混沌系统数字化特性研究及其快速密码算法设计

混沌密码是当前非线性科学与信息科学交叉融合的研究热点之一，在保障信息安全方面具有巨大应用潜力。从密码设计角度出发的混沌系统数字化特性研究目前还处于起步阶段，难以为混沌密码算法设计提供有力的理论指导。本课题以混沌理论为基础工具，借鉴现代密码学理论，结合浮点数表示规则、数值仿真等方法，分析典型混沌系统的数字化特性，力求在混沌系统的数字化方法、混沌系统退化的定量分析和短周期产生条件等问题上有所创新和突破；在此基础上，结合现代密码的数据处理方式，尽可能减少费时的浮点运算，优化混沌密码结构，设计快速混沌密码算法（流密码、分组密码和Hash函数）；同时，结合并行理论，将具有并行结构的混沌模型引入到密码算法设计中，从并行处理角度提高混沌密码算法的效率。本课题的研究成果可对混沌密码算法的设计、定量分析和安全测评提供理论支撑，为混沌密码算法设计开辟新途径；设计的快速算法可应用于电子商务等信息系统。

随着计算机技术、网络技术的不断发展和应用的日益普及，信息安全成为了当今社会关注的焦点。找寻新的方法和理念设计新型的密码算法成为了近年来学术界研究的一项重要内容。混沌密码是当前非线性科学与信息科学交叉融合的研究热点之一，在保障信息安全方面具有巨大应用潜力。在本项目的资助下，我们深入研究了混沌数字化的特性并将应用于快速混沌密码算法的设计中。围绕混沌系统数字化特征分析和密码算法的设计展开，主要从密码学应用的需要出发，探寻了在保持混沌系统良好密码学特性的情况下，对其进行离散化的通用方法；如何基于混沌系统高效的产生数字化的伪随机序列；研究了一些混沌系统并行化处理的方法；对混沌系统的差分序列与控制参数之间的关系进行了研究，讨论了时空混沌中耦合映像格子之间的同步稳定性等问题。然后，以这些混沌系统的数字化研究为基础，提出了一些具有应用潜力密码算法和基于混沌的编码方法。针对基于混沌难以产生高性能S盒的问题，引入优化算法，将其与原有的混沌方法相结合，提升混沌S盒的密码学性能。针对混沌系统中存在耗时基本操作，不利于提高密码算法效率的情况，引入传统密码中的快速变换操作并尽量减少混沌运算中的耗时操作，以此为基础提出了基于混沌的高效伪随机数发生器和流密码算法。针对已有的混沌并行Hash函数中存在的安全漏洞，提出利用时空混沌系统的并行特性设计Hash函数，同时在合并中间值时引入位置参数，以弥补已有算法中的安全漏洞。针对图像加密应用场景的需要，提出了一种基于混沌的降低图像品质的方法。将混沌系统与DNA编码方法相结合，并利用混沌系统的状态值来驱动DNA编码的规则，提出了一种基于混沌的动态DNA编码的图像加密方法，增强了算法的安全性。相关成果发表于国内外知名学术期刊上。本课题的研究，有助于揭示在有限域上混沌现象的表征和量化分析等问题。对混沌密码算法的设计、定量分析、安全测评以及加密算法的效率提升有促进作用。同时，对混沌密码走向商业应用也有积极的意义，能够为国民经济和社会发展中的各种关键信息的保密通信提供新的思路和解决方案。