几类复杂动力学系统的密码分析与设计

论文摘要

随着计算机和通信技术的飞速发展,社会对信息和信息技术的依赖性不断增强,预示着信息化时代的到来。然而,信息随时都有可能遭受窃取、篡改、伪造和重放等各种攻击,成为信息社会建设的瓶颈。因此,为维护信息化社会的有序运作,信息安全受到了各界的广泛关注。密码系统是解决信息安全问题最基本的手段。复杂系统的动力学行为和密码学之间有着天然的联系:它的一些动力学特性大致对应着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复杂的动力学现象。目前,已提出了大量基于混沌和细胞自动机的密码设计方案,并进行了系统的分析。而细胞神经网络和复杂网络的动力学行为也得到了深入的理论研究,具有很好的密码学应用前景。本论文主要研究复杂动力学系统在信息安全技术特别是密码学方面的应用。具体包括以下工作:①系统阐述了细胞自动机、细胞神经网络以及复杂网络等几类复杂动力学系统的相关概念及发展进程。对现有的几种混沌密码和基于细胞自动机的密码研究现状进行了详细的分析、归纳和总结。②根据信息论、密码学和复杂动力学系统理论,提出一种基于算术编码的混沌加密系统。该系统解决了算法的可移植性、数字化后混沌动力学行为出现退化以及密钥相同时密钥流不变等问题,具有较以往算法更好的性能和安全性。同时,将算术编码等同于一个非线性动力学系统,分析了它对系统安全性所作的贡献。③成功破译了一类基于递归细胞自动机置换的图像加密算法,指出该系统在已知明文攻击下是脆弱的。在不改变算法基本结构的情况下,讨论了其可能的改进,分析了系统中密钥流发生器的设计缺陷,并提出一种具有良好随机统计特性和不可预测性的细胞自动机密钥流发生器。④讨论了细胞神经网络一些可应用于密码设计的性质。研究了细胞神经网络中的混沌现象和布尔函数实现方法。⑤分析了无线传感器网络中密钥分配的限制条件,提出一种基于复杂网络同步的无线传感器网络密钥分配方案。⑥最后对论文工作进行了全面的总结,并对今后的研究方向进行了展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景与课题意义
• 1.2 主要研究内容及成果
• 1.3 论文组织结构
• 2 典型的混沌密码与其它的复杂动力学系统
• 2.1 混沌密码学
• 2.1.1 混沌密码学的发展概况
• 2.1.2 典型的混沌序列密码
• 2.1.3 典型的混沌分组密码
• 2.1.4 混沌密码新思路
• 2.2 细胞自动机及其在密码学中的应用
• 2.2.1 细胞自动机的研究背景
• 2.2.2 细胞自动机理论
• 2.2.3 细胞自动机在密码学中的应用
• 2.3 细胞神经网络
• 2.4 复杂网络
• 2.5 本章小结
• 3 基于算术编码的混沌密码算法
• 3.1 研究背景
• 3.2 基于算术编码的混沌加密算法
• 3.2.1 算术编码和混沌映射的有限精度实现
• 3.2.2 加密解密
• 3.3 实验和分析
• 3.3.1 与其他算法的比较
• 3.3.2 算术编码可视为一个非线性动力系统
• 3.4 本章小结
• 4 一类基于细胞自动机的图像加密系统的分析与改进
• 4.1 一类基于细胞自动机的图像加密系统
• 4.2 基于细胞自动机的图像加密系统的分析
• 4.3 算法的改进及关于CA 密钥流发生器的一些建议
• 4.4 本章小结
• 5 细胞神经网络一些可用于密码设计的性质
• 5.1 细胞神经网络的混沌现象
• 5.2 基于细胞神经网络的布尔函数实现
• 5.2.1 基于细胞神经网络鉴别和实现线性可分布尔函数
• 5.2.2 线性不可分布尔函数的实现
• 5.3 本章小结
• 6 基于复杂网络的无线传感器网络密钥分配
• 6.1 研究背景
• 6.2 基于复杂网络同步的无线传感器网络密钥分配
• 6.2.1 传感器网络体系结构模型
• 6.2.2 问题描述及理论背景
• 6.2.3 基于复杂网络同步的动态密钥分配方案
• 6.2.4 性能分析
• 6.3 本章小结
• 7 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读博士学位期间发表的论文目录
• B. 作者在攻读博士学位期间参加的科研项目
• C. 作者在攻读博士学位期间参加学术会议情况
• 附件