数字混沌研究及其在信息安全领域中的应用

作     者：张士杰 

作者单位：解放军信息工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘粉林

授予年度：2006年

学科分类：11[军事学] 1105[军事学-军队指挥学] 0839[工学-网络空间安全] 08[工学] 110505[军事学-密码学] 110503[军事学-军事通信学] 081201[工学-计算机系统结构] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）] 

主      题：数字化混沌 混沌密码 动力学特性退化 视频加密 Baptista 

摘      要：一些研究者已指出混沌理论和密码学之间存在着紧密联系：混沌系统的许多基本特性，如遍历性、混合性、确定性和对初始条件的敏感性，都可以和密码学中的混乱和扩散概念联系起来。因此使用混沌系统去设计新的密码方案不失为一个好的思路。但在计算机或其他数字设备上实现混沌系统时，由于运算精度总是有限的，数字混沌系统的动力学特性将出现显著的退化，如拟混沌轨道中大量短周期的存在以及遍历性的丧失，而它的Lyapunov指数也将退化为0;当在密码算法中应用数字混沌系统的时候，动力学特性退化也将对密码系统的安全性带来严重的影响。 本文在数字混沌动力学特性退化和混沌密码技术两个方向进行了一些有益的探索，取得了一些成果。本文的主要工作和创新点包括以下三个方面： 1．通过对数字化混沌系统动力学特性退化的研究，本文提出了数字化三维Baker映射的一种退化补偿方案。其基本思想是：分别对变量x，y做选择性扩散，从而达到对整个系统的扰动之目的。理论分析表明这种加入扰动后的动力学系统仍是混沌系统(作为混沌系统的一个重要特征，系统仍有两个正的Lyapunov指数)，而实验的结果也表明该扰动方案有效地补偿了数字化三维Baker映射的动力学特性退化。 2．本文首先提出了基于一维分段线性混沌映射MPEG-2视频加密算法，通过选择性地加密所有Slice层的数据以达到加密整个视频流的目的。为了支持加密视频的随机恢复，又使用了数字化三维Baker映射产生每个图像组的扩展密钥。山于这种加密算法所处理的对象是压缩后的MPEG-2视频，因此加密过程中不会涉及到视频流的编码和压缩操作，这样也减少了加密、解密的运算量，同时这一加密算法也不会改变视频文件的大小，不会降低视频数据的压缩率，而加密后的视频仍可以被解码器识别为合法MPEG-2视频。 3．目前为止Baptista密码方案及其改进版本仍没有很好地综合解决密文长度较长、加密速度较慢、密文分布不均匀和安全性不高等问题。本文提出了一种基于载体的混沌加密方案，它借助信息隐藏思想，使用载体代替查找表;和后者相比，载体的选择更加灵活，可以是公开的数字化资源如图像，也可以是传输双方商定的私有资源等。混沌映射被用于产生“嵌入位置，加密过程中把明文视为比特流，每次加密一个比特，每个明文的加密方式由控制函数确定。控制函数的引入使得该加密方案与其它基于搜索机制的加密方案相比，系统的安全性得到了提高，密文长度有所缩短，加密速度得到了提升。 在本文最后对研究内容作了总结，并对下一步的研究工作作了展望。