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数字混沌研究及其在信息安全领域中的应用

数字混沌研究及其在信息安全领域中的应用

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作者：张士杰解放军信息工程大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：数字化混沌混沌密码动力学特性退化视频加密 Baptista

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数字混沌加密技术研究

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作者：葛辛解放军信息工程大学

学位级别：硕士

本文首先简要介绍了混沌加密技术的发展现状。在此基础上,对一类混沌加密算法——Baptista型混沌加密算法进行了深入的分析,并针对此类算法存在的问题进行了探讨,并提出了有效可行的改进措施及新的加密算法。具体内容包括以下几个方面:... 详细信息

本文首先简要介绍了混沌加密技术的发展现状。在此基础上,对一类混沌加密算法——Baptista型混沌加密算法进行了深入的分析,并针对此类算法存在的问题进行了探讨,并提出了有效可行的改进措施及新的加密算法。具体内容包括以下几个方面: 首先,本文针对Baptista型算法存在的——密文长度过长及密文中0,1比例不均匀等问题,以信息论和编码理论为基础,通过计算信息熵,给出了不同明文分组时密文明文长度之比的期望的下界;进而讨论了明文分组对密文明文比例及加密时间的影响;进一步提出了新的编码方式——截断Huffman编码(Truncated Huffman Coding简记为THC),以尝试提高算法的效率。给出了该编码方式下密文明文比例及0,1比例与截断位置的关系,并通过调整截断位置以期接近或达到密文明文比例期望的下界,算例分析表明采用THC可有效缩短密文长度,提高0,1比例的均匀度。其次,进一步提出了基于双查找表的搜索机制混沌加密算法;该算法首先利用Baptista型查找表(Baptista-type Look-up Table简记为BLUT)对待加密的明文进行预处理,然后通过引入新型查找表(New-type Lookup Table简记为NLUT)对处理后的明文进行加密,以提高算法的安全性;通过调整NLUT的长度对算法进行了优化,有效地缩短了明文长度。分析表明新的算法在有效提高算法安全性的同时缩短了密文长度,提高了算法的效率。最后,针对数字混沌系统的动力学特性退化的问题,提出了基于控制符的混沌加密算法,通过控制符来确定对明文的预处理方式,并将查找表中与“预处理后的明文”对应的索引值作为密文。同时利用控制符不断改变混沌轨道,从某种程度上克服了数字混沌动力学特性的退化,对Baptista型加密算法可能出现的安全性问题进行了进一步的强化。算例分析表明基于控制符的加密算法是有效的。

关键词：数字化混沌混沌密码 Baptista 双查找表控制符动力学特性退化

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