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非线性动力学滤波器设计及其在信息安全中的应用研究

王小敏  
【摘要】: 本文主要研究安全混沌模型及其在信息安全中的应用,包括以下三个方面:一是总结了面向密码设计的安全混沌模型准则并分析和设计了几个具体的安全混沌模型;二是研究了基于这些安全混沌模型的几种密码设计方案;三是讨论了安全混沌模型在混沌保密通信中的应用。具体工作如下: (1)对数字混沌密码的研究现状进行了系统的归类,分析了其中存在的三个共性问题。针对第二个共性问题,总结了面向密码设计的安全混沌模型准则。 (2)遵循安全混沌模型准则,在非线性数字滤波器的基础上分析了一个具体的安全混沌模型一非线性动力学滤波器(NDF)。然后以NDF为基本单元,将其分别扩展为前馈-反馈NDF安全混沌模型(FFNDF)和基于NDF的耦合映像格时空混沌模型(NDF-CML)。这三类模型具有不同的安全强度和复杂度,可满足多种安全应用环境下的‘混沌密码设计的要求。 (3)基于FFNDF安全混沌模型,构造了一个带密钥的混沌Hash函数(FFNDF-KHF)。该算法采用M-D迭代结构,单向压缩函数由多比特复合序列控制的FFNDF子系统的随机切换和迭代构成。通过引入外部密钥扩展,解决了混沌KHF中广泛存在的密钥对碰撞攻击的问题。安全分析表明,FFNDF-KHF克服了混沌Hash函数设计中已知的安全缺陷,具有较高的安全性。 (4)从测度熵准则和NDF的并行性出发,设计了一个高效的混沌密钥流发生器(NDF-CKG)。该发生器融合了非线性反馈、非线性前馈和钟控设计思想,能有效克服混沌密钥流发生器中普遍存在的低信息冗余和高比特速度的矛盾。研究表明:NDF-CKG具有高安全性,低成本和高速度的特点,可作为流密码设计中的核心组件。 (5)利用NDF-CML和数字图像的二维结构特点,设计了一个基于NDF-CML时空混沌和Feistel结构的数字图像加密算法。算法在轮密钥控制下交替执行基于NDF-CML掩码的灰度替代,洗牌算法的像素置乱以及灰度扩散三种操作。利用NDF-CML的高度混淆特性、洗牌算法的非线性性和Feistel结构的乘积密码特性,算法可以抵抗对置乱-替代-扩散这种典型混沌图像加密结构的攻击。进一步的性能测试和安全分析表明,算法具有大的密钥空间,对密钥和明文均十分敏感,对多种攻击手段具有较好的免疫性。 (6)提出了基于NDF的CSK数字保密扩频通信方案(NDF-CSK)。方案中给出了一种CSK方式的扩频调制算法及相应的近似ML解调算法。通过对CSK方式下的几种典型攻击进行分析,表明NDF-CSK比一般的CSK方案更安全。针对混沌保密通信中的噪声和干扰问题,理论分析了上述NDF-CSK方案的抗噪性能和抗干扰性能,并考察了宽带调频类干扰环境下基于FRFT的干扰抑制算法对系统误码性能的影响。通过对4种FRFT干扰抑制算法的分析和实验仿真,总结出各自的适应性范围,并最终得到了基于FRFT的干扰对消算法对抑制混沌通信中的调频类干扰是有效的结论。这部分工作为混沌保密通信的稳健性能提供了重要的参考价值。


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