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混沌密码研究与实现

混沌密码研究与实现

作者：孙宇国防科学技术大学

学位级别：硕士

随着信息化的不断发展和迅速普及,信息安全问题日益突出,已经成为国民经济正常运行和国家安全的一个重要问题。密码是信息安全的核心,混沌密码是密码学的一个新的研究方向。本文首先介绍了密码理论、混沌发展历史和混沌理论,对混沌理论... 详细信息

随着信息化的不断发展和迅速普及,信息安全问题日益突出,已经成为国民经济正常运行和国家安全的一个重要问题。密码是信息安全的核心,混沌密码是密码学的一个新的研究方向。本文首先介绍了密码理论、混沌发展历史和混沌理论,对混沌理论和相关的传统理论之间的关系进行了初步归纳分析,在理论分析了混沌数字化过程中的问题的基础上,分析了Logistic映射在混沌密码应用中由于其分布不均匀而导致的平衡性问题,指出这不符合Shannon提出的指导密码设计的两个基本原则之一的扩散原则,并且用数据试验的方法对其进行了分析和描述,提出了一些改进措施并进行了性能仿真。在此基础上,设计并实现了混沌密码系统,并且进行了安全性分析和实验。本文的主要成果包括以下几个方面: 首先,结合密码学理论、伪随机序列理论、非线性理论、线性复杂度理论、复杂系统理论和随机性理论,归纳阐述了混沌密码学与它们的关系。其次,对混沌密码系统在计算机上有限精度实现情况下的性能退化问题进行分析,并提出相应对策以减少有限精度效应提高其安全性和可用性。结合Logistic映射,进行大量的数据测试和分析,提出了改进措施并进行了性能分析。再次,基于已有的理论分析和数据分析,根据提出的改进措施,设计了多混沌密码系统并进行了实现,进行了安全性分析和加解密实验。

关键词：混沌密码不变分布数字混沌有限精度扩散扰乱

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混沌密码算法分析方法的研究与应用

混沌密码算法分析方法的研究与应用

作者：张斌解放军信息工程大学

学位级别：硕士

本文发现了迭代型混沌密码的一个新的信息泄漏规律，即对每个时刻i，由乱数序列求出的混沌映射在该时刻的可能输入(及可能密钥参数)全体都可用若干个区间的并集简单地描述，且对多对一混沌映射而言，每个区间内都有等效解的概率很大，... 详细信息

本文发现了迭代型混沌密码的一个新的信息泄漏规律，即对每个时刻i，由乱数序列求出的混沌映射在该时刻的可能输入(及可能密钥参数)全体都可用若干个区间的并集简单地描述，且对多对一混沌映射而言，每个区间内都有等效解的概率很大，并随着时刻i的减小，区间的长度急剧缩短。基于该信息泄漏规律，提出了攻击迭代型混沌密码的一个新方法，即逆推压缩攻击方法。在一定的条件下，该攻击方法的成功率为1，且计算复杂性、存储复杂性和数据复杂性都是密钥长度的线性函数。对廖旎焕等人在2006年发表的混沌扩频序列密码算法在密钥长度为64比特时做了100例攻击实验，每例实验平均仅需0．11秒就可求出等效密钥，从而验证了逆推压缩攻击方法的有效性和正确性。与现有的攻击混沌密码的一般方法相比，本文提出的方法是首个复杂性为密钥长度线性量级的攻击方法。由于逆推压缩攻击方法涉及混沌映射的求逆，针对复杂混沌映射求逆困难的问题，运用拉格朗日中值定理，我们提出了求解导函数有界的函数原象的分割算法，给出了使分割算法计算复杂性上界达到最小的充分条件。分割算法在成功率为1的条件下将计算复杂性由指数量级降到线性量级。分析了三个基于混沌的序列密码算法的安全性，证明了这三个密码算法均是不安全的。对于Composite Chaotic Pseudo-Random Sequence Encryption Algorithm(简称CCPRSEA)算法，通过对该算法的素域上线性同余变换的分析，分离出了混沌序列，进而利用混沌序列的前若干值对初态的低位比特不敏感的信息泄漏规律，给出了基于吻合度分布规律和混沌映射求逆的分割攻击方法，在base=10，d=3的情况下，证明了破译算法的成功率为0．9827，计算复杂性为2。实验表明，在主频为2．5GHz的Pentium 4 PC机上，求出其全部密钥的整个攻击时间只需8小时35分。对于基于混沌反馈模型的图像加密算法，利用加密算法的密钥在乱数中扩散的不完全性，给出了一个分割攻击方法，证明了攻击方法的计算复杂性为2，成功率为1，将密钥熵降低了235比特。对于基于混沌序列的图像加密算法，该算法本质上是一个移位密码，给出了对该算法的已知明文攻击方法。对于N×N大小的明文图像，攻击方法的计算复杂性为O(N+N)。理论分析和实验结果均表明该图像加密算法是不安全的。分析了两个基于混沌的数字水印算法的安全性，证明了这两个水印算法均是不安全的。对于基于图像内容特征的顽健水印算法，给出了已知明文攻击方法，并且给出了求解该水印算法等效密钥的方法。若原始图像的大小为N×N，则该攻击算法的计算复杂性至多为O(N×N／4)。对于基于混沌映射的抗剪切鲁棒水印算法，根据密钥空间的两种不同选择方式，分别给出了选择明文攻击方法。对于N×N大小的水印图像，这两个攻击方案的选择明文量分别为1幅载体图像和N×N幅水印图像，计算复杂性分别为1次和N×N+1次水印，成功率均为1，理论分析和实验都证明该水印算法是不安全的。

