混沌S盒构造及其在图像加密中应用研究

摘要

随着计算机技术和网络技术的快速发展，信息安全问题引起了广泛的关注和重视。为了提高信息安全性，密码学成了当前一个研究热点。
　　S盒是分组密码系统中起着核心的作用的模块，通过提高S盒的设计水平就可以获得高可靠性的密码。传统密码学中采用代数方法构造S盒，虽然可以获得很高的非线性度，但是由于结构过于简单，差分性能相对较弱，无法抵抗代数攻击。
　　混沌系统由于具有遍历性、混合性、对初始条件和参数的敏感等优点，可以用来设计更理想的S盒。因此，基于混沌系统的S盒研究引起了信息安全领域研究人员们的重视，利用混沌系统的优良特性构造新型S盒快速发展成为信息安全领域的一个热门研究方向。
　　本论文主要围绕混沌S盒构造及其在图像加密中应用展开研究。利用混沌系统的优良特性构造出符合密码设计准则的固定的混沌S盒、动态的混沌S盒以及通过优化方法构造的混沌S盒算法，并将其分别用于图像加密。论文的主要研究内容如下:
　　(1)设计实现了一种利用六维分数阶Lorenz-duffing混沌系统和O字形路径置乱构造S盒的方法。首先，在已有的六维Lorenz-duffing系统分析和研究的基础上，提出了一种六维分数阶Lorenz-duffing混沌系统，通过频域近似法对其进行数值仿真和电路仿真。电路仿真与数值仿真获得的结果是一致的，证实了设计的分数阶混沌系统的有效性和可行性。然后，利用其和O字形路径置乱构造S盒。接下来，由于混沌S盒在图像加密中越来越受到关注，提出了一种基于分数阶混沌系统的S盒的图像加密算法。首先，算法设计一个额外的256位密钥，使算法的密钥空间足够大。其次，算法使密钥与明文相关，从而使算法能抵抗选择明文和已知明文攻击。利用L-T级联映射置乱图像，并将置乱的图像分成若干个子块，再使用由分数阶Lorenz-duffing混沌系统构造的混沌S盒对每个子块进行块内置乱。最后，使用非线性混沌映射对子块进行扩散处理获得加密图像。实验结果表明，该算法取得了良好的加密效果。
　　(2)设计实现了一种基于混沌动态S盒和DNA序列操作的图像加密算法。首先，设计一个额外的256位密钥，该密钥用来生成混沌系统的初始值、控制参数。其次，利用NC映射（新的混沌映射）置乱图像，并将置乱后的图像分成若干个子块，同时利用C-T级联映射和构造三角形的可逆二维映射构造动态S盒，并对图像块进行替代和DNA编码。接下来，利用C-T级联映射产生与图像块大小相等的数据矩阵，并利用改进广义二维Arnold变换对其进行置乱。然后，利用C-T级联映射产生五个随机序列，且利用前三个随机序列选择的DNA编码规则分别对DNA编码后的图像块、数据矩阵、置乱后的数据矩阵进行DNA解码。接下来，再利用剩余两个随机序列选择的DNA编码规则分别对DNA编码后的图像块、数据矩阵和置乱后的数据矩阵进行DNA运算。最后，对加密后的子块进行DNA解码，并按对应明文子块位置排列组成密文图像。实验结果表明，该算法具有更加灵活的对抗密码技术分析攻击的能力。
　　(3)提出了利用优化方法实现S盒设计的新方案。首先，采用人工蜂群算法结合六维Lorenz-duffing混沌系统来构造S盒，其中将S盒评测指标中的非线性度和差分均匀度用作适应度函数，可以得到密码性能优异的S盒;然后，将该S盒用于图像加密。为了实现图像加密，其起始过程需要设计一个256bit密钥，使得密钥与明文相关;利用L-L级联映射置乱图像，将置乱的图像分成8个位平面，使用改进的广义二维Arnold变换分别对高四位的比特平面进行置乱，然后在和低四位的比特平面转换为图像，将由人工蜂群算法构造的混沌S盒转化为S8S盒;最后利用缠绕Logistic映射产生的随机序列和S8S盒对图像进行扩散处理，进而获得加密图像。实验结果表明，该算法具有抵抗常见攻击的能力。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究背景及意义

1．2国内外相关研究进展

1．2．1基于混沌S盒构造方法的研究现状

1．2．2基于混沌理论的图像加密研究现状

1．3本文的主要研究结构及内容安排

第2章相关研究内容基础理论

2．1引言

2．2混沌基础理论

2．2．1混沌理论发展概述

2．2．2混沌的定义

2．2．3混沌的特征

2．2．4混沌特性分析方法

2．2．5几种典型的混沌系统

2．3 S盒基础理论

2．3．1 S盒简介

2．3．2 S盒评测准则

2．3．3 S盒构造方法

2．4图像加密基础理论

2．4．1密码学理论

2．4．2混沌与密码学的关系

2．4．3混沌图像加密

2．4．4混沌图像加密算法效果评价指标

2．4．5图像质量客观评价指标

2．5本章小结

第3章基于分数阶混沌系统S盒的图像加密算法

3．1引言

3．2理论基础

3．2．1 L-T级联映射

3．2．2非线性混沌映射

3．2．3六维分数阶Lorenz-duffing混沌系统(FLDS)及其动力学特性

3．2．4 O字形路径(OP)

3．3 FLDS结合OP的S盒构造算法(FLDSOP)

3．4 S盒验证实验及结果分析

3．4．1实验设计

3．4．2 S盒的分析

3．5图像加密的方法

3．5．1加密过程

3．5．2解密过程

3．6实验结果与分析

3．6．1图像加密实验的结果

3．6．2实验结果分析

3．7本章小结

第4章动态S盒设计及其图像加密算法

4．1引言

4．2理论基础

4．2．1 NC映射

4．2．2 C-T级联映射(CTM)

4．2．3构造三角形的可逆二维映射(ICT)

4．2．4改进的广义二维Arnold变换

4．2．5 DNA序列变换

4．3 CTM结合ICT的S盒构造算法(CTMICT)

4．4图像加密的方法

4．4．1加密过程

4．4．2解密过程

4．5实验结果与分析

4．5．1图像加密实验的结果

4．5．2实验结果分析

4．6本章小结

第5章基于人工蜂群算法的混沌S盒的图像加密算法

5．1引言

5．2理论基础

5．2．1六维Lorenz-duffing混沌系统(LDS)

5．2．2 L-L级联映射

5．2．3改进的广义二维Arnold变换

5．2．4缠绕Logistic映射(ABC)

5．2．5人工蜂群算法

5．3 LDS结合ABC的S盒构造算法(LDSABC)

5．4 S盒验证实验及结果分析

5．4．1实验设计

5．4．2 LDSABC算法收敛速度的研究

5．4．3 S盒的分析

5．5图像加密的方法

5．5．1加密过程

5．5．2解密过程

5．6实验结果与分析

5．6．1图像加密实验的结果

5．6．2 S8 S盒的分布

5．6．3实验结果分析

5．7本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢

个人简历