混沌密碼學(xué)原理及其應(yīng)用

前言

　　1999年10月，我受香港城市大學(xué)電子工程系黃國和（K.W.Wong）博士的邀請(qǐng)到香港做為期一年的合作研究。當(dāng)時(shí)我的主要工作集中于時(shí)滯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分岔與混沌現(xiàn)象的研究，還未涉及混沌應(yīng)用于信息安全領(lǐng)域。但是黃國和博士每周都與他的博士生和碩士生們討論混沌密碼方面的學(xué)術(shù)問題，由此引起了我對(duì)此領(lǐng)域的興趣。但由于我的工作重心并不在此，加之時(shí)間緊迫，也未參加他們的“混沌密碼”研究小組的討論。當(dāng)時(shí)我就打算回到重慶大學(xué)后帶一批博士生和碩士生從事“混沌密碼學(xué)”的研究。在我的第一批博士中肖迪（本書的作者之一）和鄧紹江是最先從事“混沌密碼學(xué)”研究的，第二批博士中陳勇（本書的作者之一）和張林華也從事“混沌密碼學(xué)”的研究。我陸續(xù)培養(yǎng)了十余名從事這方面研究工作的博士。我們從2000年9月開始舉辦的“混沌密碼學(xué)”討論班，一直持續(xù)到現(xiàn)在，同時(shí)我也先后派出了一些博士生到黃國和博士那里進(jìn)行合作研究，他們分別是向濤（本書的作者之一）、周慶、王永、楊華千和韋鵬程?！　‰S著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日益普及，信息安全已成為學(xué)術(shù)界和企業(yè)界所共同關(guān)注的研究熱點(diǎn)和關(guān)鍵問題。安全功能的復(fù)雜性以及攻擊手段的層出不窮，迫切需要研究和開發(fā)出更多安全、高效、可靠的信息安全技術(shù)。學(xué)術(shù)界正在探討將一些非傳統(tǒng)的新穎方法引入信息安全領(lǐng)域。將混沌理論引入信息安全領(lǐng)域是當(dāng)前國際非線性科學(xué)和信息科學(xué)兩個(gè)學(xué)科交叉融合的熱門前沿課題之一。比如我國的《國家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展綱要（2006-2020）》在支持的重點(diǎn)領(lǐng)域及其優(yōu)先主題“核心數(shù)學(xué)及其在交叉領(lǐng)域的應(yīng)用”的主要研究方向就包括“離散問題、隨機(jī)問題、量子問題以及大量非線性問題中的數(shù)學(xué)理論和方法等”。我國國家自然科學(xué)基金在2003年的重大研究項(xiàng)目“網(wǎng)絡(luò)與信息安全研究計(jì)劃”中也將“復(fù)雜性理論在信息安全中的應(yīng)用及密碼算法分析研究”列入了計(jì)劃?！　』煦绾兔艽a學(xué)之間具有天然的聯(lián)系和結(jié)構(gòu)上的某種相似性，啟示著人們把混沌應(yīng)用于密碼學(xué)領(lǐng)域。混沌的軌道混合特性（與軌道發(fā)散和初始值敏感性直接相聯(lián)系）對(duì)應(yīng)于傳統(tǒng)加密系統(tǒng)的擴(kuò)散特性；而混沌信號(hào)的類隨機(jī)特性和對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的敏感性對(duì)應(yīng)于傳統(tǒng)加密系統(tǒng)的混亂特性。可見，混沌所具有的優(yōu)異混合特性保證了混沌加密器的擴(kuò)散和混亂作用可以和傳統(tǒng)加密算法一樣好。另外，很多混沌系統(tǒng)與密碼學(xué)常用的Feistel網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是非常相似的。通過類比研究混沌理論與密碼學(xué)，可以彼此借鑒各自的研究成果，促進(jìn)共同的發(fā)展。

