基于FPGA改进混沌序列方法研究及加密系统设计

摘要

高速发展的信息时代使数据加密的必要性日益突显，混沌加密是当今加密领域的研究热点，使用混沌系统与传统加密算法相结合可以提升算法的安全性，但是此安全性严重依赖于混沌序列特性，因此研究改善混沌序列的方法是非常必要的。本文在研究有限精度对混沌序列的影响后，提出了一种改善混沌序列随机性的新方法——周期性随机参数扰动法。通过周期性对混沌参数施加随机的扰动，使混沌系统更复杂，序列更具随机性。
　　本文通过大量实验分析验证了周期性随机参数扰动法的可行性，证明了此方法对于有限精度下的混沌序列随机性有明显的改善效果。之后将此方法应用于Chen超混沌系统并和AES算法相结合设计了一种改进的AES算法。在FPGA平台上设计了具有完备端口和合理时序的改进型AES算法模块。同时，将设计完成的改进型AES算法模块应用于实际，最终实现了一个完整的USB加密解密系统。

目录

摘要

第1章 绪论

1．1 论文研究背景及意义

1．2 国内外研究现状及发展趋势

1．3 论文研究内容和结构安排

第2章 混沌理论基础与AES算法介绍

2．1 混沌和超混沌

2．1．1 混沌的定义及其基本特征

2．1．2 超混沌

2．2 混沌的分析方法

2．3 混沌在密码学中的应用

2．4 AES算法介绍

2．4．1 AES算法流程介绍

2．4．2 AES算法的四个基本操作

2．4．3 AES算法的密钥扩展方案

2．5 本章小结

第3章 改进混沌序列方法研究

3．1 数字混沌序列的生成

3．1．1 数字混沌序列的生成方法

3．1．2 本文涉及的几种混沌的方程

3．2 序列随机性检验方法

3．3 有限精度问题的研究

3．3．1 有限精度问题对混沌特性和序列随机性的影响

3．3．2 解决有限精度问题采用的方法

3．4 周期性随机参数扰动法的设计

3．5 周期性随机参数扰动法效果分析

3．5．1 自相关测试

3，5．2 Lyapunov指数

3．5．3 初始参数敏感性

3．5．4 谱熵复杂度分析

3．5．5 序列随机性检验

3．5．6 周期性随机参数扰动法效果总结

3．6 改进超混沌随机序列发生器的设计

3．6．1 改进超混沌随机序列发生器的设计

3．6．2 改进超混沌随机序列发生器生成序列的随机性检验

3．7 本章小结

第4章 基于超混沌的AES算法设计及FPl3A实现

4．1 混沌参数、初值和AES算法密钥的设置

4．2 基于Chen超混沌系统的密钥扩展方案设计

4．3 FPGA开发环境介绍

4．4 硬件整体结构设计

4．4．1 改进型AES加解密模块功能设计

4．4．2 改进型AES加解密模块端口设计

4．5 系统各子模块设计

4．5．1 基于改进Chen超混沌系统的随机序列发生器模块设计

4．5．2 AES算法模块设计

4．5．3 输入输出寄存器模块设计

4．5．4 顶层电路图设计

4．6 仿真测试

4．7 本章小结

第5章 USB加密解密系统的FPGA实现

5．1 整体结构设计

5．1．1 整体结构分析与设计

5．1．2 USB芯片功能和时序分析

5．1．3 SRAM芯片功能和时序分析

5．2 系统各子模块设计

5．2．1 CH376芯片控制模块的设计

5．2．2 SRAM芯片控制模块的设计

5．2．3 其他子模块及顶层电路图设计

5．3 上位机软件设计

5．4 硬件测试

5．4．1 系统操作说明

5．4．2 测试结果分析

5．5 本章小结

结论

参考文献

致谢

攻读学位期间科研成果

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