基于Logistic混沌映射轉(zhuǎn)移軌道判決的序列密碼生成系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于網(wǎng)絡(luò)通信與信息安全技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著電子技術(shù)和信息技術(shù)飛速發(fā)展，信息安全，特別是通信系統(tǒng)信息安全引起人 們的重視。在數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化與智能化的通信系統(tǒng)中，通信設(shè)備的集成需要一種由特殊的密 鑰序列發(fā)生器組成的序列密碼參與密碼核運(yùn)算，配合一系列非線性程度高、無(wú)限周期、統(tǒng)計(jì) 性良好的密鑰序列保障通信系統(tǒng)的安全性。
[0003] 上世紀(jì)80年代以來(lái)，針對(duì)密鑰序列發(fā)生器的設(shè)計(jì)和研宄得到重視，研宄人員設(shè)計(jì) 出大量具有高復(fù)雜性、功率譜接近噪聲、難以破譯的隨機(jī)序列。上世紀(jì)90年代后，人們發(fā)現(xiàn) 混沌系統(tǒng)的內(nèi)隨機(jī)性、遍歷性和初值敏感等特性與傳統(tǒng)的密碼學(xué)應(yīng)用存在驚人的相似。給 定初值條件的混沌系統(tǒng)相鄰迭代點(diǎn)經(jīng)有限次迭代后得到完全不同序列的混沌特性，逐漸改 變了人們對(duì)確定系統(tǒng)的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)。由于混沌系統(tǒng)具有良好統(tǒng)計(jì)特性和復(fù)雜性，這種由微小 變化可引起的不同計(jì)算結(jié)果的特性使得混沌系統(tǒng)極大地滿足了加密應(yīng)用對(duì)序列密碼的需 求，人們期望通過(guò)研宄混沌系統(tǒng)的理論特性找到適合生成具有良好隨機(jī)特性的非線性密鑰 序列發(fā)生器。1999年，T.Kohda明確指出混沌系統(tǒng)生成的序列具有良好的隨機(jī)特性，可作為 密鑰序列發(fā)生器。正是由于確定系統(tǒng)構(gòu)造的密鑰序列具有長(zhǎng)周期、寬密鑰空間、高復(fù)雜度等 優(yōu)勢(shì)，混沌密鑰序列發(fā)生器表現(xiàn)出較強(qiáng)的復(fù)雜性和非線性特征，使得混沌加密系統(tǒng)密鑰序 列具有更加難以破譯的特點(diǎn)。
[0004] 隨著混沌理論研宄的深入和加密應(yīng)用的廣泛開(kāi)展，混沌系統(tǒng)的缺陷逐漸被科研人 員發(fā)現(xiàn)，為克服有限計(jì)算精度對(duì)混沌系統(tǒng)隨機(jī)特性弱化的影響，研宄者利用擾動(dòng)法、數(shù)字信 號(hào)處理方法、數(shù)據(jù)挖掘等方法增強(qiáng)混沌系統(tǒng)的隨機(jī)性，克服混沌密鑰序列的短周期和弱隨 機(jī)現(xiàn)象。在保密通信應(yīng)用領(lǐng)域，人們致力于研宄加密速度快、保密性強(qiáng)、與數(shù)字化設(shè)備兼容 的數(shù)字混沌序列發(fā)生器，使得混沌序列密碼適應(yīng)更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。
[0005] 自T.Kohda證實(shí)混純系統(tǒng)適于密碼系統(tǒng)應(yīng)用后，一些研宄者利用頻率測(cè)試、游程 測(cè)試、離散傅里葉變換譜測(cè)試、線性復(fù)雜度測(cè)試等測(cè)試指標(biāo)來(lái)研宄混沌序列密碼，并以統(tǒng)計(jì) 分析結(jié)果做為混沌系統(tǒng)加密應(yīng)用提供科學(xué)和安全依據(jù)，這些通過(guò)混沌序列密碼隨機(jī)測(cè)試， 統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表現(xiàn)良好的隨機(jī)數(shù)生成器被大量用來(lái)進(jìn)行加密運(yùn)算。然而，混沌系統(tǒng)并非真 隨機(jī)系統(tǒng)。隨著混沌系統(tǒng)在密碼學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用擴(kuò)展，混沌系統(tǒng)的短周期和弱隨機(jī)現(xiàn)象，使得 混沌序列密碼的安全性成為研宄者們關(guān)注的重點(diǎn)，如何判定這種由確定系統(tǒng)產(chǎn)生非線性序 列的偽隨機(jī)性和安全性對(duì)于通信系統(tǒng)和加密系統(tǒng)的安全性及其重要?