数字混沌密码优化及其在存储介质密码系统中的实现研究

针对目前数字混沌密码系统存在的算法简单、密钥空间小、动力学退化及难以实现问题，本项目提出混沌密码的一种优化方法，即构造一类新的切换混沌作为优化混沌算法，同时优化混沌量化方法，以期增大密钥空间、克服数字混沌动力学退化和提高密码系统的安全性。为此研究切换混沌数学模型的构造方法、动力学特性及其量化方法，分析其密钥特性，建立一种数字空间模型并给出其改善数字混沌动力学退化的机理，对混沌密码特性进行分析与测试，以期获得符合密码学要求的优化混沌算法。基于对混沌密码的优化研究，采用密钥密文分离、混沌密码与传统AES密码结合的方法，设计一种基于高性能可编程专用芯片的变密钥混沌密码原型系统，实现对一类存储信息（文档、语音、视频信号等）的加/解密，预期获得一种安全性较高、加密速度较快（大于30MB/s）的硬件混沌密码系统，期望对混沌密码在工程化实现与应用方面做出实质性的推动。

理论上周期无穷大的混沌，在数字系统中处理时其数字序列出现短周期，即动力学退化现象。本项目通过研究数字混沌密码的动力学退化机理，寻求克服动力学退化的数字混沌密码优化方法，并设计一种混沌密码原型系统，期望对混沌密码的可工程化实现提供理论和技术支持。. 本项目研究了数字空间2L（L为数字系统位数）模型和数字混沌动力学退化机理，给出了数字混沌周期与系统精度的一种定量关系，提出了数字混沌密码序列优化的方向和方法：1）对混沌系统实施随机扰动，为此构造了一类由127个切换混沌数学模型构成的系统族，以实现混沌系统自身的随机扰动；2）证明了扩展混沌映射的数值和参数区间，可扩展数字混沌的周期长度和密钥空间，为此设计了一类可任意扩展映射区间和参数区间的离散混沌映射模型，并发现了突发混沌和恒定混沌、恒定L（Lyapunov）指数现象；3）提高L指数可提高混沌的初值敏感性，从而提高混沌的随机性，为此提出了采用复合映射和混沌级联可提高L指数的方法，即可提高L指数，亦可扩展混沌映射区间和参数区间，从而可优化数字混沌密码特性；4）增强混沌系统的复杂性可提高数字混沌序列的复杂性，为此构造了一类新的忆阻器混沌系统，发现了忆阻器混沌具有无穷多平衡点、暂态混沌和对初值更为敏感的特性；5）采用优化的数字混沌量化方法可提高数字混沌密码的统计性能，为此提出了抽位量化的一种优化量化准则，并提出了一种新的随机抽位量化方法。. 采用目前国际上权威的NIST 标准及其测试软件包，对上述各种优化方法产生的数字密码序列进行了测试和比较分析，本项目提供了25个数字混沌密码序列的测试结果，都基本达到了NIST标准，可为混沌密码系统的设计提供可供选择的密码序列。. 基于数字混沌密码优化方法，本项目设计实现了系列混沌密码原型系统：基于Qt/Embedded的移动存储设备混沌加密系统；基于Android平台的手机混沌加密系统；混沌加密光盘刻录系统；混沌数字水印系统；混沌动态密码网络身份认证系统；基于局域网传输的混沌语音保密通信系统；基于ARM的混沌加密网络视频监控系统。这些原型密码系统都进行了实验验证，达到了设计的预期目的。. 该项目在研究过程中，共发表学术论文38篇，获得一项授权国家实用新型专利，一项发明专利已公告，获得4项软件著作权登记；培养13名硕士完成学位论文，两名课题组成员在项目研究期间获得博士学位。