一種使用基于混沌的隨機(jī)時鐘的加密方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種使用基于混沌的隨機(jī)時鐘的加密方法及裝置，屬于信息安全領(lǐng)域。系統(tǒng)采用自上而下一體化的設(shè)計(jì)方案，由晶振、鎖相環(huán)PLL1、鎖相環(huán)PLL2、偽隨機(jī)序列生成模塊、混沌映射控制模塊、擾動生成模塊、明文輸入模塊、加密模塊、密鑰擴(kuò)展模塊、密文輸出模塊十個部分組成。一種使用基于混沌的隨機(jī)時鐘的加密方法及裝置，采用普通線性反饋移位寄存器、混沌映射控制和密文反饋三方面結(jié)合的方式生成隨機(jī)時鐘，有效提高隨機(jī)時鐘的安全性，能夠有效抵抗能量攻擊和電磁攻擊。本發(fā)明可以應(yīng)用在保密的硬件存儲設(shè)備的靜態(tài)加密、微波或光通信鏈路、計(jì)算機(jī)終端的接受或者發(fā)射端口等工業(yè)和技術(shù)生產(chǎn)中。
【專利說明】—種使用基于混沌的隨機(jī)時鐘的加密方法及裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及信息傳輸中的高速加密技術(shù)，加密電路設(shè)計(jì)以及加密控制電路設(shè)計(jì)技術(shù)，屬于信息安全領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)，通信技術(shù)的飛速發(fā)展，信息安全問題越來越受到人們的重視，各種新型加密技術(shù)和分析技術(shù)不斷涌現(xiàn)。與傳統(tǒng)的軟件加密技術(shù)相比，硬件加密技術(shù)具有占用主機(jī)資源少、加密速度快等優(yōu)點(diǎn)，無疑具有更大的發(fā)展?jié)摿?。但是，同樣，針對硬件加密技術(shù)的攻擊方法也層出不窮，其中相對有效的攻擊方法為能量攻擊和電磁分析。該兩種方法對硬件加密技術(shù)的安全性產(chǎn)生了巨大的威脅。
[0003]能量攻擊基于加密設(shè)備在處理不同運(yùn)算以及不同操作數(shù)時消耗的功率不同，通過分析加密系統(tǒng)的功率消耗特征來判斷運(yùn)算所涉及的操作數(shù)，從而恢復(fù)密鑰信息，并于1999年成功的運(yùn)用在對DES算法硬件實(shí)現(xiàn)的實(shí)際攻擊中；電磁分析基于硬件加密系統(tǒng)各組件在運(yùn)算時通常會產(chǎn)生電磁輻射，通過測量加密設(shè)備的電磁輻射情況，攻擊者可以利用所執(zhí)行的計(jì)算和操作數(shù)與電磁輻射之間的關(guān)系來獲得關(guān)于執(zhí)行的計(jì)算和使用的數(shù)據(jù)等信息。
[0004]但是由于能量攻擊和電磁分析在攻擊的過程中都需要對設(shè)備的信息(功耗或者電磁輻射)進(jìn)行采樣，因此在設(shè)備計(jì)算中，引入隨機(jī)時鐘，能夠有效的抵抗能量攻擊和電磁分析。但是引入隨機(jī)時鐘的方式也存在問題?，F(xiàn)今的硬件加密技術(shù)一般采用線性反饋移位寄存器的方式生成偽隨機(jī)序列。但是線性反饋移位寄存器的安全性能并不強(qiáng)。因此使用線性反饋移位寄存器引入隨機(jī)時鐘 的方式，只是相當(dāng)于在能量攻擊和電磁分析之前，增加了一步并非十分麻煩的破解線性反饋移位寄存器的步驟。
[0005]近年來，因?yàn)榛煦绗F(xiàn)象隸屬于確定性系統(tǒng)而難以預(yù)測，隱含于復(fù)雜系統(tǒng)但又不可分解，以及呈現(xiàn)出“混亂無序卻有規(guī)律”的性質(zhì)，混沌理論在密碼學(xué)中的應(yīng)用得到了極大的關(guān)注和發(fā)展，使用混沌原理產(chǎn)生隨機(jī)序列具有很好的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)。