；煦缋碚撗绣痴咄ㄟ^(guò) 對(duì)不同混沌方程的混沌特性進(jìn)行研宄和實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)數(shù)字混沌系統(tǒng)具有整體穩(wěn)定局部不 穩(wěn)定、初值敏感、各態(tài)遍歷性等特性。人們通過(guò)觀察得出混沌序列局部存在一些可度量的短 序列成周期性反復(fù)出現(xiàn)，在放大混沌序列自相關(guān)間隔峰值內(nèi)部結(jié)構(gòu)時(shí)，一些類似周期卻又 不同于傳統(tǒng)周期定義的峰值反復(fù)重現(xiàn)，這些現(xiàn)象的統(tǒng)計(jì)特征很難依靠現(xiàn)有的周期檢測(cè)方法 和隨機(jī)性檢查方法發(fā)現(xiàn)。在混沌序列密碼應(yīng)用中，這類現(xiàn)象容易成為攻擊者對(duì)信息應(yīng)用的 攻擊目標(biāo)，是破壞混沌序列密碼隨機(jī)性的危險(xiǎn)因素。
[0006]實(shí)際應(yīng)用中，混沌序列密碼不同于傳統(tǒng)的密鑰序列，通過(guò)隨機(jī)數(shù)測(cè)試集無(wú)法觀察 混沌序列密碼的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，無(wú)法判定局部不穩(wěn)定性和序列內(nèi)部元素之間的聯(lián)系，特別是對(duì) 于由計(jì)算精度引發(fā)的多種周期現(xiàn)象和混沌量化引發(fā)的序列局部不平衡現(xiàn)象，目前還缺乏科 學(xué)的測(cè)量方法，找到一種適于分析和檢測(cè)混沌序列密碼局部范圍內(nèi)序列隨機(jī)性的方法，提 供一種良好的混沌序列測(cè)試方案，降低混沌序列密碼存在的安全隱患具有一定的研宄意 義。
[0007] 作為混沌理論研宄的重要分支，基于混沌系統(tǒng)的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器一直是人們研宄和 關(guān)注的重要內(nèi)容。人們研宄安全加密系統(tǒng)的過(guò)程中，既需要混沌這種確定系統(tǒng)生成序列的 不確定性和隨機(jī)性，又需要生成的混沌隨機(jī)數(shù)生成器具有較強(qiáng)的抗攻擊性。在上述研宄中 已經(jīng)通過(guò)對(duì)混沌序列密碼周期性的驗(yàn)證和檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的混沌序列生成器生成的混沌序 列密碼都不可避免的具有大量的局部周期現(xiàn)象，這也證實(shí)了數(shù)字混沌序列內(nèi)部的不穩(wěn)定性 和局部隨機(jī)性弱化的問(wèn)題。即利用數(shù)字系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)混沌運(yùn)算時(shí)，混沌系統(tǒng)的時(shí)域值受到有限 精度和量化方法的影響，由于迭代運(yùn)算引入了量化誤差，計(jì)算精度和量化誤差之間對(duì)混沌 序列密碼的影響尚無(wú)確定的估計(jì)和比較方法。
[0008] 研宄表明，經(jīng)過(guò)迭代產(chǎn)生的混沌序列，無(wú)論采用已知的哪種混沌映射方法，系統(tǒng)都 會(huì)很快地收斂至某個(gè)周期性軌道上，同時(shí)在一個(gè)周期現(xiàn)象內(nèi)部還會(huì)存在大量作用于不同局 部的周期性子序列，鑒于此種局部周期現(xiàn)象問(wèn)題對(duì)加密系統(tǒng)安全性的影響，考慮利用圖論 和信息遍歷方法結(jié)合混沌序列密碼局部周期特性研宄，找到一種適于提高混沌序列密碼隨 機(jī)性的序列密碼生成算法，以此降低混沌序列密碼的局部范圍內(nèi)出現(xiàn)的弱隨機(jī)現(xiàn)象，進(jìn)而 為混沌加密系統(tǒng)提供一種改進(jìn)的混沌序列密碼隨機(jī)數(shù)生成器算法。
