一種面向無線傳感器網絡的互擾複合混沌流密碼實現方法
2023-10-09 04:50:54 1
專利名稱：一種面向無線傳感器網絡的互擾複合混沌流密碼實現方法
技術領域：
本發明涉及一種混沌流密碼實現方法
背景技術：
混沌的原意是指無序和混亂的狀態(譯自英文Chaos)，是非線性中的確定現象， 但又表現出一定的偽隨機性。混沌系統所具有的一些基本特性恰好能夠滿足保密通信及密碼學的基本要求混沌動力學方程的確定性保證了通信雙方在收發過程或加解密過程中的可靠；混沌軌道的遍歷性正好滿足Shannon提出的密碼系統設計的第一個基本原則，即擴散原則；混沌參數和初值敏感性，正好滿足Shannon提出的密碼系統設計的第二個基本原貝U，即混淆原則。正因如此，數字混沌密碼系統和基於混沌同步的保密通信系統的研究已引起了相關學者的高度關注。由於混沌系統通常具有結構簡單，計算、迭代效率高的特點，因此若能以此為基礎，構建安全高效的密碼算法，則不但可以將其作為現有密碼技術的一個補充，而可作為一種輕量級方案有效解決資源受限的嵌入式平臺上的安全問題。鑑於目前無線傳感器網絡上的可供選擇的加密技術仍十分有限，安全強度和計算性能無法獲得平衡，因此，改造設計面向無線傳感器網絡應用的新型混沌密碼方案具有重大的應用價值。本發明將提出一種適用於無線傳感器網絡節點實現的新型混沌流密碼方案。下面先介紹有關混沌流密碼的技術基礎知識。在一個完整加密系統中，若假設明文M，密文C，和密鑰K均由二進位數字序列組成，則流密碼系統就可用(M，C，K，Ek，Dk，Z)的六元組來描述。其中，Ek為加密算法，Dk為解密算法，Z為密鑰流生成算法。對於每一個k G K，由算法Z確定一個二進位密鑰序列z (k)= Z1, Z2, Z3,…，當明文m = IH1, m2, , mn時,在密鑰k下的加密過程為對i = 1,2,3,..., n，計算A =mr ，密文為c = Ek (m) = C1, c2, C3,, cn,解密過程與此類似。圖I給出了流密碼保密通信模型。不難發現，流密碼的安全性主要依賴於密鑰流z (k) = Z1, z2, z3，...，因此流密碼系統設計的關鍵在於如何設計出具有良好隨機特性的序列。利用混沌系統，可以產生類似噪聲的隨機序列。對於掌握系統參數的用戶，該序列可以很容易的產生；否則，序列將難以重構或預測，從而使得攻擊者難以破譯。所以，只要正確地加以利用，我們完全可以將混沌理論用於流密碼的設計。這方面也已經出現了不少相關算法及其性能的分析。對於連續混沌系統而言，很多混沌偽隨機序列已經被證明具有優良的統計特性。作為流密碼的核心部分，混沌偽隨機數發生器是系統設計的關鍵，其輸出的序列被用作密鑰流，用於加密(一般採用異或操作)明文。其中的隨機序列抽取一般有以下兩種方法1)抽取混沌軌道的部分或全部二進位比特；2)將混沌系統的定義區間劃分為m個不相交的子區域，給每個區域標記一個唯一的數字0，1，. . .，m_l，通過判斷混沌軌道進入哪個區域來生成偽隨機數。大部分基於混沌偽隨機數發生器的混沌流密碼使用了單個的混沌系統。不同的混沛映射，如Logistic映射,分段線性(Tent)混沛映射,Chebyshev映射,分段非線性混沌映射等，都能構建序列發生器。在混沌流密碼的具體應用及數位化實現時，由於受到有限精度條件的限制，其動力學特性將與理論結果存在一定的偏差，在生成密鑰流用與加密系統時，可能產生不確定的安全隱患。一種顯然的解決方法是增大系統的實現精度，從而克服數位化混沌系統的問題，延長序列周期。但其缺點也十分明顯，更大的精度就對系統的實現和運行帶來了更大的要求，尤其在嵌入式晶片的有限計算資源背景下，這一問題必定不能單純依靠提高精度來解決，而必須在設計上尋求有效的方法儘可能地保持混沌映射的動力學特性，以增大序列發生器所產生的隨機序列的周期。混沌系統的互擾是一類新穎的加強數字混沌系統動力學特性的方法。已有公開的研究表明兩個混沌系統實施互擾可克服有限精度效應，通過測試兩個Logistic映射實施互擾後的初值敏感性、分布特性、自相關性和互相關特性，並比對擾動前後序列的偽隨機特性，證明了混沌互擾模型可有效地解決有限精度造成的混沌動力學特性退化問題。混沌互擾模型可用如下公式描述X (t+1) = F (x (t))y (t+1) = G(y (t), ￠)F為主混沌系統，G為擾動混沌系統，G產生的擾動向量對主混沌系統F的輸出產生擾動，同時主混沌系統F的輸出擾動G的控制參數0。這是一種針對兩個混沌系統互擾的一般化模型。具體模型結構可有不同的設計。另外，多混沌系統的疊加及混合則是另一種常用及可靠的序列周期延長方法。通過疊加、級聯的方式，將具有不同參數、初值的同類混沌系統，或是幾種不同的混沌系統組合起來，可以獲得混沌特性更佳的系統，從而產生隨機性更好的序列。這類方法通常就被稱為複合型的混沌系統。目前，將混沌互擾和混沌複合兩類方法有效結合的混沌流密碼方案研究和應用甚少。
