自同步混沌加密算法的设计及其在应答器报文安全编码中的应用

摘要

信息系统成为社会各个领域不可或缺的基础设施的同时，人们也面临着信息安全的严峻考验。混沌系统以其优异的混合特性，以及其可以与传统加密算法相媲美的扩散与混乱特性，受到密码学学者关注与研究。在密码分析和计算机计算能力不断提升的情况下，混沌加密设计方案的安全性受到了极大的挑战。在混沌密码领域中，非线性数字滤波器具有的良好的混沌特性和易于实现的特点，使其逐步发展为信息安全领域中的前沿课题。 本文的工作内容主要有以下四个方面： （1）为了避免由有限精度效应带来的短周期现象，传统数字滤波器主要采用增大系统实现精度或提升系统阶数的方法，这些方法带来系统内存需求增大，运行效率低等问题。针对这一问题，本文设计构造了自同步NDF（Nonlinear Digital Filters）安全混沌模型。采用二阶NDF混沌系统在整数的状态空间运行。系统将密文作为切换原则对构造出的NDF混沌子系统进行选择，解决了传统固定参数系统通过对确定明文分析即可破译出系数组的问题。同时，系统采用了分组密码中的非线性部件 S 盒作为转移函数，解决了自同步系统中输出只与低位相关的缺陷，使得明文的所有位都对最终输出的密文造成影响。 （2）对系统进行理论分析以及实验仿真，证明此系统可以抵挡穷举攻击以及相关攻击，具有良好的雪崩特性。同时，使用32比特为一组的加密字长，可以在明文为全0序列的极端情况下产生长周期随机序列。相对基于自同态加密策略的NDF混沌系统，其系统运行速率更快，对内存占用率更低，且更易于软件实现。 （3）提出了基于自同步NDF算法的S盒构造方法。经验证，本方法构造的S盒具有良好的密码学特性，为S盒的构造提供了新的方法。 （4）针对传统应答器报文采用明文进行传输造成的信息安全隐患问题，以及传统编码策略FFFIS在受到噪声干扰时密文接收效率低这一情况，设计了自同步NDF混沌安全编码策略。算法在提高了报文传输的安全性的同时为了保证对报文正确性的校验功能，采用了在分组中添加校验位的方法，实现了错误定位功能。经实验证明该策略对报文传输过程中的噪声干扰敏感，且接收只需要少次的报文即可保证全部报文的准确接收，减少了报文接收的次数，进而提升了报文的接收效率。

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