nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnxxayxyzyycxxzyuzzxybzuukx同步响应系统x'n+1y'n+1z'n+1z'ny'nx'nclk13驱动系统xnynznzn+1yn+1xn+1135050防破译•由于在正常的通信系统中，外界的干扰以及通信中的衰弱等问题，比如引起接收端获得混沌序列与发送端的混沌序列存在误差，而考虑混沌系统的敏感性，所以，在同步的过程中，必然要求混沌系统具有很好的鲁棒性；而混沌自适应同步的提出，使得接收端在不确定发端参数的情况下，仍能与发端达到同步，从而影响了系统的保密性。介于此，如何保证系统良好鲁棒性问题又确保系统的抗破译能力是个两难的问题。个人认为，虽然目前同步方法不断的得到提出，但仍未能在这两个方面找到一个平衡点。结论：混沌应用前景的个人观点•虽然混沌系统作为密钥有其自身的优点，如敏感性可使系统增加抗破译能力，而且混沌系统对硬件要求低，序列产生快的特点很适合作为密钥。然后，正如前面提到的，将混沌数字化序列应用于实时系统，尤其是通信系统时，必然会使得系统在控制鲁棒性和安全性出现难以克服的缺陷。因此，（1）、我觉得即使在不考虑数字化混沌系统引起的动力学退化问题，也很难利用混沌在通信系统中作出有效的工程化产品；（2）、若在外界干扰不是很强的情况下，如理想的通信系统中，则可以利用混沌系统的对初值敏感性以及目前的加密算法来提高密文的安全性，同时再利用近几年提出的脉冲同步来获得解密的可能；（3）、对于非实时系统，利用混沌来进行保密处理，不管从理论上还是实践中都可以获得良好的实现，但关键是如何保证用户在获得密钥的同时，不被第三方窃取。谢谢