基于混沌分形理論的信息加密技術(shù)與復(fù)雜信道動(dòng)力學(xué)模型研究.pdf

1、混沌理論是研究自然界非線性過程復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)在隨機(jī)性所具有的特殊規(guī)律的一門新興學(xué)科．分形理論與混沌密切相關(guān)，混沌是產(chǎn)生時(shí)空結(jié)構(gòu)的物質(zhì)非線性運(yùn)動(dòng)，而這種結(jié)構(gòu)本身就是分形．混沌分形理論以新的時(shí)空觀、新的手段來處理自然界中的復(fù)雜性難題，透過撲朔迷離的無序混亂現(xiàn)象和不規(guī)則形態(tài)，揭示隱匿在復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)部的規(guī)律以及局部和整體之間的本質(zhì)聯(lián)系．混沌、分形理論的出現(xiàn)是人類科學(xué)史上的重大突破，擁有巨大的應(yīng)用前景． 本論文對(duì)混沌分形理論在信息加密及復(fù)雜系統(tǒng)

2、動(dòng)力學(xué)模型分析中的應(yīng)用進(jìn)行了研究．信息安全是信息學(xué)中的一個(gè)重要研究領(lǐng)域，信息加密技術(shù)則是信息安全的基礎(chǔ)．混沌理論的發(fā)展為信息加密技術(shù)提供了新的思路，混沌是確定性系統(tǒng)，而由其產(chǎn)生的序列是偽隨機(jī)的，在理想條件下具有無限大的周期，具有類似高斯白噪聲的統(tǒng)計(jì)特性．同時(shí)混沌系統(tǒng)對(duì)初始值和參數(shù)極端敏感，序列具有不可預(yù)測(cè)性并可以提供巨大的密鑰空間，非常適合于信息加密系統(tǒng)．本文就混沌理論在流密碼數(shù)據(jù)加密、數(shù)字圖像加密及直接擴(kuò)頻通信三個(gè)領(lǐng)域展開討論，在分析

3、前人已有成果的基礎(chǔ)上，分別針對(duì)以上三個(gè)領(lǐng)域提出了以密鑰的Hash擴(kuò)展和基于Pless生成器的混沌序列非線性變換為核心技術(shù)的可公開混沌流密碼加密算法、基于Lorenz混沌系統(tǒng)的比特移位圖像加密算法和基于Geffe序列生成器的混沌擴(kuò)頻序列生成方案三種改進(jìn)與創(chuàng)新算法，仿真實(shí)驗(yàn)表明以上算法較傳統(tǒng)混沌方案在性能上有明顯的提高． 復(fù)雜系統(tǒng)中的不確定行為動(dòng)力學(xué)模型研究具有重要的意義，是揭示系統(tǒng)時(shí)空演化特性，從而建立對(duì)系統(tǒng)精確描述模型的基礎(chǔ)．本

4、文以多徑衰落信道為例，將非線性混沌、分形理論引入復(fù)雜系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型研究，并通過仿真驗(yàn)證了非線性模型較之傳統(tǒng)隨機(jī)模型的優(yōu)勢(shì)． 本文的主要工作及創(chuàng)新點(diǎn)有： (1)研究了流密碼加密技術(shù)中較為常用的基于線性反饋移位寄存器的m序列的偽隨機(jī)性能并分析了其缺陷．將混沌理論引入到信息加密系統(tǒng)中，并以Logistic映射為例，對(duì)混沌信息加密的可行性進(jìn)行了較為深入的分析．將混沌密序列鑰流與m序列加以對(duì)比分析，驗(yàn)證其在序列周期、密鑰空間及相關(guān)

5、性能上的優(yōu)勢(shì)．給出了傳統(tǒng)混沌流密碼加密算法的原理與實(shí)現(xiàn)，對(duì)其在計(jì)算精度受限條件下的密鑰空間小、序列呈周期性、易于通過自適應(yīng)參數(shù)混沌同步攻擊且算法不宜公開等缺陷進(jìn)行了分析．在此基礎(chǔ)上提出了一種以密鑰的Hash擴(kuò)展和基于Pless生成器的混沌序列非線性變換為核心技術(shù)的可公開的混沌流密碼加密算法，有效地?cái)U(kuò)展了密鑰空間并增加了序列線性復(fù)雜度，增強(qiáng)了抗密鑰窮舉搜索攻擊和基于神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)混沌同步攻擊能力． (2)討論了各種傳統(tǒng)的圖像

6、加密技術(shù)并分析了這些方法存在的缺陷．在此基礎(chǔ)上將混沌理論引入圖像加密中，較為詳細(xì)地闡述了目前混沌圖像加密中最為常用的“空域復(fù)合”加密算法并加以實(shí)現(xiàn)，分析了其在加密速度上的不足．針對(duì)該缺點(diǎn)提出了一種基于Lorenz混沌系統(tǒng)的比特移位圖像加密算法，通過采取合適的預(yù)處理與量化機(jī)制，形成基于Lorenz方程奇異吸引子的x，y，z三組高質(zhì)量偽隨機(jī)序列，通過控制參與移位操作的明文比特?cái)?shù)、移位方向與移位位數(shù)達(dá)到加密圖像的目的．通過算法的具體實(shí)現(xiàn)比較并

7、驗(yàn)證了其在加密速度、密鑰空間及抗密鑰窮舉攻擊性能上的優(yōu)勢(shì)． (3)分析了m序列的改進(jìn)—Gold序列的性能，討論了其在周期、碼數(shù)、相關(guān)性能上的缺陷．將混沌理論引入擴(kuò)頻通信中，分析了理想條件下混沌二值擴(kuò)頻序列的平衡性與相關(guān)性．在此基礎(chǔ)上，針對(duì)有限精度下通過二值量化得到的混沌擴(kuò)頻序列狀態(tài)數(shù)目較短、呈周期性、相關(guān)性能隨序列長(zhǎng)度增長(zhǎng)而下降，并易于通過參數(shù)自適應(yīng)同步控制方法破譯的缺陷，提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于Geffe序列生成器的混沌擴(kuò)頻序列生

8、成方案，較大幅度擴(kuò)展了擴(kuò)頻序列的周期，增加了序列的線性復(fù)雜度，提高了抗破譯能力．通過仿真驗(yàn)證了由該生成器產(chǎn)生的混沌擴(kuò)頻序列具有良好的平衡及相關(guān)性能． (4)對(duì)移動(dòng)通信多徑衰落信道的特性進(jìn)行了相關(guān)分析，給出了幅度衰落的傳統(tǒng)模型并分析了其缺陷．在分析多徑衰落信號(hào)分形特性的基礎(chǔ)上將非線性混沌、分形理論引入多徑衰落信道的描述．通過相空間重構(gòu)和關(guān)聯(lián)維數(shù)驗(yàn)證了幅度衰落信號(hào)的有限維自由度，通過計(jì)算其Lyapunov指數(shù)考察了系統(tǒng)的時(shí)空演化特性