[0006]本發(fā)明的先進(jìn)性體現(xiàn)在:將混沌映射，線性反饋移位寄存器以及加密后密文性質(zhì)三方面結(jié)合起來，從而使得產(chǎn)生隨機(jī)時鐘的隨機(jī)序列的安全強(qiáng)度依托于混沌映射的安全強(qiáng)度、線性反饋移位寄存器的安全強(qiáng)度和使用的密碼算法的安全強(qiáng)度三個方面，有效的保證了隨機(jī)時鐘隨機(jī)性不可破譯，使得硬件加密系統(tǒng)切實(shí)有效的抵抗能量攻擊和電磁分析。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對上述存在的問題，本發(fā)明提出了一種使用基于混沌的隨機(jī)時鐘的加密方法及 裝置。
[0008]本發(fā)明所述的使用基于混沌的隨機(jī)時鐘的加密系統(tǒng)，其特征在與，該系統(tǒng)包括以下十個部分:
[0009]1.一種使用基于混沌的隨機(jī)時鐘的加密系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括晶振、鎖相環(huán)PLL1、鎖相環(huán)PLL2、偽隨機(jī)序列生成模塊、混沌映射控制模塊、擾動生成模塊、明文輸入模塊、加密模塊、密鑰擴(kuò)展模塊、密文輸出模塊；
[0010]模塊1.晶振產(chǎn)生一個IOMHz的原始時鐘clk_pri，并將其發(fā)送到鎖相環(huán)PLLl用于生成明文輸入和密文輸出鐘頻clk_io ;發(fā)送到鎖相環(huán)PLL2用于生成隨機(jī)加密時鐘clk_rd ；
[0011]模塊2.鎖相環(huán)PLLl根據(jù)晶振產(chǎn)生的原始時鐘clk_pri和預(yù)先計(jì)算出的分頻系數(shù)para_plll,生成用于明文輸入和密文輸出的鐘頻clk_io,并將clk_io發(fā)送到明文輸入模塊和密文輸出模塊；
[0012]模塊3.鎖相環(huán)PLL2根據(jù)晶振產(chǎn)生的原始時鐘clk_pri和偽隨機(jī)序列生成模塊產(chǎn)生的隨機(jī)分頻系數(shù)para_pll2,生成用于加密和密鑰擴(kuò)展的隨機(jī)時鐘clk_rd,并將clk_rd發(fā)送到加密模塊；
[0013]模塊4.偽隨機(jī)序生成模塊列的主體是一個線性反饋移位寄存器(LFSR)，使用32級LFSR，本源多項(xiàng)式滿足LFSR生成的序列為m_序列，受混沌映射控制模塊的信號con_cha控制其輸出信號前進(jìn)行的圈數(shù)，并將輸出信號異或由干擾生成模塊生成的干擾信號，得到反饋輸入信號，進(jìn)行反饋信號的計(jì)算。當(dāng)LFSR的輸出信號為O時，定義分頻系數(shù)para_pi 12=1，當(dāng)LFSR的輸出信號為O時，定義分頻系數(shù)para_pll2=2 ；
[0014]模塊5.混沌映射控制模塊使用混沌logistic映射，基于混沌吸引子理論，利用離散化方法，可以隨機(jī)產(chǎn)生四個隨機(jī)數(shù){1，2，3，4}作為控制信號con_cha?；煦缬成淇刂颇K
采用的混沌logistic映射為x?+1 =l-2.v; (-1 < x, <1)。依據(jù)吸引子理論，將區(qū)間(-1，I)分
【權(quán)利要求】
1.一種使用基于混沌的隨機(jī)時鐘的加密系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括晶振、鎖相環(huán)PLL1、鎖相環(huán)PLL2、偽隨機(jī)序列生成模塊、混沌映射控制模塊、擾動生成模塊、明文輸入模塊、加密模塊、密鑰擴(kuò)展模塊、密文輸出模塊； 模塊1.晶振產(chǎn)生一個IOMHz的原始時鐘clk_pri，并將其發(fā)送到鎖相環(huán)PLLl用于生成明文輸入和密文輸出鐘頻clk_io ;發(fā)送到鎖相環(huán)PLL2用于生成隨機(jī)加密時鐘clk_rd ；模塊2.鎖相環(huán)PLLl根據(jù)晶振產(chǎn)生的原始時鐘clk_pri和預(yù)先計(jì)算出的分頻系數(shù)para_plll,生成用于明文輸入和密文輸出的鐘頻clk_io,并將clk_io發(fā)送到明文輸入模塊和密文輸出模塊； 模塊3.