[0009] 針對(duì)混沌序列密碼中的周期現(xiàn)象，人們提出了兩類方法用以改善混沌序列密碼隨 機(jī)性，提高序列周期性。一類方法通過(guò)提高計(jì)算精度改善混沌序列密碼的周期性，另一類方 法利用其他偽隨機(jī)序列對(duì)混沌系統(tǒng)進(jìn)行擾動(dòng)，以此生成周期更長(zhǎng)的混沌序列密碼。盡管這 些方法可以增加混沌序列密碼的周期長(zhǎng)度，但在實(shí)際應(yīng)用中還存在缺陷。如克服有限精度 問(wèn)題需要使用更高精度數(shù)據(jù)運(yùn)算方法，實(shí)現(xiàn)這樣的算法需要速度高，容量大的計(jì)算芯片，這 樣的硬件設(shè)備為加密系統(tǒng)的構(gòu)建增加了硬件開(kāi)銷。擾動(dòng)方法雖然可以增加混沌序列密碼的 周期長(zhǎng)度，但輸出序列周期受擾動(dòng)信號(hào)控制，系統(tǒng)整體周期被擾動(dòng)信號(hào)隨機(jī)性限制。由于這 類擾動(dòng)序列常常具有m序列的某些性質(zhì)，使得輸出序列的動(dòng)力學(xué)特性存在退化風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí) 還不能保證有效減少作用于不同局部的周期性子序列數(shù)量。上述方案不能很好的改善數(shù)字 化混沌系統(tǒng)由有限精度而引起的周期問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有生成的混沌序列密碼出現(xiàn)局部周期現(xiàn)象的問(wèn)題，本 發(fā)明提供一種基于logistic混沌映射轉(zhuǎn)移軌道判決的序列密碼生成系統(tǒng)。
[0011] 本發(fā)明的一種基于logistic混沌映射轉(zhuǎn)移軌道判決的序列密碼生成系統(tǒng)，
[0012] 所述序列密碼生成系統(tǒng)包括密鑰種子生成器、確定性系統(tǒng)、不定混沌系統(tǒng)和密鑰 生成器；
[0013] 密鑰種子生成器，用于通過(guò)枚舉[0, 1]范圍內(nèi)不同的混沌初值，為構(gòu)造序列密碼 制造初始種子；
[0014] 確定性系統(tǒng)，輸入初始種子，通過(guò)量化軌道和給定參數(shù)下迭代產(chǎn)生確定混沌系統(tǒng) 的二值狀態(tài)序列；
[0015] 所述確定性系統(tǒng)為對(duì)不可能經(jīng)Logistic迭代運(yùn)算達(dá)到的值以及從這些值出發(fā)的 極大轉(zhuǎn)移軌道進(jìn)行遍歷、量化的線性系統(tǒng)；
[0016] 不定混沌系統(tǒng)，輸入初始種子，通過(guò)數(shù)值量化和給定參數(shù)下迭代產(chǎn)生不定混沌系 統(tǒng)的二值狀態(tài)序列；
[0017] 所述不定混沌系統(tǒng)為經(jīng)典Logistic映射確定的任意短周期隨機(jī)數(shù)發(fā)生系統(tǒng)；
[0018] 密鑰生成器，將確定性系統(tǒng)的二值狀態(tài)序列和不定混沌系統(tǒng)的二值狀態(tài)序列進(jìn)行 異或操作，生成標(biāo)準(zhǔn)的二值序列作為序列密碼輸出。
[0019] 所述確定性系統(tǒng)，以初始種子作為起始點(diǎn)，逐一對(duì)值域中的狀態(tài)值進(jìn)行遍歷判別， 對(duì)符合判別條件的狀態(tài)值，量化所述狀態(tài)值對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)移軌道，做為在給定參數(shù)下迭代產(chǎn)生 確定性系統(tǒng)的二值狀態(tài)序列輸出。
[0020] 所述確定性系統(tǒng)，逐一對(duì)值域中的狀態(tài)值進(jìn)行遍歷判別，對(duì)符合判別條件的狀態(tài) 值，量化所述狀態(tài)值對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)移軌道的方法為：
[0021] 首先，判斷值域中的狀態(tài)值出發(fā)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移軌道是否為極大轉(zhuǎn)移軌道；
[0022] 若是極大轉(zhuǎn)移軌道，則進(jìn)行極大轉(zhuǎn)移軌道量化；
[0023] 否則，線性遞減所述狀態(tài)值，并重新判斷對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)移軌道是否為極大轉(zhuǎn)移軌道；
[0024] 所述判斷由所述迭代狀態(tài)值出發(fā)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移軌道是否為極大轉(zhuǎn)移軌道的方法為： 假設(shè)狀態(tài)值XtG[0, 2n_l]，
[0025] 如在區(qū)丨'!
:不存在偶數(shù)，則從&出發(fā)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移 路徑為一條極大轉(zhuǎn)移軌道，否則，不是極大轉(zhuǎn)移軌道。
[0026] 所述進(jìn)行極