混沌分組密碼及其應(yīng)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(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)與信息系統(tǒng)基礎(chǔ)性、全局性的作用日益增強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)信息的安全與保護(hù)問(wèn)題日益成為亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。 自二十世紀(jì)80年代以來(lái)，應(yīng)用混沌系統(tǒng)構(gòu)造新型密碼系統(tǒng)受到了越來(lái)越多的關(guān)注。這一想法來(lái)自于混沌理論和傳統(tǒng)密碼學(xué)之間的自然聯(lián)系：一個(gè)強(qiáng)的混沌系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性大致對(duì)應(yīng)著高強(qiáng)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(xué)中的兩種方案之后，混沌密碼的研究進(jìn)入了繁榮時(shí)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(jìn)展。盡管相當(dāng)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(shí)，一些設(shè)計(jì)混沌密碼的系統(tǒng)方法已開(kāi)始出現(xiàn)，這些方法往往對(duì)系統(tǒng)的安全性做了相當(dāng)細(xì)致的分析，從而使這些密碼算法具有較高的實(shí)用價(jià)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(yīng)用的研究主要涉及

3、下面三個(gè)問(wèn)題：基于混沌系統(tǒng)的S盒設(shè)計(jì)（固定的和動(dòng)態(tài)更新的S盒）；基于混沌系統(tǒng)的不同類(lèi)型的分組密碼設(shè)計(jì)；混沌分組密碼的在數(shù)字水印方面的應(yīng)用。具體說(shuō)來(lái)，本文的主要研究?jī)?nèi)容及創(chuàng)新之處有： 1. 對(duì)目前混沌密碼學(xué)的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了較詳細(xì)的分析、歸納和總結(jié)，并對(duì)公開(kāi)發(fā)表的混沌分組密碼的分析方法進(jìn)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(wèn)題。 2. 運(yùn)用混沌系統(tǒng)構(gòu)造高強(qiáng)度的S盒。在傳統(tǒng)分組密碼學(xué)中，S盒是唯一一個(gè)非線性運(yùn)算部

4、件，它的性能直接影響到整個(gè)密碼系統(tǒng)的強(qiáng)度，它的設(shè)計(jì)一直是密碼設(shè)計(jì)與密碼分析的研究重點(diǎn)。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(mén)的嫌疑。本文借助混沌系統(tǒng)的優(yōu)良特性（如偽隨機(jī)性、遍歷性、混合性和確定性等），采用數(shù)學(xué)的方法，構(gòu)造出高性能的S盒，其安全性可以通過(guò)數(shù)學(xué)分析予以證明。通過(guò)仔細(xì)分析，我們還可以運(yùn)用混沌系統(tǒng)來(lái)構(gòu)造性能同樣良好的動(dòng)態(tài)S盒。本論文中，不僅提出了運(yùn)用混沌系統(tǒng)構(gòu)造靜態(tài)S盒和動(dòng)態(tài)S盒的新方

5、法，而且還首次提出了對(duì)S盒進(jìn)行密碼學(xué)特性分析的系統(tǒng)方法。 3. 在仔細(xì)分析Hénon映射特性的基礎(chǔ)上，提出了一種將混沌系統(tǒng)與Feistel結(jié)構(gòu)相結(jié)合設(shè)計(jì)混沌分組密碼的方法，并對(duì)該方法所設(shè)計(jì)的密碼算法的性能進(jìn)行了詳細(xì)的分析，指出將混沌系統(tǒng)與傳統(tǒng)密碼相結(jié)合設(shè)計(jì)新的密碼系統(tǒng)應(yīng)該是今后混沌分組密碼研究的重點(diǎn)方向。 4. 運(yùn)用從偽隨機(jī)的混沌序列中抽取二進(jìn)制隨機(jī)序列的方法，對(duì)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(jìn)行了改進(jìn)。所用的方法中，成功的利用了混沌系統(tǒng)的偽隨機(jī)特性和經(jīng)典的混沌掩碼技術(shù)，對(duì)待加密的信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)的與密鑰有關(guān)的掩碼運(yùn)算。通過(guò)對(duì)改進(jìn)后的算法進(jìn)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(duì)混沌密碼學(xué)在信息隱藏和數(shù)字水印方面的應(yīng)用進(jìn)行了有益的探索。針對(duì)水印信號(hào)的頻譜特性對(duì)整個(gè)水印系統(tǒng)性能的影響進(jìn)行了詳細(xì)的分析，提出了兩種在數(shù)字水印系統(tǒng)中運(yùn)用混沌密碼的方法，數(shù)字實(shí)驗(yàn)表明，這些方法能夠顯著