鎖相環(huán)PLL2根據(jù)晶振產(chǎn)生的原始時鐘clk_pri和偽隨機(jī)序列生成模塊產(chǎn)生的隨機(jī)分頻系數(shù)para_pll2,生成用于加密和密鑰擴(kuò)展的隨機(jī)時鐘clk_rd,并將clk_rd發(fā)送到加密模塊； 模塊4.偽隨機(jī)序生成模塊列的主體是一個線性反饋移位寄存器(LFSR)，受混沌映射控制模塊的信號con_cha控制其輸出信號前進(jìn)行的圈數(shù)，并將輸出信號異或由干擾生成模塊生成的干擾信號，得到反饋輸入信號，進(jìn)行反饋信號的計(jì)算。當(dāng)LFSR的輸出信號為O時，定義分頻系數(shù)para_pll2=l，當(dāng)LFSR的輸出信號為O時，定義分頻系數(shù)para_pll2=2 ； 模塊5.混沛映射控制 模塊使用混沛logistic映射,基于混沛吸引子理論,利用離散化方法，可以隨機(jī)產(chǎn)生四個隨機(jī)數(shù){1,2，3, 4}作為控制信號con_cha,當(dāng)con_cha=l時,控制LFSR運(yùn)行I圈后輸出位異或干擾信號，計(jì)算反饋信號，并輸出隨機(jī)分頻系數(shù)para_pll2 ;當(dāng)con_cha=2時，控制LFSR運(yùn)行2圈后輸出位異或干擾信號，計(jì)算反饋信號，并輸出隨機(jī)分頻系數(shù)para_pll2 ;當(dāng)con_cha=3或4時分別代表3圈和4圈； 模塊6.擾動生成模塊根據(jù)加密模塊單個時鐘內(nèi)產(chǎn)生的密文信息data_out，產(chǎn)生一個隨機(jī)的二進(jìn)制數(shù)作為干擾信號，發(fā)送給偽隨機(jī)序列生成模塊； 模塊7.明文輸入模塊采用預(yù)設(shè)的明文輸入分組長度data_io_blc和明文輸入輪數(shù)rd_io,以及鎖相環(huán)PLLl生成的分頻時鐘clk_io，將明文輸入到加密模塊； 模塊8.加密模塊加載一種加密算法,使用隨機(jī)時鐘clk_rd,從明文輸入模塊輸入明文，并對其進(jìn)行加密，并將密文輸出到密文輸出模塊進(jìn)行輸出； 模塊9.密鑰擴(kuò)展模塊可以通過手動輸入種子密鑰，也可以通過外接物理噪聲源的方式自動生成種子密鑰,接受到種子密鑰后,使用隨機(jī)時鐘clk_rd，依據(jù)加密模塊加載的加密算法配套的密鑰擴(kuò)展方案，生成輪密鑰，并發(fā)送給加密模塊； 模塊10.密鑰輸出模塊采用預(yù)設(shè)的密文輸出分組長度data_io_blc和密文輸出輪數(shù)rd_io,以及鎖相環(huán)PLLl生成的分頻時鐘clk_io，接受加密模塊傳來的密文，并輸出出去。
2.如權(quán)利要求1所述的加密方法及裝置，其特征在于，所述明文輸入模塊和密文輸出模塊預(yù)設(shè)的分組長度相同，都為data_io_blc ;預(yù)設(shè)的輸入輸出時鐘數(shù)相同,都為rd_io。
3.如權(quán)利要求1所述的加密方法及裝置，其特征在于，所述模塊4偽隨機(jī)序列生成模塊使用32級LFSR，本源多項(xiàng)式滿足LFSR生成的序列為m_序列。
4.如權(quán)利要求1所述的加密方法及裝置，其特征在于，所述模塊5混沌映射控制模塊采用的混沌ι=1_2χ2 (-1<^<1)。將區(qū)間(-1，I)分為，
5.如權(quán)利要求1所述的加密方法及裝置，其特征在于，所述模塊6擾動生成模塊生成擾動信號為一個二進(jìn)制數(shù)，其生成的方法為，將加密模塊在該時鐘生成的密文信號data_out進(jìn)行逐比特異或，最終生成的二進(jìn)制數(shù)作為干擾信號para_ob。例如data_out為128bits長度的信號，其信號定義為^d2…d1`28,則干擾信號pam —--/2 ?— --/128。
【文檔編號】H04L9/00GK103560876SQ201310596634
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年11月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月22日
【發(fā)明者】鄭志明, 張?bào)? 姚望, 張堯, 唐紹婷, 郭炳暉 申請人:北京航空航天大學(xué)