[发明专利]一种面向无线传感器网络的互扰复合混沌流密码实现方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种混沌流密码实现方法。

背景技术

混沌的原意是指无序和混乱的状态(译自英文Chaos)，是非线性中的确定现象，但又表现出一定的伪随机性。混沌系统所具有的一些基本特性恰好能够满足保密通信及密码学的基本要求：混沌动力学方程的确定性保证了通信双方在收发过程或加解密过程中的可靠；混沌轨道的遍历性正好满足Shannon提出的密码系统设计的第一个基本原则，即扩散原则；混沌参数和初值敏感性，正好满足Shannon提出的密码系统设计的第二个基本原则，即混淆原则。

正因如此，数字混沌密码系统和基于混沌同步的保密通信系统的研究已引起了相关学者的高度关注。由于混沌系统通常具有结构简单，计算、迭代效率高的特点，因此若能以此为基础，构建安全高效的密码算法，则不但可以将其作为现有密码技术的一个补充，而可作为一种轻量级方案有效解决资源受限的嵌入式平台上的安全问题。鉴于目前无线传感器网络上的可供选择的加密技术仍十分有限，安全强度和计算性能无法获得平衡，因此，改造设计面向无线传感器网络应用的新型混沌密码方案具有重大的应用价值。

本发明将提出一种适用于无线传感器网络节点实现的新型混沌流密码方案。下面先介绍有关混沌流密码的技术基础知识。

在一个完整加密系统中，若假设明文M，密文C，和密钥K均由二进制数字序列组成，则流密码系统就可用(M，C，K，E_k，D_k，Z)的六元组来描述。其中，E_k为加密算法，D_k为解密算法，Z为密钥流生成算法。对于每一个k∈K，由算法Z确定一个二进制密钥序列z(k)＝z₁，z₂，z₃，...，当明文m＝m₁，m₂，...，m_n时，在密钥k下的加密过程为：对i＝1，2，3，...，n，计算密文为c＝E_k(m)＝c₁，c₂，c₃，...，c_n，解密过程与此类似。图1给出了流密码保密通信模型。

不难发现，流密码的安全性主要依赖于密钥流z(k)＝z₁，z₂，z₃，...，因此流密码系统设计的关键在于如何设计出具有良好随机特性的序列。利用混沌系统，可以产生类似噪声的随机序列。对于掌握系统参数的用户，该序列可以很容易的产生；否则，序列将难以重构或预测，从而使得攻击者难以破译。所以，只要正确地加以利用，我们完全可以将混沌理论用于流密码的设计。这方面也已经出现了不少相关算法及其性能的分析。对于连续混沌系统而言，很多混沌伪随机序列已经被证明具有优良的统计特性。

作为流密码的核心部分，混沌伪随机数发生器是系统设计的关键，其输出的序列被用作密钥流，用于加密(一般采用异或操作)明文。其中的随机序列抽取一般有以下两种方法：1)抽取混沌轨道的部分或全部二进制比特；2)将混沌系统的定义区间划分为m个不相交的子区域，给每个区域标记一个唯一的数字0，1，...，m-1，通过判断混沌轨道进入哪个区域来生成伪随机数。大部分基于混沌伪随机数发生器的混沌流密码使用了单个的混沌系统。不同的混沌映射，如：Logistic映射，分段线性(Tent)混沌映射，Chebyshev映射，分段非线性混沌映射等，都能构建序列发生器。

在混沌流密码的具体应用及数字化实现时，由于受到有限精度条件的限制，其动力学特性将与理论结果存在一定的偏差，在生成密钥流用与加密系统时，可能产生不确定的安全隐患。一种显然的解决方法是增大系统的实现精度，从而克服数字化混沌系统的问题，延长序列周期。但其缺点也十分明显，更大的精度就对系统的实现和运行带来了更大的要求，尤其在嵌入式芯片的有限计算资源背景下，这一问题必定不能单纯依靠提高精度来解决，而必须在设计上寻求有效的方法尽可能地保持混沌映射的动力学特性，以增大序列发生器所产生的随机序列的周期。

混沌系统的互扰是一类新颖的加强数字混沌系统动力学特性的方法。已有公开的研究表明两个混沌系统实施互扰可克服有限精度效应，通过测试两个Logistic映射实施互扰后的初值敏感性、分布特性、自相关性和互相关特性，并比对扰动前后序列的伪随机特性，证明了混沌互扰模型可有效地解决有限精度造成的混沌动力学特性退化问题。

混沌互扰模型可用如下公式描述：

x(t+1)＝F(x(t))