基本信息
- 项目名称：
- 数字化混沌的特性分析及系统设计
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 项目主要研究数字化混沌的设计及系统分析改进方法。数字化混沌在有限精度下实现导致系统动力学特性退化现象，使离散混沌序列存在短周期及局部线性的缺点。为了减小和消除存在的安全隐患，通过数值拟合用数学表达式建立精度与周期的关系。其次，针对序列的短周期现象及数字混沌的实际应用提出一种新的数字混沌密钥序列发生器。通过测试，新混沌系统消除了由于有限精度所应起的相关函数的周期性峰值现象，提高了系统的安全性。
- 详细介绍：
- 项目主要研究数字化混沌的设计及系统分析改进方法。利用DSPBuider技术建模实现硬件的浮点运算，并运用在加密通信中。而数字化混沌在有限精度下实现导致系统动力学特性退化现象，使离散混沌序列存在短周期、相关性及局部线性的缺点。为了减小和消除存在的安全隐患，论文利用相关性原理测试不同精度下序列的周期化现象，通过数值拟合用数学表达式建立精度与周期的关系。其次，针对序列的短周期现象及数字混沌的实际应用提出一种新的数字混沌密钥序列发生器。通过测试，新混沌系统的轨道具有类随机的跳动性，同时消除了由于有限精度所应起的相关函数的周期性峰值现象，提高了系统的安全性。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 随着计算机和网络技术的日益普及，信息安全已成为学术界和企业界所共同关注的研究热点和关键问题。安全功能的复杂性以及攻击手段的层出不穷，迫切需要研究和开发出更多安全、高效、可靠的信息安全技术。学术界正在探讨将一些非传统的新颖方法引入信息安全领域，将混沌理论用于信息安全领域是当前国际非线性科学和信息科学两个学科交叉融合的热门前沿课题之一。
科学性、先进性及独特之处
- 1. 文章结合数值拟合算法建模首次提出精度和周期的公式，用来估计有限精度对序列输出周期的影响。 2. 为了验证数字化混沌系统仍然具有非线性行为，论文通过硬件实现系统的分岔现象，首次使混沌系统可以从性质上验证数字化后仍然具有动力学特性。 3. 针对序列的短周期现象及数字混沌的实际应用提出一种新的数字混沌密钥序列发生器。
应用价值和现实意义
- 信息化时代通讯的安全性与实时性是个人隐私和需求的重点。为保证发送的数据只能被指定用户接收和理解，项目结合混沌的动力学特性分析，设计一种数字化混沌加密系统，配置无线通信设备构成保密的通信系统。在数据发送端加密后再发送给远端接收者，保证了空中密文数据即使中途被窃取也无法被破译，以防止数据被攻击者窃听、中途篡改或伪造。合法的接收端则采取相应的解密算法恢复出明文数据，从而实现了信息安全可靠的传输。
学术论文摘要
- 混沌的良好统计特征和初值的敏感性适合加密系统设计，但由于数字混沌是在有限精度下进行的，导致混沌系统特性的退化，尤其是输出序列呈现出周期性，不利于加密系统组建。本文针对数字混沌序列的短周期现象提出改进方案，这种新系统输出的序列周期可根据加密需要进行设定，弥补数字混沌短周期现象，并有更加良好的抗多径干扰与多址干扰的能力。使数字混沌密钥序列发生器可安全应用到加密系统中。根据理论，利用FPGA设计了他的硬件电路并应用在实际项目中。
获奖情况
- 1. Lu Wang, Dun Ding. The bifurcation analysis of digital chaos circuit and its application, Chaos-Fractals Theories and Applications. 2. Qun Ding, Lu Wang.一种新型数字序列发生器的周期扩展方法及实现,仪器仪表学报 3. Qun Ding, Lu Wang. Correlative peak interval prediction and analysis of chaotic sequences, Journal of Networks.