發明內容
為了克服已有混沌流密碼實現方法的混沌特性較差、安全實用性較差的不足，本發明提供一種混沌特性良好、提高安全實用性的面向無線傳感器網絡的互擾複合混沌流密碼實現方法。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是一種面向無線傳感器網絡的互擾複合混沌流密碼實現方法，所述互擾複合混沌流密碼實現方法包括以下步驟I)將經典的Logistic映射和Tent映射轉化成整數域上的離散函數，使混沌序列整數化模型在支持整型計算的無線傳感器網絡的傳感節點上實現；
2)在整型化混沌函數基礎上，構建3個初值各異的Logistic混沌映射作為主混沌系統，再構建一個Tent混沌映射作為混沌控制器；3)所述的I個Tent混沌控制器實現與3個Logistic混沌映射的互擾，即Tent控制器的混沌迭代過程和3個Logistic主系統的混沌迭代過程進行相互幹擾；同時，上述的 I個Tent混沛控制器實現與3個Logistic混沛映射的複合，即Tent控制器的輸出Ctr調控密鑰流的最終輸出，形成更安全周期更長的隨機密鑰流，由此構成一個完整的混沌流密碼。進一步,所述步驟I)中，將Logitic映射改造成一種時域和幅域均離散化的整數型混沌系統，具體操作如下Logistic映射,其形式如下
權利要求
1.一種面向無線傳感器網絡的互擾複合混沌流密碼實現方法，其特徵在於所述互擾複合混沌流密碼實現方法包括以下步驟 .1)將經典的Logistic映射和Tent映射轉化成整數域上的離散函數，使混沌序列整數化模型在支持整型計算的無線傳感器網絡的傳感節點上實現； .2)在整型化混沌函數基礎上，構建3個初值各異的Logistic混沌映射作為主混沌系統，再構建一個Tent混沌映射作為混沌控制器； .3)所述的I個Tent混沛控制器實現與3個Logistic混沛映射的互擾，即Tent控制器的混沌迭代過程和3個Logistic主系統的混沌迭代過程進行相互幹擾；同時，上述的I個Tent混沛控制器實現與3個Logistic混沛映射的複合，即Tent控制器的輸出Ctr調控密鑰流的最終輸出，形成更安全周期更長的隨機密鑰流，由此構成一個完整的混沌流密碼。
2.如權利要求I所述的面向無線傳感器網絡的互擾複合混沌流密碼實現方法，其特徵在於所述步驟I)中，將Logitic映射改造成一種時域和幅域均離散化的整數型混沌系統，具體操作如下 Logistic映射,其形式如下
3.如權利要求2所述的面向無線傳感器網絡的互擾複合混沌流密碼實現方法，其特徵在於所述步驟3)中，建立一個基於Logistic映射與Tent映射的混沛互擾機制，將Logistic映射作為主混沛系統,分段Tent映射作為擾動系統,兩者迭代後的輸出值相互擾動，擾動函數設計如下
4.如權利要求3所述的面向無線傳感器網絡的互擾複合混沌流密碼實現方法，其特徵在於所述步驟3)中，建立一個基於Tent映射控制的Logistic映射複合機制,將(II-3)式的Tent映射從上到下分為4段,分別記為Sectl、Sect2、Sect3和Sect4,再記3個Logistic的輸出值分別為L1, L2, L3,複合規則如下 Sectl對應I號Logistic映射，即Logl，此時總的輸出為 L1 RShiftn (L2) RShiftn (L3)； Sect2對應2號Logistic映射，即Log2，此時總的輸出為 RShiftn (Z1)十 4 十 RShiftn (L3)； Sect3對應3號Logistic映射，即Log3，此時總的輸出為 RShiftn (Z1)十 RShiftn (L2)十 4 ; Sect4對應全部的Logistic映射，此時總的輸出為A 6乙6盡。
其中，RShiftn代表循環右移n位的函數。
全文摘要
一種面向無線傳感器網絡的互擾複合混沌流密碼實現方法，包括以下步驟1)將經典的Logistic映射和Tent映射轉化成整數域上的離散函數，使混沌序列整數化模型在支持整型計算的無線傳感器網絡的傳感節點上實現；2)在整型化混沌函數基礎上，構建3個初值各異的Logistic混沌映射作為主混沌系統，再構建一個Tent混沌映射作為混沌控制器；3)所述的1個Tent混沌控制器實現與3個Logistic混沌映射的互擾；同時，上述的1個Tent混沌控制器實現與3個Logistic混沌映射的複合，形成更安全周期更長的隨機密鑰流，由此構成一個完整的混沌流密碼。本發明混沌特性良好、提高安全實用性。
文檔編號H04W12/02GK102624519SQ20121006352
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月12日 優先權日2012年3月12日
發明者葛亮, 蔡家楣, 陳鐵明 申請人:浙江工業大學