[发明专利]高速高精度混沌函数的混沌序列生成方法和序列发生器

说明书

(一)技术领域

本发明属于网络安全技术领域，具体地说是一种高速高精度混沌函数的混沌序列生成方法和序列发生器。

(二)技术背景

加密是现在保证数据安全性的重要手段。目前Internet、无线网络和无线传感器网络的兴起使得加密技术变得日益重要。传统的加密手段如DES，RSA等现在虽都应用的很广泛，也表现出很强的安全性，但都是在基于资源充分的前提下完成的，不适合于资源严重不足的无线网络和无线传感器网络。例如DES现在已经破译，RSA速度比DES慢100倍，运算代价很高，椭园曲线加密耗费大量硬件资源，量子加密理论上是绝对安全的加密技术，但处于探索研究阶段。目前出现了一种混沌加密方法，它利用混沌系统中对初始值敏感，不可预测，拓扑依赖等特性来产生密匙，进而进行加密，展现出比传统加密更好的性能。但因速度较慢，浮点操作困难，有限精度效应，短周期响应等问题使得它并没得到广泛应用。

混沌系统由于对初值的敏感性，很小的初值误差就能被系统放大，因此系统的长期性是不可预测的，所以它可以产生随机数列，很适合于序列加密技术。理论上看利用混沌原理对数据进行加密，可以防范频率分析攻击、穷举攻击等攻击方法，使得密码难于分析、破译。

现有混沌加密方法存在的问题：

1.有限精度效应

大多数混沌函数都是先建立在严格的数学基础上，用数学方法研究，然后利用这个数学上严格的混沌函数实现混沌序列发生器，实际总是在有限精度下实现的，与其数学理论结果不完全相同，使许多基于数学上的混沌系统无法实现。有学者甚至认为，有限精度效应是目前混沌理论走向应用中出现的一大难题：

①很多混沌序列的生成是用计算机或可编程器件实现的，例如用计算机C语言和C⁺⁺编程，以double的精度最高，double数据表示为d×10^J，其中d是尾数，J是指数，double常用64位二进制数表示d和J，精度取决于d的位数，d的二进制位数≤56，更高的精度计算机不易实现。如用可编程器件实现，例如Nios CPU仅可配置成16位×16位→32位硬件乘法器；而DSP芯片的C54x CPU仅为17位×17位硬件乘法器，加法器仅为40位。由此可见，用FPGA和DSP芯片硬件乘法器和加法器实现的诸如Lorenz混沌系统的精度必然低于double型。

②还很多混沌序列的生成是采用模数积分电路和模数转换电路ADC，例如Lorenz混沌系统也常采用运算放大器组成的积分电路。积分电路是模拟电路，模拟电路受零点飘移和热噪声影响严重，精度远低于数字电路；ADC成本高，ADC精度仅为十几位，位数很难再提高，尚未见50位的ADC，显然ADC精度远低于计算机double型。

实现二进制位数＝160位、256位等高于double型精度的混沌系统目前尚未见报导。

2.在无线网络和无线传感器网络中应用的困难。

无线网络和无线传感器网络是当前重要发展方向，但无线传感器网络节点体积小，计算能力低、存储空间少，资源严重不足；又因用电池供电，还有低能耗和实时性的要求。目前混沌映射加密系统是基于资源充分的传统网络完成的，对资源严重不足的无线网络和无线传感器网络，不能完全仿照传统网络的信息安全方法和思路。无线传感器网络的一个体积小的节点除了混沌加密之外，还要完成路由协议，以及多路传感器数据采集和无线收/发等功能，在资源严重受限制下完成加密，这是另一种类型的难题。例如，要在程序容量约为4K字节里完成这些任务，就是一件很困难的事。

因位数越高，乘法速度越慢，硬件设备量越大，为提高数据精度，尽量避免乘法运算，每次迭代过程，乘加运算次数越少越好，最好没有乘法运算，并尽量减少运算次数。又因节点用电池供电，特别是无线传感器网络节点在军事上是用飞机抛掷到敌方，不便更换电池，要求能耗极低，运算量和收/发时间尽量减少，要求高速运行。将混沌映射加密用于无线网络和无线传感器网络是全新的问题，

3.短周期响应

现有的混沌序列的研究对于所生成序列的周期性伪随机性、复杂性、互相关性等的估计是建立在统计分析上，难以保证其每个实现序列的周期足够大(t→∞)，复杂性足够高，在某种程度上降低了混沌加密系统的保密性，因而不能使人放心地采用它来加密。在短周期响应存在的情况下，提高混沌加密系统的保密性能是一个很值得研究的课题。