关键词：混沌密码密码分析逆推压缩攻击求逆分割算法分割攻击加密算法数字水印算法

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混沌密码与传统密码的比较研究及密码应用

混沌密码与传统密码的比较研究及密码应用

作者：赵尔凡西安电子科技大学

学位级别：硕士

在信息时代,信息安全已成为世界性的现实问题,谁没有信息的独立和主权,谁就没有真正的国家独立和主权。谁没有信息安全,谁就没有国家的政治、经济、军事等方面的安全。而密码,则是信息安全的核心,为国家的信息和通信保密安全提供保障。... 详细信息

在信息时代,信息安全已成为世界性的现实问题,谁没有信息的独立和主权,谁就没有真正的国家独立和主权。谁没有信息安全,谁就没有国家的政治、经济、军事等方面的安全。而密码,则是信息安全的核心,为国家的信息和通信保密安全提供保障。近些年来,由于量子技术的出现,传统密码的安全性受到了威胁。所以,以混沌密码为代表的新形态密码,可以为信息安全提供可靠保障。本文从混沌分组密码的理论研究出发,通过比较混沌密码与传统密码的性质,并且对混沌密码提出了两个应用。具体包括：研究混沌理论中关键的性能指标：Lyapunov指数,离散熵,离散混沌等指标。从数学角度推算出Lyapunov指数与混沌状态的定量关系;从离散熵的数学推导中得到混沌相空间中的不确定性计算;从离散混沌的定义出发,证明了Lyapunov指数与离散混沌的关系。研究传统密码的性能分析方法,对比研究了混沌密码和传统密码的性能指标。主要从结构、S盒、P盒、操作符、安全性等方面,计算利用混沌生成不同的密码学部件的性能指标。并且采用传统密码的分析方法,进行了大量仿真实验,对比研究了两种算法的优缺点。提出一个抗差分攻击的SMS4改进方案。通过分析原始算法固定S盒的差分攻击。该方案在原密码算法的结构上,提出了基于双混沌映射的密钥生成算法和动态S盒生成算法。该算法利用混沌系统初值敏感性等特点,通过多轮迭代运算生成密钥空间大的密钥流,构造非线性特性和差分均匀性良好的动态S盒。本文对该改进算法进行了仿真测试和安全性分析,证明该改进算法具备良好的密码学性质,具备优良的抗差分能力。提出一种基于不同维度的多维混沌映射数字图像加密算法。在研究不同维混沌映射的基础上,采用了多轮混淆变换和单轮扩散变换的结构。其中包括了对图像像素置乱,密钥流生成以及加密操作符选择运算。计算机仿真及统计特性,安全性分析结果表明,该算法具有良好的加密效果和较高的安全性能,并且具备较强的抗攻击能力。

