混沌序列密码算法的分析与设计

论文摘要

计算机和互联网技术的飞速发展,将我们的社会带入了信息化时代,使得信息系统的建立己逐渐成为社会各个领域不可或缺的基础设施。任何机构都有需要保密的信息,使得信息的安全成为各界所共同关注的热点。密码系统是解决信息安全问题的最基本的手段。混沌理论和密码学之间有着天然的联系:混沌系统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拟混沌现象。从1989年Matthews和Pecora与Carroll分别提出混沌密码学中的两种方案之后,混沌密码的研究进入了繁荣时期,发表了大量的研究结果,尽管相当数量新提出的混沌密码被攻破了,但是仍有很多混沌密码算法直到目前尚未遇到真正有效的攻击。本论文主要研究的是混沌理论在信息安全技术特别是序列密码学方面的应用。具体包括以下工作:1)从多个方面对混沌理论基础作了详细的论述。给出了混沌的定义,描述了混沌运动的特征,并介绍了各种常见的混沌模型和混沌研究所需的判据与准则。2)对当前混沌密码学的发展状况进行了详细的分析、归纳和总结,特别是混沌序列密码的分析和设计方法。。3)成功地分析了印度学者N.K.Pareek等提出的基于多个一维混沌映射的加密算法。首先指出它实际上是一种密钥流独立于明文的序列密码,因而在明文攻击下是脆弱的。随后通过引入两个方程,使用于加密的映射函数由明文决定来克服了密钥流独立于明文这一安全漏洞。4)对Baptista类型的混沌加密算法进行了安全和效率分析。指出了它们性能低下的原因,并通过用一个分布均匀的参数集代替一个固定的参数控制混沌映射来极大地克服了这些缺陷。5)通过总结已经发表的混沌密码学方面的研究成果,提出了一种新的混沌序列密码算法,并且用实验、相关流密码和信息论知识证明它安全和更加高效。6)在分析了已有的流密码设计和相关攻击方法后,总结出一个混沌流密码模型,在信息论和流密码相关理论基础上对它的安全性进行了较彻底的讨论,从而为将来设计新的混沌序列密码算法提供了一种系统的检测安全陷阱的方法,并且说明了要使混沌流密码获得更大的发展,必须将传统的序列密码和信息论知识和混沌理论更加紧密地联系起来。7)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

• 中文摘要
• 英文摘要
• 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 混沌理论基础
• 2.1 混沌是物质运动的基本形式
• 2.2 混沌理论建立与发展
• 2.3 混沌的定义
• 2.4 混沌运动的特征
• 2.5 混沌研究的判据与准则
• 2.5.1 分维数分析法
• 2.5.2 Lyapunov 指数
• 2.5.3 Poincare 截面法
• 2.5.4 功率谱法
• 2.5.5 Kolmogorov 熵
• 2.6 几类经典的混沌系统
• 2.6.1 离散混沌系统
• 2.6.2 连续混沌系统
• 2.6.3 时滞混沌系统模型
• 2.7 混沌的应用
• 2.8 本章小结
• 3 基于混沌理论的密码技术
• 3.1 信息安全现状
• 3.2 现代密码学概要
• 3.2.1 密码学基本概念
• 3.2.2 对称密钥密码系统
• 3.2.3 公开密钥密码系统
• 3.2.4 密码分析与算法安全
• 3.3 混沌理论与密码学的关系
• 3.4 混沌密码学的发展概况
• 3.5 典型的混沌分组密码
• 3.5.1 分组密码
• 3.5.2 混沌理论用于分组密码的可行性
• 3.5.3 基于逆向迭代混沌系统的分组密码
• 3.5.4 基于正向迭代混沌系统的分组密码
• 3.5.5 一种基于混沌系统的概率分组密码
• 3.6 典型的混沌序列密码
• 3.6.1 序列密码
• 3.6.2 混沌理论用于序列密码的可行性
• 3.6.3 基于混沌伪随机数发生器的序列密码
• 3.6.4 利用混沌逆系统方法设计的序列密码
• 3.6.5 基于搜索机制的混沌流密码
• 3.7 混沌流密码的分析方法
• 3.7.1 基于混沌序列的分析方法
• 3.7.2 基于混沌系统内在特征的分析方法
• 3.7.3 基于信息熵的分析方法
• 3.7.4 其它分析方法
• 3.8 本章小结
• 4 多个一维混沌映射加密系统的分析
• 4.1 Pareek 混沌流密码算法
• 4.2 Pareek 混沌流密码算法的分析
• 4.3 Pareek 算法的改进
• 4.4 对Pareek 算法的其它建议
• 4.5 本章小结
• 5 Baptista 算法的分析和改进
• 5.1 Baptista 算法及其变体的介绍
• 5.2 改进算法
• 5.3 对改进算法的安全分析
• 5.4 一些改进效率的策略
• 5.5 对改进算法的简述
• 5.6 与其它Baptista 型算法的比较
• 5.7 本章小结
• 6 一个流密码模型的讨论
• 6.1 一个流密码模型的建立和分析
• 6.2 李树钩E. Alvarez 改进算法的攻击
• 6.2.1 李树钩E. Alvarez 改进算法介绍
• 6.2.2 李算法的密钥流与明文无关
• 6.2.3 对李算法的攻击
• 6.3 本章小结
• 7 基于转换表的混沌密码算法
• 7.1 研究背景
• 7.2 基于转换表的混沌流密码算法
• 7.2.1 转换表的设计
• 7.2.2 加密解密
• 7.3 本章小结
• 8 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录：作者在攻读博士学位期间发表的论文目录