基于混沌理论的信息加密算法研究

论文摘要

混沌是指在确定性非线性系统中出现的类似随机的行为,混沌系统的显著特点是对初始条件的极端敏感性,也就是说系统未来行为在长期意义上是不可预测的。混沌的初值(参数)敏感性、拓扑传递性和轨道遍历性(随机性)能够满足密码学上扩散、混淆和密钥依赖性的要求,因此可以使用混沌来设计图像加密算法。研究混沌密码技术的理论和设计方法,可以为密码学的研究提供新的思路和发展方向。本文介绍了混沌系统理论和密码学的基本原理及方法,对混沌加密技术及其在加密的应用进行了系统分析。首先,本文在Chen吸引子和Liu吸引子的基础上,通过增加维数引入非线性分量的方法,提出了两种新型的超混沌吸引子,并对这两种新型超混沌吸引子分别进行了理论分析和仿真实验,其结果表明两种新型的超混沌吸引子有着良好的动力学特性。其次,本文基于新型的超混沌吸引子,提出了一种新的基于超混沌的密钥流发生器算法,并在其中首次引入了HASH函数,来实现对混沌伪随机序列的重构,提高了算法的安全性。再次,在综合研究了分组密码和序列密码的基础上,借鉴分组密码的优点,本文设计了一种新型的基于超混沌密钥流发生器的序列密码加密算法,并在算法中加入了初试置换和非线性S盒这两步操作,很好的避免了明文分组的统计特性对加密效果产生影响。最后,本文简单介绍了AES高级加密算法和对它构成威胁的Square攻击方法,分析其结果,进行了改进。与传统的软件加密相比,硬件加密具有速度快、安全性好等优点。本文介绍了FPGA技术及其应用,然后根据系统特点,实现了基于超混沌的混沌序列密码加密算法IP核,给出了系统的工作原理,并对程序设计进行了详细分析论述。基于NetFPGA平台对算法进行了测试,结果表明该IP核在不影响网络通信速率的前提下,很好的完成了加解密功能,对混沌密码学的应用研究具有一定的现实意义。最后对全文的研究工作进行了总结,并对混沌理论在信息安全应用中进一步研究做出展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景及意义
• 1.2 混沌密码学的国内外研究现状
• 1.3 论文的研究内容及组织结构
• 第2章 混沌理论与密码学基础
• 2.1 混沌的定义与特征
• 2.2 实现混沌的途径和方法
• 2.3 几种典型的混沌系统
• 2.4 混沌密码学理论
• 2.4.1 密码学概述
• 2.4.2 混沌理论和密码学
• 2.5 本章小结
• 第3章 超混沌吸引子的设计
• 3.1 超混沌吸引子简介
• 3.2 两种新型的超混沌吸引子
• 3.3 新型超混沌吸引子特性分析与仿真
• 3.3.1 超混沌Chen吸引子特征分析
• 3.3.2 超混沌Liu吸引子特征分析
• 3.3.3 新型超混沌吸引子仿真与分析
• 3.4 超混沌吸引子离散化与比例压缩
• 3.4.1 超混沌吸引子的离散化
• 3.4.2 变量的比例压缩
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于超混沌的密码算法研究
• 4.1 分组密码和序列密码简介
• 4.1.1 分组密码体制
• 4.1.2 序列密码体制
• 4.1.3 序列密码与分组密码的对比
• 4.2 超混沌密钥流发生器设计
• 4.2.1 基于混沌的密钥流发生器
• 4.2.2 整合变换与初始密钥
• 4.2.3 HASH函数设计与分析
• 4.2.4 HASH函数仿真与分析
• 4.3 基于超混沌的序列密码加密算法
• 4.3.1 初始置换与逆初始置换
• 4.3.2 非线性S盒
• 4.3.3 加密操作与仿真分析
• 4.4 基于超混沌的AES分组加密算法
• 4.4.1 AES加密算法简介
• 4.4.2 基于超混沌的AES加密算法
• 4.4.3 优化改进后结果分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 基于超混沌的序列密码算法IP核设计
• 5.1 总体设计方案
• 5.2 密钥流生成器
• 5.2.1 超混沌吸引子的产生
• 5.2.2 密钥流生成器设计与仿真
• 5.3 加密模块设计与仿真
• 5.4 性能测试与分析
• 5.4.1 测试平台简介
• router与加解密模块'>5.4.2 Reference_router与加解密模块
• 5.4.3 测试方案
• 5.4.4 测试结果分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 本文工作总结
• 6.2 未来工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者攻读硕士学位期间发表的论文、专利及参与项目情况