关键词：混沌密码分组密码比较研究图像加密

一种基于Feistel网络的反馈式分组混沌密码的研究

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计算机科学 2006年第1期33卷 72-74,77页

作者：彭军张伟杨治明廖晓峰重庆科技学院电子信息工程学院重庆400050 重庆教育学院计算机与现代教育技术系重庆400067 重庆大学计算机科学与工程学院重庆400044

近年来,将混沌理论应用到信息安全已成为研究的一个热点。本文基于 Feistel 网络,提出了一种新颖的反馈式分组混沌密码算法。在该算法中,当前加密分组输出将影响下一明文分组要运行的轮数,而每一轮使用的 S-盒的序号与加密密钥有关,轮数... 详细信息

近年来,将混沌理论应用到信息安全已成为研究的一个热点。本文基于 Feistel 网络,提出了一种新颖的反馈式分组混沌密码算法。在该算法中,当前加密分组输出将影响下一明文分组要运行的轮数,而每一轮使用的 S-盒的序号与加密密钥有关,轮数及 S-盒的序号均由混沌映射动态生成。由于混沌的固有特性,使得加密系统变得更加复杂,更加难以分析和预测。实验结果表明,本算法具有优良的密码学特性,对明文和密钥以及混沌系统参数的细微变动都非常敏感,产生的密文随机性很好。对本算法的安全性进行了分析,结果表明它具有很高的抗穷举攻击的能力。

关键词： Feistel网络分组密码混沌映射混沌密码反馈式分组密码算法加密密钥固有特性信息安全

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基于改进混沌密码的音频信息隐藏算法研究

微电子学与计算机 2013年第5期30卷 141-144,148页

作者：赵家弘尹萍北京航天光华电子技术有限公司(航天九院200厂) 北京100039 北京佰能电气技术有限公司北京100096

基于混沌密码理论,提出一种新型加密方案.首先利用Arnold猫映射和3D-Lorenz混沌系统,通过改进算法产生混合混沌序列,再将其与明文信息运算产生密文信息,最后通过改进LSB信息隐藏算法将密文信息隐入音频载体.合法用户通过理想信道得到密... 详细信息

基于混沌密码理论,提出一种新型加密方案.首先利用Arnold猫映射和3D-Lorenz混沌系统,通过改进算法产生混合混沌序列,再将其与明文信息运算产生密文信息,最后通过改进LSB信息隐藏算法将密文信息隐入音频载体.合法用户通过理想信道得到密钥和加密流程即可通过逆运算安全获得明文信息.经实验仿真证明,改进后的混沌序列完全满足各项密码学特性,整个系统能够安全、可靠地实现私密信息的网络传输.

关键词：混沌密码信息隐藏音频信息处理网络通信

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数字混沌密码算法分析与设计

数字混沌密码算法分析与设计

作者：王诚琳解放军信息工程大学

学位级别：硕士

本文对两个现有的混沌密码算法的安全性进行了分析,并设计了一个基于混沌的图像加密算法,具体包括: 分析了高飞提出的基于混沌序列的图像加密算法的安全性,指出了其设计缺陷,在已知图像攻击条件下给出了求解该图像加密算法等效密钥的攻... 详细信息

本文对两个现有的混沌密码算法的安全性进行了分析,并设计了一个基于混沌的图像加密算法,具体包括: 分析了高飞提出的基于混沌序列的图像加密算法的安全性,指出了其设计缺陷,在已知图像攻击条件下给出了求解该图像加密算法等效密钥的攻击算法,对于M×N大小的图像,攻击算法的计算复杂性为2 8+ 2×M×N,最终说明该加密算法在已知图像攻击条件下是不安全的。分析了邓绍江等人提出的基于Logistic混沌映射设计的序列密码算法的安全性,证明了该算法所产生的乱数序列是不平衡的,证明了该算法具有等效密钥,进一步地,根据混沌序列具有初态的低位对前若干混沌状态的高位影响不大这个信息泄漏规律,提出了对该加密算法的分割攻击方法,最后给出了能够使该加密算法抵抗分割攻击的改进方法。通过对部分数字化混沌图像加密算法的分析研究,设计了一个基于复合离散混沌动力系统的对称图像加密算法。该对称图像加密算法以Logistic映射和Chebyshev映射生成的混沌序列为初始序列,结合对图像的切割,拉伸,折叠变换,充分打乱图像像素间的相关性,使得针对这两个混沌映射的现有分析方法不再有效,并且可以实现较高的加密速度。