內(nèi)容概要

　　混沌密碼學(xué)是非線性科學(xué)與密碼學(xué)交叉融合的一門新的科學(xué)?！痘煦缑艽a學(xué)原理及其應(yīng)用》取材新穎，概念清晰，書中不僅介紹了數(shù)字混沌學(xué)所涉及的基礎(chǔ)理論和各種代表性的算法，同時(shí)也涵蓋了混沌密碼學(xué)的最新研究成果，以及本學(xué)科最新的發(fā)展方向?！痘煦缑艽a學(xué)原理及其應(yīng)用》全面而詳細(xì)地介紹了混沌密碼學(xué)的理論和相關(guān)算法。全書共分為6章，包括混沌理論與密碼學(xué)基礎(chǔ)、基于混沌的分組密碼、基于混沌的流密碼、混沌公鑰密碼技術(shù)、混沌Hash函數(shù)、混沌密碼學(xué)的安全應(yīng)用等內(nèi)容?！痘煦缑艽a學(xué)原理及其應(yīng)用》可供高等院校數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)、通信、信息安全等專業(yè)本科生、研究生、教師和科研人員參考。

書籍目錄

前言?第1章 混沌理論與密碼學(xué)基礎(chǔ)?1.1 混沌理論基礎(chǔ)?1.1.1 混沌理論的歷史回顧?1.1.2 混沌的定義?1.1.3 混沌運(yùn)動(dòng)的特征?1.1.4 混沌研究的判據(jù)與準(zhǔn)則?1.1.5 幾種典型的混沌系統(tǒng)?1.1.6 混沌的應(yīng)用?1.2 密碼學(xué)概述?1.2.1 現(xiàn)代密碼學(xué)?1.2.2 密碼學(xué)基本概念?1.2.3 密碼系統(tǒng)的分類?1.2.4 對(duì)稱密鑰密碼系統(tǒng)?1.2.5 公鑰密碼?1.2.6 分組密碼?1.2.7 序列密碼?1.2.8 隨機(jī)數(shù)發(fā)生器?1.2.9 Hash函數(shù)?1.2.10 密碼分析與算法安全?1.2.11 混沌密碼學(xué)?第2章 基于混沌的分組密碼?2.1 分組密碼簡(jiǎn)介?2.2 分組密碼的工作模式?2.2.1 電子密碼本（ECB）模式?2.2.2 密碼分組鏈接（CBC）模式?2.2.3 密碼反饋（CFB）模式?2.2.4 輸出反饋（OFB）模式?2.3 分組密碼的設(shè)計(jì)原則?2.4 分組密碼的體系結(jié)構(gòu)?2.4.1 代替置換結(jié)構(gòu)?2.4.2 Feistel結(jié)構(gòu)?2.4.3 其他結(jié)構(gòu)?2.5 基于SPN（Feistel）結(jié)構(gòu)的混沌分組密碼?2.5.1 混沌S盒的設(shè)計(jì)?2.5.2 基于Feistel結(jié)構(gòu)的混沌分組密碼?2.6 基于檢索機(jī)制的混沌分組密碼?2.7 基于迭代機(jī)制的混沌分組密碼?2.7.1 基于逆向迭代混沌系統(tǒng)的分組密碼?2.7.2 基于正向迭代混沌系統(tǒng)的分組密碼?第3章 基于混沌的流密碼?3.1 流密碼的相關(guān)知識(shí)?3.1.1 流密碼系統(tǒng)?3.1.2 典型的傳統(tǒng)流密碼簡(jiǎn)介?3.2 隨機(jī)數(shù)與偽隨機(jī)數(shù)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)?3.2.1 頻率測(cè)試?3.2.2 塊內(nèi)頻率測(cè)試?3.2.3 游程測(cè)試?3.2.4 塊內(nèi)比特1的最長(zhǎng)游程測(cè)試?3.2.5 二進(jìn)制矩陣階測(cè)試?3.2.6 離散傅里葉變換（譜）測(cè)試?3.2.7 非重疊模板匹配測(cè)試?3.2.8 重疊模板匹配測(cè)試?3.2.9 Maurer通用統(tǒng)計(jì)測(cè)試?3.2.10 LZ壓縮測(cè)試?3.2.11 線性復(fù)雜度測(cè)試?3.2.12 串行測(cè)試?3.2.13 近似熵測(cè)試?3.2.14 累積和測(cè)試?3.2.15 隨機(jī)偏離測(cè)試?3.2.16 隨機(jī)偏離變量測(cè)試?3.3　基于混沌的流密碼?3.3.1 基于混沌逆系統(tǒng)的流密碼?3.3.2 混沌逆系統(tǒng)加密存在的問題與改進(jìn)?3.3.3 從混沌系統(tǒng)中抽取二進(jìn)制序列的方法?3.3.4 基于簡(jiǎn)單混沌系統(tǒng)的隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生方法?3.3.5 基于時(shí)空混沌的多比特隨機(jī)數(shù)發(fā)生器?3.3.6 基于混沌空間劃分的流密碼?3.4 基于轉(zhuǎn)換表的混沌加密算法?3.4.1 轉(zhuǎn)換表的設(shè)計(jì)?3.4.2 加密與解密?3.4.3 算法的安全性分析?