混沌信号处理与信息加密传输技术研究

西北工业大学博士学位论文混沌信号处理与信息加密传输技术研究姓名：梁峰申请学位级别：博士专业：武器系统与运用工程指导教师：相敬林20060901混沌信号处理与信息加密传输技术研究作者：梁峰学位授予单位：西北工业大学相似文献(10条)1.学位论文龙敏混沌密码若干算法及混合加密技术研究2006混沌理论与常规密码学之间的广泛联系使得混沌密码成为信息安全领域的一个重要研究热点。一般来说，目前混沌密码大致可以分为两种，一种是面向无线通信的混沌保密通信系统；另一种是基于Internet的混沌密码系统，称为数字化混沌密码。对于前一种混沌保密通信系统来说，混沌同步技术是实现混沌保密通信的关键技术之一。自从1990年，Pecora和Carroll发现了混沌同步技术并提出了基于混沌同步的保密通信方案以来，如何实现抗噪声能力强、鲁棒性好且能满足实际保密通信应用的混沌同步技术是目前混沌保密通信领域的一个重要研究内容。从二十世纪九十年代以来，大量的混沌密码算法和混沌保密通信系统被提出，同时其中的相当一部分被成功分析和攻击。如何设计一个性能优良且能抵抗各种攻击的混沌密码算法成为许多混沌密码研究者的共同目标。相对于常规密码学，混沌密码学目前还没有建立一套相应的密码分析方法，混沌密码的分析目前很大程度上依赖于直觉和经验，这对混沌密码的发展是一个严重的制约，因此，如何利用现有的混沌理论构造混沌密码的分析方法是混沌密码目前最迫切解决的问题之一。针对这种情况，本文将致力于以下三个方面的研究：利用混沌的周期轨道理论对混沌键控的保密通信系统分析的研究、参数微扰混沌同步技术的研究以及混沌加密新方案的设计。本文的主要成果包括：1．提出了一种混沌保密通信系统的分析方法。混沌的周期轨道理论揭示了螺旋运动轨道的基本频率相应于其线性系统的自然频率，而该频率是由混沌系统的参数确定的。基于这个原理，本文提出一种针对混沌键控保密通信方案的安全性分析方法，成功对该类混沌保密通信系统进行了分析，指出这类使用混沌参数作为密钥的混沌键控保密通信方法安全性的不足。2．对参数微扰混沌同步技术进行了研究。利用稳定性理论，针对存在参数微扰的任意有限维的两个混沌系统的同步，设计了如何确定控制函数的一般方案。文中所介绍的控制函数设计方法具有较好的通用性，可以推广应用到存在多个参数微扰的混沌系统中，在设计过程中，可以根据实际需要，灵活选择控制函数。3．基于误差反馈同步的原理，提出一种混沌信号产生器“不对称”的加密方案。该方案是一种“私钥”加密方案，收发双方通过设计特定的辅助网络构造各自的混沌信号产生器，在不知道发送端特定网络设计的情况下，重构接收端混沌系统则相当困难，该方案具有较高的保密性和较好的抗噪声干扰能力。4．结合离散混沌同步加密和常规流密码加密方法提出一种新的单向离散超混沌同步加密系统。并将单向离散超混沌同步加密系统扩展到双向保密通信系统，这类双向离散超混沌同步加密系统的发送端和接收端各自仅需要一个混沌系统，简化了设备。分析表明这种双向保密通信系统具有较高的安全性能。5．结合Logistic映射和DES算法提出一种混合加密方案。方案首先利用Logistic混沌映射产生混沌序列，然后将信息用混沌序列进行加密，再利用DES加密算法对上一次加密的结果进行加密。分析表明混合加密方案具有较强的保密性。这是常规加密和混沌加密相结合的一个尝试。6．提出了一种利用超混沌加强RSA算法的方案。目前，RSA算法易于遭受选择密文攻击、公共模数攻击和低指数攻击。对所提出方案的理论分析和仿真的结果表明，该方案在抵抗这些攻击的能力方面得到了显著的提高。7．提出了一种基于RSA算法和超混沌同步加密算法的混合加密方案。方案利用了两种加密方法的优点，并克服了各自的缺点，其安全性能明显优于单独使用任一加密方法的安全性能。8．提出了一种利用四维猫映射的混沌分组密码。四维猫映射具有良好的特性，它由三维猫映射扩展而得。密码算法以初始条件做为密钥，避免了参数作为密钥所带来的一些安全问题。