关键词：混沌密码密码分析分割攻击图像加密算法

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两个混沌密码算法的分析

两个混沌密码算法的分析

作者：刘春花解放军信息工程大学

学位级别：硕士

以ZLL混沌序列密码算法为例分析了混沌密码算法的等效密钥问题，证明了ZLL混沌序列密码算法等效密钥存在的根本原因是混沌映射的非双射性，求出了ZLL混沌序列密码算法等效密钥个数的期望为2.25 -3/(4(p+1))(其中p是混沌映射的参数)，取... 详细信息

以ZLL混沌序列密码算法为例分析了混沌密码算法的等效密钥问题，证明了ZLL混沌序列密码算法等效密钥存在的根本原因是混沌映射的非双射性，求出了ZLL混沌序列密码算法等效密钥个数的期望为2.25 -3/(4(p+1))(其中p是混沌映射的参数)，取p=2，在主频为2.5GHz的Pentium 4-PC机上，利用分割攻击方案进行了十例ZLL混沌序列密码算法的密钥求解试验，试验结果表明等效密钥个数的期望值为2.5，根据理论分析的结论，p=2时等效密钥个数的期望为2，试验结果与理论分析基本相符，由等效密钥的存在，证实了ZLL混沌序列密码算法通过“空转”若干圈的方法抵抗分割攻击是不可行的。分析了含有不同密钥参数个数的TDSCBE算法，发现该加密算法产生的前(3N+2)/4(其中N是参数且不能被4整除)批乱数中存在与密钥无关的常数，为避免加密过程中使用这些乱数，本文建议TDSCBE算法加密之前“空转”若干圈，在所有加密乱数均与密钥有关的前提下，采用考察绝对差序列{|K—K|}的分布情况的方法，考察了试验密钥以α′生成的乱数序列{K}与正确密钥α生成的乱数序列{K}之间的关系，记α表示保持α的高l比特不变，其余比特全置0所得的值，发现当α′=α时，{K}和{K}，的前若干值相差不大;当α′的高l比特随机分布，其余低位比特全为0时，{K}和{K}基本相互独立，根据这一信息泄漏规律，本文从理论上判定可以对TDSCBE算法实施分割攻击，然后，提出了“参照差”、“参照差概率”等概念，统计了正确的α的参照差的分布规律，根据不同参照差信息泄漏量的大小，又定义了“有用乱数”和“有用不等式”的概念，接着提出了对密钥参数的个数分别为m=1，m=2，m=3时TDSCBE算法的分割攻击方案，各攻击方案的性能指标的分析结果表明，各攻击方案在成功率均不低于0.9的条件下，其平均计算复杂性均远小于穷举攻击的计算复杂性，从而证明TDSCBE算法是不安全的，m=1时，根据所给攻击方案(本文称为算法1)，在主频为2.5GHz的Pentium 4 PC机上实现了十例对TDSCBE算法的分割攻击试验，试验结果表明算法1的运行时间平均为155分32秒，平均计算复杂性约为1.55×2，成功率约为0.91，试验结果与理论分析基本吻合，进一步验证了理论分析的正确性。

关键词：混沌密码分割攻击相近密钥等效密钥参照差参照差概率有用不等式

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对混沌密码算法的相关密钥攻击

对混沌密码算法的相关密钥攻击

作者：杨阳中国人民解放军信息工程大学

学位级别：硕士

混沌密码是一类新型的密码算法,在数据加密、图像加密和信息隐藏等领域都有广泛应用,因此研究混沌密码的安全性及安全性分析方法具有重要的意义。本文根据混沌序列具有初态的低位比特对前若干输出信号的影响不大这个信息泄漏规律,... 详细信息

