忆阻器和忆容器混沌电路及其在网络云存储文件中的应用

摘要

自1971年Chua提出忆阻器的概念后，直到2008年HP实验室才首次使用纳米级的TiO2薄膜成功制作出忆阻器的物理模型，证明了忆阻器是真正存在的。2009年Chua又在忆阻器的基础上丰富了记忆器件的概念，提出了忆容器和忆感器，之后以忆阻器为主要研究方向的记忆器件的研究迅速成为了国内外学者的热点课题。但是目前由于受到制作材料以及制作工艺的限制，记忆器件并没有实现市场化，即使是HP实验室实现的忆阻器也仅存在于实验室中，更不用说后来才被人们关注的忆容器和忆感器，因此通过建模对忆容器进行预先研究在忆容器的发展历程中具有重要意义。本文研究了忆容器的定义，提出了一个电荷控制和一个电压控制的忆容器数学模型，创建了它们的等效电路，并构造了一个同时含有荷控忆容器和HP实验室 TiO2忆阻器的混沌振荡电路，分析了其动力学特性和混沌序列的随机性，最后将其应用于网络云存储文件加密中。
　　本文的创新性工作主要包括以下几个方面：
　　(1)在HP实验室TiO2忆阻器的基础上提出了一个荷控忆容器和一个磁控忆容器数学模型，并对其端口特性进行理论分析，并根据忆容器的数学模型分别给出了对应的等效电路，通过Multisim软件进行仿真，在正弦信号激励下其伏库特性完全符合忆容器的滞回特性，进一步验证了忆容器模型的非线性特性。
　　(2)研究混沌的基本理论，分析了一些常见的混沌系统特性，在传统二维离散Henon映射的基础上提出了一个优化的离散映射，对其动力学特性如分叉图和最大Lyapunov指数进行了理论和仿真分析，发现其具有更大的混沌参数区间，因而增大了序列的秘钥空间，提高了安全性。最后，给出了该映射在图像加密中的一种应用。
　　(3)为进一步探索记忆器件的非线性特性，设计了一个同时包含荷控忆容器和HP TiO2忆阻器的混沌振荡电路。对其复杂的动力学特性，包括平衡点集、分岔图、Laypunov指数谱、时域波形、Poincaré映射等进行了详细分析，发现其具有超混沌、共存吸引子和突发混沌等现象。按照该系统的状态方程设计了一个等效电路，通过Multisim对该电路进行了仿真实验，实验结果与理论结果完全相同。利用DSP技术对该混沌系统的混沌序列实现了量化，采用NIST测试软件对该混沌序列的随机性进行了分析，并与著名的Lorenz系统进行比较，结果表明此混沌序列拥有非常好的随机性。
　　(4)基于所设计的忆容器、忆阻器混沌序列，设计了一个网络云存储文件加密系统，该系统采取一种混沌-AES混合算法，在Windows操作系统下，使用JAVA语言设计了一个网页端的能够对文件加密上传以及解密下载的系统。最后对该系统的加密算法进行了安全性分析，发现该算法对密钥非常敏感，且具有非常大的密钥空间，这使得加密后的文件具有更好的安全性。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究意义及背景

1.2 国内外研究现状及发展趋势

1.3 本文的主要研究内容及结构安排

第二章 忆容器建模研究

2.1 记忆器件理论基础

2.2 荷控忆容器模型的设计

2.3 磁控忆容器模型的设计

2.4 等效有源忆容器

2.5 本章小结

第三章 混沌理论及应用

3.1 混沌理论基础

3.2 常见的混沌系统

3.3 一种新的改进型Henon映射及其应用

3.4 本章小结

第四章 基于荷控忆容器和TiO2忆阻器的混沌系统

4.1基于荷控忆容器和TiO2忆阻器的混沌电路

4.2 忆阻忆容器混沌系统动力学特性分析

4.3 忆阻忆容器混沌电路仿真及DSP实现

4.4混沌序列的NIST测试

4.5本章小结

第五章 忆阻器和忆容器混沌在网络云存储文件加密中的应用

5.1 网络云存储文件加密系统的设计

5.2 混沌加密算法的设计

5.3 网络存储文件加密系统的实现

5.4 加密系统安全性分析

5.5 本章小结

第六章 总结及展望

6.1 工作总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献

附录