混沌分組密碼及其應用研究.pdf

1、隨著信息與通信技術(shù)的迅猛發(fā)展和廣泛應用，網(wǎng)絡與信息系統(tǒng)基礎性、全局性的作用日益增強，網(wǎng)絡信息的安全與保護問題日益成為亟待解決的關(guān)鍵問題。 自二十世紀80年代以來，應用混沌系統(tǒng)構(gòu)造新型密碼系統(tǒng)受到了越來越多的關(guān)注。這一想法來自于混沌理論和傳統(tǒng)密碼學之間的自然聯(lián)系：一個強的混沌系統(tǒng)的動力學特性大致對應著高強度密碼系統(tǒng)的某些安全特征，而具有良好混合性的傳統(tǒng)密碼系統(tǒng)又暗示著擬混沌現(xiàn)象。從1989年Matthews和Pecora與Carr

2、oll分別提出混沌密碼學中的兩種方案之后，混沌密碼的研究進入了繁榮時期，有大量的研究結(jié)果發(fā)表，出現(xiàn)了不少充滿希望的進展。盡管相當數(shù)量新提出的混沌密碼被攻破了，但是仍有很多直到目前尚未遇到真正有效的攻擊。同時，一些設計混沌密碼的系統(tǒng)方法已開始出現(xiàn)，這些方法往往對系統(tǒng)的安全性做了相當細致的分析，從而使這些密碼算法具有較高的實用價值和安全性，如使用由混沌系統(tǒng)構(gòu)造S盒的分組密碼就是這樣的例子。 本文關(guān)于混沌分組密碼及其應用的研究主要涉及

3、下面三個問題：基于混沌系統(tǒng)的S盒設計（固定的和動態(tài)更新的S盒）；基于混沌系統(tǒng)的不同類型的分組密碼設計；混沌分組密碼的在數(shù)字水印方面的應用。具體說來，本文的主要研究內(nèi)容及創(chuàng)新之處有： 1. 對目前混沌密碼學的發(fā)展狀況進行了較詳細的分析、歸納和總結(jié)，并對公開發(fā)表的混沌分組密碼的分析方法進行了系統(tǒng)的概括，提出了目前存在的一些需要解決的關(guān)鍵問題。 2. 運用混沌系統(tǒng)構(gòu)造高強度的S盒。在傳統(tǒng)分組密碼學中，S盒是唯一一個非線性運算部

4、件，它的性能直接影響到整個密碼系統(tǒng)的強度，它的設計一直是密碼設計與密碼分析的研究重點。由于傳統(tǒng)分組密碼中大多只公布S盒的內(nèi)容，并不提供S盒的構(gòu)造方法，往往給人以存在陷門的嫌疑。本文借助混沌系統(tǒng)的優(yōu)良特性（如偽隨機性、遍歷性、混合性和確定性等），采用數(shù)學的方法，構(gòu)造出高性能的S盒，其安全性可以通過數(shù)學分析予以證明。通過仔細分析，我們還可以運用混沌系統(tǒng)來構(gòu)造性能同樣良好的動態(tài)S盒。本論文中，不僅提出了運用混沌系統(tǒng)構(gòu)造靜態(tài)S盒和動態(tài)S盒的新方

5、法，而且還首次提出了對S盒進行密碼學特性分析的系統(tǒng)方法。 3. 在仔細分析Hénon映射特性的基礎上，提出了一種將混沌系統(tǒng)與Feistel結(jié)構(gòu)相結(jié)合設計混沌分組密碼的方法，并對該方法所設計的密碼算法的性能進行了詳細的分析，指出將混沌系統(tǒng)與傳統(tǒng)密碼相結(jié)合設計新的密碼系統(tǒng)應該是今后混沌分組密碼研究的重點方向。 4. 運用從偽隨機的混沌序列中抽取二進制隨機序列的方法，對M.S.Baptista和P.Garica等人所提出的兩種

6、非常典型的混沌分組密碼進行了改進。所用的方法中，成功的利用了混沌系統(tǒng)的偽隨機特性和經(jīng)典的混沌掩碼技術(shù)，對待加密的信息進行動態(tài)的與密鑰有關(guān)的掩碼運算。通過對改進后的算法進行數(shù)字分析，證明這種方式能大大的提高密碼系統(tǒng)的安全性能。 5. 對混沌密碼學在信息隱藏和數(shù)字水印方面的應用進行了有益的探索。針對水印信號的頻譜特性對整個水印系統(tǒng)性能的影響進行了詳細的分析，提出了兩種在數(shù)字水印系統(tǒng)中運用混沌密碼的方法，數(shù)字實驗表明，這些方法能夠顯著