基于混沌的密码算法及关键技术研究

【摘要】：混沌系统具有很多与密码学密切相关的特性,为密码系统设计注入了新的思路;混沌密码成为了现代密码学的重要研究前沿。但混沌密码学作为新兴的交叉学科,它尚处于初期发展阶段。尽管已经有许多混沌加密方案提出,但混沌密码学的方法还未完全成熟。本文的研究就是在这样的背景下进行的,对可应用于混沌密码系统中的混沌映射、混沌流密码体制、混沌分组密码体制、用于生成密钥的混沌随机数发生器等关键技术进行了研究。 首先提出了一类区间数目参数化的分段线性混沌映射。通过对实现精度、区间数目参数、迭代次数的分析,得到了三者关系的函数表达式。应用此类映射的数字密码系统随着区间数目参数变大,降低了所需迭代次数的最小值,提高了加密速度。引入面积-时间权衡参数,可以选择最佳的区间数目参数,达到加密速度与硬件实现电路面积兼顾的目的,从而实现系统的最优化。 为了抵抗利用混沌理论攻击的分析,设计了一种输出-密文混和反馈模式的混沌流密码。混沌信号的奇数位用来生成密钥流,偶数位和密文合并后,作为后续状态反馈给密钥流发生器。同时在有限精度实现时,通过引入m序列扰动,克服混沌系统的有限精度效应对密钥流的影响。理论分析和实验结果表明,该密码系统是安全的,便于软硬件实现;并且可以在算法级调节加密速度,满足不同应用的速度要求。 论文提出了一类基于状态空间搜索的混沌分组密码算法。此类算法完全不同于传统的分组密码算法,分组长度随着搜索过程变化,密文同明文不存在直接的数学关系。参数变化单元的引入,使得混沌系统等价于多个混沌系统的级联,增加了破译的复杂度。 本文设计了可与数字电路集成的混沌随机数发生器,不需要额外的工艺工序,就可以在数字CMOS工艺上进行流片生产。电路中的电容全部由MOS电容实现,并利用串联补偿技术增加电容的线性。理论分析和实验结果表明,产生的随机数符合设计的期望。可以广泛的应用在各种领域。