基于混沌密码理论的CPS数据安全技术研究

Information security is the key technology for Cyber-Physical System, and it can drive a new high-security ciphergraphic technology and practical application in the CPS. However, due to dynamic change of network topology and huge data clustering in the system, it becomes a challenge to use traditional cryptographic schemes to encrypt the CPS’s data. Chaos has become an important research branch and topic in the field of the data information security as it has a perfect randomness capability. Therefore based on the chaos and cryptography theory, this project aims to establish a reasonable mathematical model for a pseudo-random sequence generator, and investigate novel cryptographic schemes for the CPS’s data referring to the CPS network model and data mining technology to realise a high safety real-time storage and transmission and to get a balance between the data security and system robustness. This project will focus on: 1) digital chaos research and its ciphergraphic design; 2) analysis of the CPS’s data security requirements; 3) sensory data extraction and feature analysis in CPS; 4) cryptography design and modelling for the CPS’s data based on chaotic cryptography. The research output will not only be of great significance to improve the theory and application of the CPS security technology, but also promote chaotic cryptography application.

信息安全是信息物理融合系统（CPS）的一个关键技术，对推进大型CPS系统的实际应用具有重要意义。然而，由于CPS网络拓扑结构时常动态变化且组件间的通信数据量庞大，直接使用传统密码机制难以保障CPS系统数据安全；而混沌因其完美的类随机性已成为数据安全领域的重要分支和研究热点，因此，本项目将以混沌及密码编码理论为基础，提出理想伪随机序列发生器的构建方法，并结合CPS网络模型与数据挖掘技术，针对CPS系统数据安全与隐私保护展开研究，实现系统数据的高安全实时存储与传输，并达到数据安全与系统性能之间的平衡，使系统鲁棒性最优。主要研究内容包括：1. 数字混沌研究及其密码设计；2. CPS网络数据安全需求分析；3. CPS感知数据提取与特征分析；4. 基于混沌密码理论的CPS数据加密体制设计与建模。项目所获得的研究成果对完善CPS系统安全技术理论与应用有着重要意义，且可推广混沌密码学的实际应用。

计算机与人工智能的发展实现了信息世界与物理世界的融合，促使了CPS网络结构中的海量异构数据间的深度交互与深度计算，面向这种开放分布式的环境，保障数据间的安全通信、安全控制与安全计算是至关重要的，涉及数据的完整性与保密性，因此，本项目针对CPS网络数据的安全问题，以混沌、密码编码理论为基础，提出了一系列的数据编码加密方案与信息隐藏策略。主要研究内容包括：1. 数字混沌系统的退化机理及其引起关键状态点进入不动点的优化计算模型，同时设计了相应的理想伪随机数发生器；2. 针对网络数据特性与安全需求分析，研究设计了多种数字图像混沌编码加密算法和数字水印技术，且根据网络节点的计算能力，研究设计了图像加密算法的并行处理方式，并通过了实验验证与硬件实现，加速了数据的实时传输与安全通信；3. CPS网络结构的安全需求分析及其网络物理节点间的身份认证与安全通信机制设计，并探索了密码体制抵制旁路攻击的能力；4. 实验系统搭建及功能验证，采用典型CPS数据和实际应用场景对密码体制进行功能验证。以本项目的研究内容为依托，进行CPS数据安全技术设计与开发，在研究期限内取得了合同的预期成果，对完善CPS系统安全技术理论与应用有着较重要意义，且可推广混沌密码学的实际应用。