鉴定结果
- 项目主要研究数字化混沌的设计及系统分析改进方法。为了验证数字混沌系统仍然具有非线性行为，论文通过硬件言语实现系统的分岔现象。针对序列的短周期现象及数字混沌的实际应用提出一种新的数字混沌密钥序列发生器。
参考文献
- [1] 周红,罗杰,凌燮亭.混沌非线性反馈密码序列的理论设计和有限精度实现[J].电子学报, 1997,25(10) 57-60. [2] C. Y. Chee and D. L. Xu. Chaotic encryption using discrete-time synchronous chaos [J]. Physics Letters A. 2006, 348(3-6): 284-292. [3] Paraskevi T, Klimis N, Stefanos K. Security of human video objects by incorporating a chaos-based feedback cryptographic scheme [A]. Proc ACM Multimedia’04, 2004. [4] Tenny R, Tsimring L S, Larson L, etal. Using distributed nonlinear dynamics for public keys encryption [J]. Physical Review Letters, 2003, 90(4):047903. [5] Klein E, Mislovaty R, Kanterl, etal. Public-channel cryptography using chaos synchronization [J]. Physical Review E, 2005, 72(l):016214. [6] Ergun S, Ozoguz S.A truly random number generator based on a continuous time chaotic oscillator for applications in cryptography [A]. Berlin: Springer Verlag, LNCS3733, 2005:205-214. [7] 颜森林.光纤混沌双向保密通信系统研究[J].电子学报, 2005,33(2): 266-270. [8] 李晓明,沈海斌,严晓浪.一种分段线性映射的混沌随机数发生器特性研究[J].电子与信息学报, 2005,27(6): 874-878.
同类课题研究水平概述
- 国内外近年来对于混沌理论与应用的研究仍处于上升趋势，混沌的基本特性即奇异吸引子、倍周期分岔现象、普适常数、Lyapunov指数等得到有效验证。早在1984年R. Matthews提出了混沌加密思想，以后混沌和密码学结合构成混沌加密的研究不断深入。 在混沌密码中，主要基于计算机有限精度下实现的数字化混沌系统，周红等提出的基于m序列扰动的混沌序列密码是一种随机改变混沌映射参数来提高混沌序列复杂性的方法，Kevin Chen等提出Dragon的序列密码算法。近年来混沌加密特性和混沌数字化加密及分析方面的研究更加深入并取得相应成果。Gonzalo Alvarez 等提出基于Baker映射物理层混沌加密算法的安全缺陷，讨论了提高加密算法安全性的可能对策。杨涛，Leon O.Chua等提出一种试图阻止攻击的基于混沌的保密通信方案，在混沌系统中并不直接编码信息信号。连世国提出一种基于时空混沌的高效图像或视频加密方法，使用混沌晶格产生伪随机序列然后逐个加密图像块。丁群等人提出混沌量化编码方法及设计方案，并将其在数字化装置中实验传输。何红等人根据非线性动力学理论，从稳定动态系统理论着手，采用混沌系统的离散Logistic映射并利用模块运算设计同步和保密通信，其容易实现并具有较好的抗干扰能力。王凯等人提出一种新的方法从渐近确定的随机系统中产生伪随机位序列，通过研究分段线性映射和不可逆非线性变换产生的渐近稳定随机多值通信的特性，给出了在有限的数字化状态空间中的离散系统。 总结上述并真正应用于工程实际，在理论和工程技术上都还有很多需要考虑和尚待解决的问题。第一，由于计算机存在有限字长效应，因此数字化混沌系统与理想的实值混沌系统相比，在动力学特性上存在相当大的差异。典型的问题包括数字化后混沌特性变异、短周期问题、退化的轨道分布和非理想的相关特性，这些都是面临真正应用的难题。第二，混沌密码系统安全评估问题不像传统密码学那样有比较成熟的理论准则，目前国际上还没有一套标准用于评估混沌加密系统的安全性、复杂性和可靠性。第三，在传统密码学算法固定后，其输出统计特性、复杂性和周期性基本确定，可根据加密需要选择不同级别加密算法，而混沌系统尤其是数字化后混沌序列，许多输出特性难以度量。而且如何研究与明确这些问题，目前还未得到多数研究者的重视。
