混沌加密技術(shù)探究論文

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摘要：混沌理論是近年來發(fā)展較快的非線性科學(xué)的重要分支，因其具有非周期、連續(xù)寬頻帶、類噪聲和長期不可預(yù)測等特點(diǎn)，所以特別適用于保密通信等領(lǐng)域。本文從混沌加密技術(shù)的基本原理、發(fā)展階段和特點(diǎn)以及存在的問題對其進(jìn)行較為全面的分析和總結(jié)。

關(guān)鍵詞：混沌的基本原理加密算法性能評估

一、混沌的基本原理

混沌是一種復(fù)雜的非線性、非平衡的動力學(xué)過程,其特點(diǎn)為:(1)混沌系統(tǒng)的行為是許多有序行為的集合,而每個有序分量在正常條件下,都不起主導(dǎo)作用；(2)混沌看起來似為隨機(jī),但都是確定的；(3)混沌系統(tǒng)對初始條件極為敏感,對于兩個相同的混沌系統(tǒng),若使其處于稍異的初態(tài)就會迅速變成完全不同的狀態(tài)。

1963年,美國氣象學(xué)家洛倫茲(Lorenz)提出混沌理論,認(rèn)為氣候從本質(zhì)上是不可預(yù)測的,最微小的條件改變將會導(dǎo)致巨大的天氣變化,這就是著名的“蝴蝶效應(yīng)”。此后混沌在各個領(lǐng)域都得到了不同程度的運(yùn)用。20世紀(jì)80年代開始,短短的二十幾年里,混沌動力學(xué)得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。

二、混沌在加密算法中的應(yīng)用

混沌系統(tǒng)由于對初值的敏感性,很小的初值誤差就能被系統(tǒng)放大,因此,系統(tǒng)的長期性是不可預(yù)測的；又因?yàn)榛煦缧蛄芯哂泻芎玫慕y(tǒng)計(jì)特性,所以它可以產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)列,這些特性很適合于序列加密技術(shù)。信息論的奠基人美國數(shù)學(xué)家Shannon指出:若能以某種方式產(chǎn)生一隨機(jī)序列,這一序列由密鑰所確定,任何輸入值一個微小變化對輸出都具有相當(dāng)大影響,則利用這樣的序列就可以進(jìn)行加密。混沌系統(tǒng)恰恰符合這種要求。

混沌系統(tǒng)的特性使得它在數(shù)值分布上不符合概率統(tǒng)計(jì)學(xué)原理,得不到一個穩(wěn)定的概率分布特征；另外,混沌數(shù)集是實(shí)數(shù)范圍,還可以推廣到復(fù)數(shù)范圍。因此,從理論上講,利用混沌原理對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密,可以防范頻率分析攻擊、窮舉攻擊等攻擊方法,使得密碼難于分析、破譯。

從1992年至今，混沌保密通信經(jīng)歷了四代。混沌掩蓋和混沌鍵控屬于第一代混沌保密通信技術(shù)，安全性能非常低，實(shí)用性大大折扣。混沌調(diào)制屬于第二代混沌保密通信技術(shù)，盡管第二代系統(tǒng)的安全性能比第一代高，但是仍然達(dá)不到滿意的程度。混沌加密技術(shù)屬于第三代混沌保密通信，該類方法將混沌和密碼學(xué)的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，具有非常高的安全性能。基于脈沖同步的混沌通信則屬于第四代混沌保密通信。

三、混沌加密算法的性能評估

參考美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)協(xié)會(NIST)的評判規(guī)則LNIST的評判規(guī)則大體分為三個部分:安全性、代價和算法實(shí)現(xiàn)特性。介紹了一種基于Lorenz系統(tǒng)的混沌加密算法,以此標(biāo)準(zhǔn)分析了其性能,并將其與當(dāng)前通用加密算法進(jìn)行比較。

1．安全性分析

首先,混沌系統(tǒng)對初始值和參數(shù)非常敏感,可以提供很大的密鑰集合,完全滿足加密的需要。通過對混沌系統(tǒng)生成的二進(jìn)制序列進(jìn)行檢驗(yàn),0和1的分布均勻,游程符合隨機(jī)數(shù)要求,可以認(rèn)為是隨機(jī)序列。其次,混沌加密屬于流密碼,對分組加密的攻擊方法是無效的。同時,對選擇明文ˆ密文攻擊方法,由于混沌的單向性和混沌信號的迭代處理,異或操作后密鑰流的推斷幾乎不可能。

2．代價分析

算法的代價包括時間代價和空間代價。時間代價又分為準(zhǔn)備時間和加密時間。通常,加密前的準(zhǔn)備時間主要是用來完成生成子密鑰,加密時間主要是在子密鑰的控制下對明文數(shù)據(jù)進(jìn)行變換。混沌加密屬于流密碼的范疇,它的準(zhǔn)備時間非常短;加密時由于只對數(shù)據(jù)的各個位進(jìn)行異或操作,其時間主要花費(fèi)在密鑰流的生成操作上,相對于目前流行的分組加密算法,其時間花費(fèi)也是很少的。空間代價分為算法實(shí)現(xiàn)的靜止空間和運(yùn)行態(tài)空間。靜止空間指算法變成程序后本身所占用的空間,一般表現(xiàn)為執(zhí)行代碼的長度。運(yùn)行態(tài)空間指在加密過程中算法所需要的臨時空間。混沌加密算法沒有S-box空間,臨時變量也比較少,而且,它通過循環(huán)產(chǎn)生密鑰流,循環(huán)過程中需要寄存的變量有限,因此,其運(yùn)行時占用的空間很少，在空間代價上是比較優(yōu)秀。