混沌密码是一类新型的密码算法,在数据加密、图像加密和信息隐藏等领域都有广泛应用,因此研究混沌密码的安全性及安全性分析方法具有重要的意义。本文根据混沌序列具有初态的低位比特对前若干输出信号的影响不大这个信息泄漏规律,提出了对混沌密码的相关密钥攻击方法。该方法将线性密码分析的思想与对混沌密码的分割攻击方法相结合,利用多个相关密钥产生的乱数序列对混沌密码实施分割攻击,从而大大提高了分割攻击方法的效率,克服了当混沌密码的吻合度分布泄漏的信息量较小或密钥规模较大时,分割攻击方法难以将攻击方案的计算复杂性降低在可实现的范围内的局限。为研究混沌密码的安全性及安全性分析方法提供了依据。基于分段线性的混沌函数提出的“ZLL算法”是典型的混沌序列密码算法。以“ZLL算法”为例,本文成功地实现了对以初始状态作为密钥的“ZLL算法”的相关密钥攻击,在主频为2.5GHz的Pentium 4-PC机上,攻击时间平均为1分58秒,成功率可达0.89。并进一步实现了对将初始状态和参数同时作为密钥的“ZLL算法”的相关密钥攻击。理论与试验结果同时表明,当会话密钥采用模2加或者逐字模2加的运算形式时,该攻击方法同样适用。分析了自同步混沌密码算法的信息泄漏规律,发现随着试验密钥与正确密钥全部一致的高位比特数目的增加,该试验密钥产生的乱数与正确密钥产生的乱数的符合优势逐渐增大,进而实现了对自同步混沌序列密码的分割攻击。作为例子,实现了对以ZLL混沌映射的8次迭代与量化映射的复合为自同步映射的自同步混沌密码的分割攻击,当密钥规模为64比特时,在主频为2.5GHz的Pentium 4-PC机上,整个攻击时间平均为16小时22分,成功率为0.86。解决了成功率的计算问题,并且利用多候选密钥攻击方案给出了成功率与已知明文量、相关优势三者之间的关系,对分割攻击中如何有效地划分密钥块以提高攻击效率进行分析,为攻击方案中参数的选取提供了有力的依据。

关键词：密码学混沌密码吻合度相关密钥攻击分割攻击

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三个混沌密码算法分析

三个混沌密码算法分析

作者：李明解放军信息工程大学

学位级别：硕士

本文对三个现有的混沌密码算法的安全性进行了分析,具体包括: 分析了徐淑奖等人提出的一类改进的混沌迭代加密算法的安全性,该加密算法是基于混沌映射迭代产生量化序列的分组密码算法。我们发现该加密算法中由混沌映射产生的量化序列具... 详细信息

本文对三个现有的混沌密码算法的安全性进行了分析,具体包括: 分析了徐淑奖等人提出的一类改进的混沌迭代加密算法的安全性,该加密算法是基于混沌映射迭代产生量化序列的分组密码算法。我们发现该加密算法中由混沌映射产生的量化序列具有前几个量化值对混沌初始值的低位比特变化不够敏感的性质,在选择明文攻击条件下,可由1个特殊的明密对得到量化序列的一个片段,根据量化序列对混沌初始值的信息泄漏规律,给出了由量化序列一个片段恢复混沌初始值的分割攻击方法。在参数r=4已知并且密钥长度为64比特的条件下,分割攻击算法的成功率为0.9305,计算复杂性约为2,存储复杂性约为2,仅需1个选择明密对。研究了罗启彬等人提出的一个基于混沌的伪随机序列密码算法的安全性,发现该算法所产生的乱数序列具有前几个值对密钥的低位比特变化不够敏感的性质,据此提出了一个能够有效降低密钥熵的分割攻击方法。在密钥长度为64比特且参数a=1.8,a=2,b=0.85,j=1,N=1时,该分割攻击方法的成功率为0.9050,平均计算复杂性约为2。分析了丁文霞等人提出的基于混沌的视频加密算法的安全性,发现该加密算法本质上是基于混沌映射所产生的量化序列的移位密码,因此,首先给出了对该移位密码的攻击方法,从而恢复出混沌映射产生的量化序列。进一步地,又发现该加密算法中由混沌映射产生的量化序列仍然具有前几个量化值对混沌初始值的低位比特变化不够敏感的性质,据此给出了一个由量化序列恢复混沌初始值的分割攻击方法。在密钥长度为56比特并且参数k=4和r=4的条件下,分割攻击算法的成功率为0.9171,计算复杂性约为2,存储复杂性约为2。

关键词：混沌密码密码分析分割攻击