數(shù)字化混沌的特性分析及其加密應(yīng)用研究.pdf

1、通信技術(shù)的快速發(fā)展使得圖像、文本和語音數(shù)據(jù)可以直接通過各種終端設(shè)備進(jìn)行存儲與傳輸，與此同時數(shù)據(jù)的安全問題也隨之而來，例如個人的隱私數(shù)據(jù)很容易被非法獲取。為了保障數(shù)據(jù)的相對安全，密碼技術(shù)越來越多地受到人們關(guān)注。在信息安全領(lǐng)域中，加密算法和Hash函數(shù)是兩項(xiàng)基本方法。現(xiàn)今由于信息技術(shù)的發(fā)展使得部分傳統(tǒng)密碼算法受到威脅，于是研究者逐漸將目光轉(zhuǎn)向新的密碼學(xué)研究領(lǐng)域。其中，基于非線性科學(xué)的混沌理論，自發(fā)現(xiàn)之日起便以其自身良好的類隨機(jī)性、遍歷性、不

2、可預(yù)測性和初始條件敏感性受到廣泛關(guān)注，已成為密碼學(xué)中一個重要的研究熱點(diǎn)。
　　近些年來混沌理論在加密算法和Hash函數(shù)領(lǐng)域的研究取得了較大進(jìn)展，但由于混沌理論研究還不夠成熟，現(xiàn)有的研究成果尚缺乏一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，而且在安全性和效率方面也存在不足。在研究混沌應(yīng)用的過程中，學(xué)者們注意到混沌退化在一定程度上會降低密碼系統(tǒng)的安全性，因此混沌系統(tǒng)在有限精度下動力學(xué)特征退化這一現(xiàn)象引起了廣泛的重視。本文基于現(xiàn)有的研究成果，在充分考慮延緩數(shù)字混沌

3、退化的基礎(chǔ)上，以帳篷映射為切入點(diǎn)研究混沌系統(tǒng)在圖像加密和Hash函數(shù)構(gòu)建方面的算法設(shè)計。本文的主要工作體現(xiàn)在以下四個方面:
　　1.首先介紹了課題的研究背景，包括混沌理論的發(fā)展歷程及混沌密碼學(xué)，然后給出了本文的幾個創(chuàng)新點(diǎn)。描述了密碼學(xué)的基本模型，并揭示了混沌系統(tǒng)自身特征與密碼學(xué)所要求的“混淆與擴(kuò)散”之間的異同。簡單總結(jié)了當(dāng)前混沌在退化、圖像加密以及Hash構(gòu)建這三個方面的研究現(xiàn)狀。最后對混沌密碼學(xué)領(lǐng)域尚存在的不足做了分析，并給出了

4、相應(yīng)的解決思路。
　　2.針對數(shù)字混沌的退化現(xiàn)象提出了一種基于帳篷映射和切比雪夫映射的改進(jìn)系統(tǒng)，利用Lyapunov指數(shù)定義對帳篷映射的參數(shù)進(jìn)行擾動。帳篷映射作為初始的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，每次自迭代產(chǎn)生的狀態(tài)值再經(jīng)過一次切比雪夫映射，如果經(jīng)切比雪夫映射后的狀態(tài)值落入一個固定區(qū)間，這個狀態(tài)值不僅會作為最終的系統(tǒng)輸出也將被反饋給帳篷映射并取代原有的參數(shù)。測試結(jié)果表明改進(jìn)系統(tǒng)在自相關(guān)性、近似熵、混沌吸引子方面有著更加優(yōu)良的特性，同時有著良好的

5、初始條件敏感性并通過了SP800-22隨機(jī)數(shù)測試。
　　3.采用帳篷映射與切比雪夫映射得到的改進(jìn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了一種圖像加解密算法。首先將明文與密鑰量化為一個0到1之間的小數(shù)作為系統(tǒng)初值。利用系統(tǒng)軌跡構(gòu)建了兩個一維的遍歷矩陣，用于像素置亂。像素替換的過程由一種可逆的除運(yùn)算完成，像素替換的時序由混沌狀態(tài)值控制。性能分析表明，圖像加解密算法具有足夠大的密鑰空間以抵抗暴力破解，并擁有較高的效率，而且有能力抵抗統(tǒng)計性分析、差分攻擊、已知明文攻擊