统计性测试也表明了这种分组密码具有较好的安全性。2.学位论文王开混沌密码的非线性动力学理论与应用研究2009混沌动力学与密码学之间存在本质联系，同时，由于基于复杂问题求解的传统密码日益受到威胁，近年来，混沌密码成为信息安全科学与技术一个重要研究领域。本文针对混沌密码的非线性动力学基础理论问题，全面系统研究了混沌密码设计与分析中的确定性随机动力学与符号向量动力学的理论与方法。内容包括：研究了混沌序列密码、分组密码、公钥密码的设计理论与方法。通过归纳符号化操作以及用于增强序列随机性的附加操作，研究了混沌伪随机序列产生方法；分析了基于混沌遍历性的搜索机制及基于扩散操作的两类混沌序列密码设计方法；分析了基于混沌迭代、像素位置置乱、S盒变换、单向散列函数等四类混沌分组密码设计方法；研究了基于Chebyshev的半群性质与环面自同构特性、基于多混沌伪随机序列发生器的两类混沌公钥密码。研究了基于符号动力学的混沌密码安全性分析方法。基于符号动力学及特定明文图像，提出一种针对3D-Cat混沌图像加密方案的选择明文攻击方法，并可以用于分析采用混沌映射坐标置乱与灰度扩散机制的图像加密方法；基于Parseval能量定理，提出一种针对多混沌公钥密码的泛化攻击方法；通过设计退化系统，并利用退化系统极值点与密钥存在的线性关系，提出一种针对单向耦合映像格子混沌自同步序列密码的选择密文攻击方法；以Logistic、Tent、斜Tent典型混沌映射为例，证明符号统计及动力学特性与控制参数、符号化阈值、初始值等的混沌密码密钥存在简单显式或递推关系，阐明了混沌密码存在本质安全问题。完善了应用于耦合映像格子的符号向量动力学粗粒化分析方法，并应用于设计时空混沌通信系统的分析与设计。研究了基于符号向量序列的局部耦合映像格子求逆问题，证明相空间取值存在通过符号向量序列逆迭代收敛至初始向量性质，并提出了相应初始向量估计方法；研究了耦合映像格子允许字和禁止字产生原因，及与系统控制参数的对应关系，给出了允许字序列和禁止字序列的判定方法；提出了基于禁止字区域的耦合强度估计方法；推广了字提升法，并应用于耦合强度及控制参数估计；提出了关于耦合映像格子多径伪混沌流密码攻击方法；提出了基于符号向量动力学的耦合映像格子信号估计算法及具有自纠错功能的信号估计算法，理论分析和仿真计算表明，高斯加性白噪声干扰情况下符号向量序列的误码率与信噪比、耦合映像格子的总节点数、区间划分长度之间存在依赖关系；基于提出的估计方法，提出了低信噪比条件下有效的时空混沌多径调制-解调算法。提出了由混沌到随机过程演进的准确模型，形成了混沌密码的确定性随机动力学理论基础。证明仅当z为互质假分数时，显式函数xn=sin2（θTzn）才能出现确定性随机行为；利用不可逆非线性变换作用于斜抛物线映射的机制，构造出可准确描述渐近确定性随机行为的李沙育映射；利用类似机制，构造出了基于分段线性映射的李沙育映射Ⅱ型和离散型李沙育映射；分析了相应不动点、倍周期分叉、Lyapunov指数谱、离散状态下的最大周期特性、多值对应关系等动力学特性；分析了渐进确定性随机序列概率密度函数、自相关系数、近似熵等统计特性：研究了渐进确定性随机符号动力学特性，证明其符号序列可以有效抵御符号动力学的攻击；提出基于离散渐进确定性随机的伪随机序列发生器，并给出了FPGA实现形式以及随机性检验结果。进一步，利用李沙育映射改进了单向耦合映象格子自同步序列密码、基于搜索机制的混沌流密码、混沌图像加密系统、多径伪随机序列发生器、同时具有压缩和加密双重功能的混沌密码等。3.学位论文王世红时空混沌保密通信系统的设计与研究2003该文第一章是引言,主要介绍传统的密码体制和现有的密码标准,以及混沌密码研究概况.第二章讨论了现有的混沌保密通信系统保密度差的原因,并根据此结论设计了保密度高的一维时空混沌保密通信系统.我们首先对现有的混沌保密通信系统进行了分析,提出了误差函数攻击方法.并利用此方法对现有的混沌保密通信系统成功地实现了攻击.