基于超混沌系统的分组密码CBC模式研究及其应用

作     者：周雪飞 

作者单位：陕西科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘海峰

授予年度：2022年

学科分类：07[理学] 08[工学] 070201[理学-理论物理] 081201[工学-计算机系统结构] 0702[理学-物理学] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）] 

主      题：超混沌系统 CBC模式 图像加密 置乱 扩散 

摘      要：随着计算机科学技术的不断发展,现代社会已基本处于互联网时代,人们的生活工作及各个企事业单位,甚至涉及国家等级的各方面信息大部分是运用网络空间进行储存与传输。数字图像能够直观、形象地传达人们所要表达的重要信息,因此逐渐成为当下使用较多的网络语言或信息传输方式,其安全性亟需受到保护。密码学是保障网络信息安全的主要技术之一,提高其发展能够更好地保证信息的安全性与保密性。混沌由于其良好的伪随机性与敏感性,能够与密码学密切关联形成混沌密码学,混沌系统在加密算法中的应用得到广大学者的研究,而超混沌系统因其具有更复杂的动力学特性,在加密的各个领域中的应用越来越广泛。本文在相关研究的基础上提出了一种新的超混沌系统与改进分组密码CBC（Cipher Block Chaining）模式,进一步提出了两种图像加密算法,并运用算法实例检验该算法的安全性。（1）提出一种新的超混沌系统。在传统Chen混沌系统的基础上增加一个微分项,提出一种改进的超Chen混沌系统,并分析其混沌特性,结果表明该系统有两个正的Lyapunov指数,且系统具有耗散性与混沌吸引子,在平衡点处系统不稳定,分析得出该系统是一个性能更好的超混沌系统。（2）提出基于超Chen混沌系统与2D Chebyshev-Sine映射的图像加密算法。首先,对图像进行Arnold置乱,然后运用两组混沌序列分别对图像进行扩散-分块扩散-置乱的操作,使得图像信息被隐藏。实验仿真结果表明算法的密钥空间大,能够抵抗暴力攻击,且在统计特性、差分攻击以及噪声与剪切攻击等方面的抵抗性强。通过与其他文献进行对比,得出该算法具有较强的安全性。（3）对传统CBC模式进行改进。为改变CBC模式的加密密钥固定不变这一缺点,把超混沌系统产生的混沌序列作为CBC模式的密钥源,对每个明文分组用不同的密钥加密,在该模式中使用一种改进的密钥扩展AES（Advanced Encryption Standard）算法进行分组加密。实例验证得出该模式的密钥空间巨大,对选择明密文攻击有良好的抵抗能力,且具有良好的雪崩效应。（4）在第四章提出的图像加密算法基础上,提出一种与明文相关联的多混沌系统与优化CBC模式相结合的图像加密算法。首先对图像进行分块,每个分块运用改进Arnold变换进行置乱,该变换的迭代次数与每个分块的像素值相关,然后再进行整体的Arnold置乱处理;其次将超Chen混沌序列作为改进AES的优化CBC模式加密密钥进行加密;最后将二维Chebyshev-Sine序列用于图像扩散,完成对图像的加密。实验仿真结果表明,该算法的密钥空间巨大,能够抵抗暴力攻击,具有较高的明文敏感性,且可以抵抗统计特性攻击、差分攻击,以及噪声与剪切攻击。通过与其他文献中的多个图像加密算法实验结果对比,得出该算法的安全性更高。