二维超混沌序列密码算法的设计与实现研究

论文摘要

在信息时代的今天,随着通信技术和网络技术的高速发展和广泛应用,越来越多的信息在网络上传输,信息的安全与保护问题显得愈发重要,使得密码学理论与技术成为信息科学与技术中的一个重要研究领域。近年来,许多研究者发现,混沌和密码学之间存在着内在的密切联系。混沌系统对初始条件极端敏感,能够产生大量的具有类随机性、相关性、复杂性和较宽频谱等优良密码学性能的序列,为数据加密提供了一种新的有效的手段。但混沌密码学作为新兴的交叉学科,它尚处于初期发展阶段。尽管已经有许多混沌加密方案提出,但混沌密码学的方法还未完全成熟。本文的研究就是在这样的背景下进行的,对可应用于混沌密码系统中的混沌映射、混沌序列密码体制、用于生成密钥的混沌随机数发生器等关键问题进行了探讨。首先,本文系统介绍了混沌、现代密码学的基础理论,以一维Logistic映射为例,详细讨论了描述混沌的主要特征量和基本特性;重点分析了从低维到高维的三种常见典型混沌系统的特性;着重介绍了序列密码的基本原理、方法、特点。针对一维混沌加密算法密钥空间小,安全性不高等缺陷,本文选用Logistic映射耦合生成的二维超混沌系统作为研究对象,把研究的重点放在超混沌序列在数据加密的应用中,以期在混沌数据加密算法研究方面做出一些有益的努力和尝试,同时对超混沌在数据加密的应用研究做一些探索。然后,采用美国Altera公司推出的快速FPGA开发环境DSP Builder作为设计工具,介绍了在该环境下进行数字系统设计的一般方法。在分析了目前混沌序列发生器硬件实现方法的基础上,利用该工具对二维超混沌序列发生器进行了建模设计。仿真分析证明,该方法极大的简化了硬件实现流程,开辟了一条新的DSP处理器及系统的设计方法,为设计具有自主知识产权的DSP处理芯片做了有意义的尝试。最后,本文对研究工作的继续深入进行提出了设想。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 前言
• 1.1 课题背景和来源
• 1.2 国内外研究状况与趋势
• 1.3 课题研究的目的和意义
• 1.4 论文的主要内容和工作安排
• 2 混沌理论基础
• 2.1 混沌的定义
• 2.1.1 定义1
• 2.1.2 定义2
• 2.1.3 定义3
• 2.2 刻画混沌的特征量
• 2.2.1 Lyapunov 指数
• 2.2.2 Poincare 截面法
• 2.2.3 功率谱法
• 2.2.4 分数维分析法
• 2.2.5 Kolmogorov 熵（简称为K 熵）
• 2.3 混沌运动的特征
• 2.4 几种典型混沌系统的研究
• 2.4.1 一维logistic 混沌系统
• 2.4.2 二维henon 混沌系统
• 2.4.3 三维Lorenz 混沌系统
• 2.5 本章总结
• 3 现代密码学基础
• 3.1 密码学基本概念
• 3.2 密码体制分类
• 3.2.1 对称密钥密码体制
• 3.2.2 非对称密钥密码体制
• 3.3 序列密码
• 3.3.1 序列密码原理
• 3.3.2 基于移位寄存器的序列密码
• 3.4 序列密码的分析方法
• 3.4.1 线性复杂度分析
• 3.4.2 相关分析
• 3.5 本章总结
• 4 混沌序列密码算法的设计及其应用
• 4.1 基于混沌的序列密码算法
• 4.1.1 混沌序列密码算法的提出
• 4.1.2 混沌序列密码算法的原理
• 4.2 混沌序列的产生及其改进
• 4.2.1 混沌系统的选择
• 4.2.2 混沌序列的离散化
• 4.2.3 超混沌序列的改进
• 4.3 混沌序列随机性能检验
• 4.4 改进的混沌序列在图像加密中的应用
• 4.5 实验结果及算法性能分析
• 4.5.1 试验结果
• 4.5.2 性能分析
• 4.6 本章总结
• 5 混沌序列发生器的FPGA 设计
• 5.1 FPGA——现场可编程门阵列
• 5.1.1 FPGA 概述
• 5.1.2 StratixⅡ系列器件
• 5.1.3 DSP Builder 软件简介
• 5.1.4 仿真工具-Modelsim
• 5.2 混沌序列发生器的FPGA 设计
• 5.2.1 基于DSP Builder 的二维超混沌序列发生器设计
• 5.2.2 simulink 模型仿真
• 5.2.3 混沌序列的HDL 仿真
• 5.2.4 QUARTUS II 环境下的时序仿真和配置
• 5.3 本章总结
• 6 总结与展望
• 6.1 全文工作总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 发表的学术论文