第4章 混沌公鑰密碼技術(shù)?4.1 公鑰密碼概述?4.1.1 RSA算法 ?4.1.2 ElGamal算法?4.1.3 橢圓曲線密碼算法?4.1.4 基于混沌理論的公鑰密碼系統(tǒng)?4.2 細(xì)胞自動(dòng)機(jī)公鑰密碼體制?4.2.1 細(xì)胞自動(dòng)機(jī)密碼系統(tǒng)?4.2.2 具體例子?4.3 一種ElGamal變形的混沌公鑰密碼?4.3.1 概述?4.3.2 公鑰協(xié)議?4.3.3 具體例子?4.3.4 安全性分析?4.4 基于分布混沌系統(tǒng)公鑰加密的加性混合調(diào)制?4.4.1 概述?4.4.2 分布動(dòng)態(tài)加密?4.4.3 基于加性混合的DDE方案?4.4.4 安全性分析?4.5 基于Chebyshev映射的公鑰密碼算法?4.5.1 Chebyshev多項(xiàng)式的基本性質(zhì)及推廣?4.5.2 算法的描述?4.5.3 算法的安全性?4.5.4 進(jìn)一步的研究結(jié)果?4.5.5 算法的改進(jìn)?4.5.6 算法的應(yīng)用實(shí)例?4.6 基于環(huán)面自同構(gòu)的混沌公鑰密碼系統(tǒng)?4.6.1 環(huán)面的定義?4.6.2 環(huán)面自同構(gòu)?4.6.3 算法的描述?4.6.4 算法的證明?4.6.5 抗攻擊分析?4.6.6 實(shí)驗(yàn)方法和結(jié)果?4.6.7 算法的應(yīng)用實(shí)例?4.6.8 遞歸數(shù)列和LUC系統(tǒng)?4.7 基于多混沌系統(tǒng)的公鑰加密新技術(shù) ?4.7.1 多混沌系統(tǒng)?4.7.2 基于多混沌系統(tǒng)的公鑰加密方案描述?4.7.3 改進(jìn)的實(shí)例?4.7.4 性能分析?第5章 混沌Hash函數(shù)?5.1 Hash函數(shù)?5.2 簡(jiǎn)單混沌映射的Hash函數(shù)構(gòu)造?5.2.1 典型算法一?5.2.2 典型算法二及其演化算法?5.2.3 典型算法三?5.2.4 典型算法四?5.2.5 典型算法五?5.3 復(fù)雜混沌映射的Hash函數(shù)構(gòu)造?5.3.1 典型算法一（超混沌）?5.3.2 典型算法二（調(diào)整時(shí)空混沌參數(shù)）?5.3.3 典型算法三（調(diào)整時(shí)空混沌狀態(tài)）?5.3.4 典型算法四（調(diào)整時(shí)空混沌狀態(tài)）?5.4 復(fù)合混沌映射的Hash函數(shù)構(gòu)造?5.5 混沌神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的Hash函數(shù)構(gòu)造?5.5.1 典型算法一?5.5.2 典型算法二?5.6 并行混沌Hash函數(shù)構(gòu)造?5.6.1 算法結(jié)構(gòu)?5.6.2 算法描述及其構(gòu)造特點(diǎn)?5.6.3 性能分析?5.7 一種基于混沌的加密Hash組合算法?5.7.1 Wong算法及其安全分析?5.7.2 改進(jìn)算法及其性能分析?5.7.3 其他的改進(jìn)思路?第6章 數(shù)字混沌密碼學(xué)的安全應(yīng)用?6.1 引言?6.2 空域加密算法?6.3 頻域加密算法?6.4 數(shù)字圖像置亂算法研究發(fā)展?6.5 圖像加密算法?6.5.1 像素位置變換?6.5.2 像素灰度變換?6.5.3 像素灰度鏈接變換?6.5.4 局部不同加密次數(shù)的圖像加密?6.5.5 圖像加密技術(shù)新進(jìn)展?6.6 數(shù)字圖像信息加密?6.7 圖像加密評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)?6.7.1 均方誤差（MSE）和峰值信噪比（PSNR）?6.7.2 直方圖?6.7.3 相鄰像素相關(guān)性分析?6.7.4 密鑰空間分析?6.8 對(duì)加密算法的攻擊?6.8.1 密鑰的窮盡搜索?6.8.2 密碼分析?6.9 加密圖像的抗攻擊性?6.9.1 剪裁攻擊?6.9.2 噪聲攻擊?6.9.3 抗攻擊算法?6.10 圖像加密的用途?6.10.1 在郵政電子政務(wù)中的應(yīng)用研究?6.10.2 在其他方面的應(yīng)用研究?6.11 混沌在數(shù)字水印中的應(yīng)用?6.11.1 數(shù)字水印技術(shù)概述?6.11.2 混沌數(shù)字水印?參考文獻(xiàn)?

