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混沌在密码体制中的运用初探

来源:iT堂整理 发布时间:2007-12-28 收藏 投稿 字体:【

   我并非刻意研究什么生僻的领域,只是学习了这门课后,知道了在密码流加密体制中流密码强度完全依赖于密码流的产生器生成序列的随机性(Randomness)和不可预测性(Unpredictability),也就是说流密码体制安全的核心问题是密钥流生成器的设计。由于我本科做毕业设计时对随机分形进行了一些学习,考虑到随机分形的特点之一就是通过每次迭代加入随机因素得到不可预测的具有相当复杂度的分形吸引子,于是我萌发了能否把分形的这一特性运用于随机密码生成过程的思想。抱着这种想法我查了一些资料,并未得到有关这方面的信息,不过发现了与分形密切相关的一门学科——混沌在密码体制中的新运用。在此,仅对这一新的领域作一点归纳和学习性的研究。
     混沌(Chaos)是一种复杂的非线性非平衡的动力学过程。混沌系统具有如下的特点:首先,混沌系统的行为是许多有序行为的集合,而每个有序分量在正常条件下,都不起主导作用。由于系统中的有序分量足够多且形式多样,因而为应用提供了很大灵活性和机会。其次,混沌看起来似为随机,但都是确定的,最后,混沌系统对初始条件极为敏感两个几乎相同的混沌系统,若使其初于稍异的初态就会迅速变成为完全不同的状态。
     1989.L. M. Pecora 发现,一个混沌系统在满足某种条件下,可以构成一个同步系统,用此类同步化系统可以进行通信。同年,Carroll构造出第一个可同步混沌电路。从此,人们开始了将混沌序列用于密码的研究工作。
混沌序列是一种非线性的序列,起结构复杂,难以分析和预测。混沌系统可以提供具有良好的随机性、相关性和复杂性的拟随机序列,这些都是很有吸引力的特性,使其有可能成为一种实际被选用的流密码体制,选用何种混沌系统能产生满足密码学各项要求的混沌序列是目前各国密码学者大力研究的问题。Matthews[1989]提出用Logistic混沌映射经改进成的迭代混沌系统,Carroll等[1992]用Lorenz系统,还有m序列扰动混沌系统法等[周1996]。
在通信学报(JOURNAL OF CHINA INSTITUTE OF COMMUNICATIONS  1999年 第20卷 第3期 Vol.20 No.3 1999)里,也对混沌系统在密码体制中的新运用作了一些可行性研究。它提到:
混沌控制和混沌同步引起人们愈来愈广泛的注意。尤其是在利用混沌电路实现保密通信系统方面作出了大量的工作。这些系统利用相当简单的电路完成基本的加密功能并同时实现信号频谱的扩展。归纳起来目前主要有三类保密通信方案:
混沌交换:又称为参数调制。其基本思想是把二值信号编码为系统中对应于不同参数值的混沌吸引子。混沌系统的行为在两个吸引子之间交换。
混沌掩蔽:信号只是简单地加入混沌信号中作为传输信号。
    混沌调制:利用可逆非线型变换的方法,输入信号对混沌载波进行调制。
    文章提出了一种新的保密通信方案,这种方案可以说是当前一些混沌调制方法的推广。简单地说,它提出的通信系统,是在发射端将一模拟的信息信号通过对电路系统变量的调制输入混沌电路,因此输入信号以一种复杂的方式直接影响混沌电路的输出波形,然后将混沌电路的输出作为传输信号发送出去。混沌电路的输出信号是一种类似噪声的宽频谱确定性混沌信号,此混沌信号用作为“掩蔽”信号。混沌信号固有的宽带和类似噪声的特性为保密通信提供了高度保密的手段。为了去掉这掩蔽信号,必须使接收端和发射端同步,这需要准确知道电路的参数通过变量驱动的方法以产生相同的混沌信号。换句话,就是确知系统的参数值产生所需混沌信号,由此恢复注入信号也就是信息信号。
    文章提出的混沌保密通信方法同传统保密通信方法相比在抗破译性能方面得到较大的提高。因为对传统保密通信方法而言,经常采用的是频谱分析的方法进行破译。而此种方法对混沌保密通信方法产生的传输信号就没有多大的作用,原因是混沌传输信号具有类似噪声的宽频谱特点,无法从频谱分析上得到如何信息。另外,传统保密通信方法生成的加密信号和原始信号之间存在一定的相关性,这对实际保密通信系统的安全性来说是一个不利的因素。而对文章提出的混沌保密通信方法来说,只有变换函数选取适当,生成的加密信号是遍历的和均匀分布的,其自相关函数是类δ函数,并且加密信号和原始信号之间的互相关性是零。
     应该指出的是,系统同步的鲁棒性和通信的保密性是一对矛盾,同步鲁棒性的提高必然会使安全性降低。因此,实现时要折衷考虑。把信息信号直接嵌入混沌系统引起了原混沌系统的动力学行为的改变,这不仅可以增加保密性,而且克服了传统混沌屏蔽方法的缺陷,不再要求信息信号的功率比混沌信号的功率小得多,还可以实现精确的同步。
目前混沌同步的理论和保密通信应用性研究还处于早期阶段,混沌序列用于密码分析的研究也才刚刚开始。我从网上只找到很少的相关资料。并且还有一些重要的基本问题善待解决。比如说,混沌序列的生成总是用有限的精度实现的。另外,现有的混沌系列的研究对于所生成序列的周期、伪随机性、复杂性等估计不是建立在统计分析上,就是通过实验测试给出的,难以保证其每个实现序列的周期都足够大,复杂性足够高,因而不能使人放心的采用它来加密。但无论怎么说,基于混沌理论的保密技术可能会导致(或许与其它标准技术结合)一场变革。

参考书目
1、通信网的安全——理论与技术     王育民、刘建伟编著
    《西安电子科技大学出版社》
2在通信学报(JOURNAL OF CHINA INSTITUTE OF COMMUNICATIONS  1999年 第20卷 第3期 Vol.20 No.3 1999)

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