基于混沌分形理论的信息加密技术与复杂信道动力学模型研究.doc

分类号 密级 U D C 学 位 论 文 基于混沌分形理论的信息加密技术 与复杂信道动力学模型研究 作者姓名： 付冲 指导教师： 朱伟勇 申请学位级别： 博士 学科类别： 工学 学科专业名称： 计算机软件与理论 论文提交日期： 2006年4月 日 论文答辩日期： 2006年 月 日 学位授予日期： 答辩委员会主席： 评阅人： 东 北 大 学 2006 年 4月 A Dissertation for the Degree of Doctor in Computer Software and Theory Research on Chaos and Fractal Theory Based Information Encryption Technology and Dynamical Model for Complex Channel by Fu Chong Supervisor ：Zhu Wei-yong Northeastern University April 2006 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的．论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料．与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示诚挚的谢意． 学位论文作者签名： 签 字 日 期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅．本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流． （如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意） 学位论文作者签名： 导 师 签 名： 签 字 日 期： 签 字 日 期： 基于混沌分形理论的信息加密技术与复杂信道动力学模型研究 摘 要 混沌理论是研究自然界非线性过程复杂系统内在随机性所具有的特殊规律的一门新兴学科．分形理论与混沌密切相关，混沌是产生时空结构的物质非线性运动，而这种结构本身就是分形．混沌分形理论以新的时空观、新的手段来处理自然界中的复杂性难题，透过扑朔迷离的无序混乱现象和不规则形态，揭示隐匿在复杂系统内部的规律以及局部和整体之间的本质联系．混沌、分形理论的出现是人类科学史上的重大突破，拥有巨大的应用前景． 本论文对混沌分形理论在信息加密及复杂系统动力学模型分析中的应用进行了研究．信息安全是信息学中的一个重要研究领域，信息加密技术则是信息安全的基础．混沌理论的发展为信息加密技术提供了新的思路，混沌是确定性系统，而由其产生的序列是伪随机的，在理想条件下具有无限大的周期，具有类似高斯白噪声的统计特性．同时混沌系统对初始值和参数极端敏感，序列具有不可预测性并可以提供巨大的密钥空间，非常适合于信息加密系统．本文就混沌理论在流密码数据加密、数字图像加密及直接扩频通信三个领域展开讨论，在分析前人已有成果的基础上，分别针对以上三个领域提出了以密钥的Hash扩展和基于Pless生成器的混沌序列非线性变换为核心技术的可公开混沌流密码加密算法、基于Lorenz混沌系统的比特移位图像加密算法和基于Geffe序列生成器的混沌扩频序列生成方案三种改进与创新算法，仿真实验表明以上算法较传统混沌方案在性能上有明显的提高． 复杂系统中的不确定行为动力学模型研究具有重要的意义，是揭示系统时空演化特性，从而建立对系统精确描述模型的基础．本文以多径衰落信道为例，将非线性混沌、分形理论引入复杂系统动力学模型研究，并通过仿真验证了非线性模型较之传统随机模型的优势． 本文的主要工作及创新点有： (1) 研究了流密码加密技术中较为常用的基于线性反馈移位寄存器的m序列的伪随机性能并分析了其缺陷．将混沌理论引入到信息加密系统中，并以Logistic映射为例，对混沌信息加密的可行性进行了较为深入的分析．将混沌密序列钥流与 m 序列加以对比分析，验证其在序列周期、密钥空间及相关性能上的优势．给出了传统混沌流密码加密算法的原理与实现，对其在计算精度受限条件下的密钥空间小、序列呈周期性、易于通过自适应参数混沌同步攻击且算法不宜公开等缺陷进行了分析．在此基础上提出了一种以密钥的Hash扩展和基于Pless生成器的混沌序列非线性变换为核