章節(jié)摘錄

　　第1章　混沌理論與密碼學(xué)基礎(chǔ)　　1.1　混沌理論基礎(chǔ)　　20世紀(jì)下半葉，非線性科學(xué)得到了蓬勃發(fā)展。其中，對(duì)混沌現(xiàn)象的研究占了極大的份額。半個(gè)世紀(jì)以來，人們對(duì)混沌運(yùn)動(dòng)的規(guī)律及其在自然科學(xué)各個(gè)領(lǐng)域的表現(xiàn)有了十分豐富的認(rèn)識(shí)。一般而言，混沌現(xiàn)象隸屬于確定性系統(tǒng)而難以預(yù)測(cè)（基于其動(dòng)力學(xué)形態(tài)對(duì)于初始條件的高度靈敏性），隱含于復(fù)雜系統(tǒng)但又不可分解（基于其具有稠密軌道的拓?fù)涮卣鳎?，以及呈現(xiàn)多種“混亂無序卻有規(guī)則”的圖像（如具有稠密的周期點(diǎn)）?！　?.1.1　混沌理論的歷史回顧　　在現(xiàn)實(shí)世界中，非線性現(xiàn)象遠(yuǎn)比線性現(xiàn)象廣泛。混沌現(xiàn)象是指在確定性系統(tǒng)中出現(xiàn)的一種貌似無規(guī)則、類似隨機(jī)的現(xiàn)象，是自然界普遍存在的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)形式。人們?cè)谌粘Ｉ钪性缫蚜?xí)以為常的種種現(xiàn)象，如鐘擺的擺動(dòng)、山石的滾動(dòng)、奔騰的小溪、岸邊海浪的破碎、股市的漲跌、漂浮的云彩、閃電的路徑、血管的微觀網(wǎng)絡(luò)、大氣和海洋的異常變化、宇宙中的星團(tuán)乃至經(jīng)濟(jì)的波動(dòng)和人口的增長(zhǎng)……在它們看似雜亂無章的表面現(xiàn)象下卻蘊(yùn)涵著驚人的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。最早對(duì)混沌進(jìn)行研究的是法國的龐加萊（H.Poincare）。1913年，他在研究能否從數(shù)學(xué)上證明太陽系的穩(wěn)定性問題時(shí)，把動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)和拓?fù)鋵W(xué)有機(jī)地結(jié)合起來，并提出三體問題在一定范圍內(nèi)，其解是隨機(jī)的。

編輯推薦

　　1 揭示了混沌與密碼學(xué)之間的關(guān)系；2 介紹了混沌密碼學(xué)的最新研究成果和最新發(fā)展方向；3 闡述了混沌在分組密碼、序列密碼和公鑰密碼等方面的研究；4 探討了混沌密碼學(xué)在圖像、信息安全等領(lǐng)域的應(yīng)用。

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