在此基础上,我们以单向耦合Logistic映象格子为模型设计了一个一维时空混沌保密通信系统.在该系统中,我们证明了混沌同步对密钥失配有非常高的灵敏度,并用误差函数攻击方法确定了该系统的保密度.第三章,为了克服一维时空混沌保密通信系统加密速度低和抗噪声能力差的不足,我们以二维耦合Logistic映象格子为模型,设计了二维时空混沌保密通信系统,并对该系统的保密度、加密和解密速度和抗噪声能力等综合性能进行了检测,又与AES(AdvancedEncryptionStandard)进行了比较.第四章主要为混沌保密通信系统的硬件实现作些前期理论准备工作.我们以帐篷映象代替Logistic映象,设计了适合在硬件上实现的二维帐篷映象时空混沌保密通信系统.为了抵抗预测密钥流攻击,我们又进一步改进上述系统,通过与传统的循环移位操作相结合,设计了循环移位耦合映象保密通信系统,并证明了该系统具有快的加密速度,好的抗噪声能力和易于软硬件实施的优点.4.学位论文代榕混沌保密通信系统的设计与研究2008在过去的数十年里，人们对混沌系统的行为研究产生了巨大的兴趣。混沌信号所具有的对初始条件的敏感性，非周期性，似随机性和连续的宽带能谱的特点，非常有利于在保密通信系统中应用。在Pecora和Carroll提出混沌同步概念以来，人们先后提出了各种混沌保密通信系统。但是由于混沌动力学固有的自身的结构特点，在混沌保密通信中，即使动力学系统未知，也可以通过非线性动力学预测和重构等方法破译低维混沌保密通信系统，除此之外，低的加密速度和弱的抗噪声能力都是目前现有大多数混沌保密通信系统面临的问题,这些缺点降低了人们研究混沌保密通信系统的热情。在传统密码学领域，自同步流密码一直是密码学研究的难点，迄今为止，流密码标准在国际上仍是个空白。混沌同步理论为混沌密码的发展提供了广阔的发展前景。如果能够成功地解决混沌保密系统的保密度低，加密速度慢和抗噪声能力弱等问题，混沌密码就有可能填补自同步流密码研究的空白。本文提出了一些保密通信方法，这些方法使用了扩展密钥和位操作，使这些保密通信系统具有强的抗误差函数攻击能力，从而提高了系统的安全性。全文内容由下列四部分组成：第一章综述了混沌理论的发展历史，归纳和总结了混沌系统的基本特征，着重介绍了混沌系统Lyapunov指数的计算方法。第二章介绍混沌同步和混沌密码研究概况，并根据此开展了工作。第三章对一维耦合映象格子保密通信系统的安全性进行了分析，发现该系统在抗误差函数攻击和利用不动点攻击系统方面还存在不足之处，提出了改进方法，该方法使用了扩展密钥和位操作，使改进后的系统具有更强的抗误差函数攻击能力，并能防止利用不动点获取密钥，从而提高了系统的安全性。第四章我们对基于Lorenz模型的混沌调制保密通信系统的安全性进行了分析，发现该系统在抗误差函数攻击方面十分差，提出了基于混沌Lorenz系统的数字保密通信系统，该系统使用了扩展密钥和位操作，使改进后的系统具有强的抗误差函数攻击能力，从而提高了系统的安全性，同时也提高抗干扰能力。5.期刊论文丘水生.陈艳峰.吴敏.马在光.禹思敏.刘雄英混沌保密通信的若干问题及混沌加密新方案-华南理工大学学报(自然科学版)2002,30(11)针对国际上在混沌的定义、基本特性以及混沌保密通信原理等方面的一些不同理解,进行了较深入的讨论,并提出了自己的见解.在此基础上论证了不可预测的混沌信号的产生方法,对混沌加密和传统加密系统进行了对比,提出了一个混沌加密和传统加密结合的系统方案.本文提出了发挥混沌系统的不可预测性在混沌加密中的作用和将混沌加密与传统加密方法结合起来的思想,从而指出了提高加密系统安全性的一个新的研究方向.6.学位论文周建涛基于同步的时空确定性随机流密码及密钥交换研究2005混沌与密码学之间存在本质联系，但仅依赖遍历性与初值敏感性混沌密码的安全性没有获得突破性的进展。因此新非线性动力学机制的探索是混沌密码研究的一种关键手段。具有短期不可预测性质的渐进