一个一维离散混沌判定定理及其在伪随机数发生器中的应用

该文研究了一类取模运算的1维离散动力系统,提出了一个这类离散映射的混沌判据,利用Marotto定理证明了其混沌的存在性。给出了几个满足该判据的特殊形式的系统,分析了其分岔图、Lyapunov指数谱等基本动力学性质,通过模拟结果验证了理论的正确性。基于新系统设计了一个伪随机数发生器(PRNG), SP800-22随机性检测结果表明了该序列具有良好的伪随机性。进一步给出了一个图像加密方案,其密钥空间可以达到2747。该文提出的新系统的系统参数可以无穷多,所以理论上该加密方案的密钥空间可以无穷大。     

一种二维混沌及其同步保密通信

通过构造一种二维交叉耦合映象格子系统模型,产生二维的混沌伪随机序列。并将此序列作为加密遮掩信号,在通信两端采用参数迭代法实现系统模型的混沌同步,从而实现了保密通信。同时作者对二维系统模型及其伪随机序列进行了一系列时-频分析和随机性测试,取得良好效果。     

一维鲁棒混沌映射及S盒的设计

本文利用Li-York混沌判别定理,构造了一类分段线性连续混沌映射.基于此类映射,建立了一个构造一类分段非线性鲁棒混沌映射的判别定理.作为应用,构造了一个由多项式函数和三角函数映射合成的分段非线性鲁棒混沌映射.通过计算该混沌映射的分岔图,验证了映射在参数范围内的混沌性.作为鲁棒混沌的应用,设计了三个基于分段非线性鲁棒混沌映射的伪随机数发生器.在此基础上,利用混沌映射对初始参数的敏感性,提出了批量生成S盒的算法.S盒密码性能的分析结果表明,生成的S盒具有良好的密码学性能,可以较好的抵抗线性与差分攻击,为密码算法的研究发展提供基础与条件.     

基于变结构混沌的伪随机序列发生器

为产生随机性能良好的伪随机序列,提出了一个新的变结构混沌系统。该混沌系统在一个开关函数控制下其系统结构随时间随机地转换,所产生的混沌信号是两个不同的混沌信号的混合,具有良好的复杂性。基于该变结构混沌系统设计了一种伪随机序列发生器,采用NIST标准和STS-2．0b测试套件对其产生的伪随机序列进行了统计性能测试,测试结果表明该伪随机序列发生器具有良好的随机性,可应用于计算机、通信、信息加密等领域中。     

基于可Markov分割混沌系统的图像加密算法

为了设计复杂度高、安全性好而计算代价小的图像密码算法,该文从一类新的具有Markov分割性质的混沌系统出发构造了此算法。首先,通过控制此混沌系统的参数并配合时空混沌系统设计了一个密钥流发生器;然后,利用真随机数发生器产生的随机数来扰动系统的初始密钥,以动态生成图像的置换矩阵和加密密钥流;最后,通过利用不同群中的加法混合运算构造扩散函数以增加破译复杂度,以两轮迭代完成了图像加密过程。实验结果表明,此混沌系统产生的密钥流序列有比较好的统计特征,该算法可以破坏原始图像的特征,使得密文图像难以辨识。进一步分析可知,该算法可以很好地抵抗差分分析等其它已知攻击,效率高于一些基于超混沌系统设计的密码算法。此外,此算法计算简单,安全性高,易于实现,具有良好的应用前景。     

基于Shilnikov定理构造分段线性混沌系统

该文基于异宿轨道Shilnikov定理,构造了一类分段线性混沌系统。这类混沌系统具有至少两个平衡点,且在各个平衡点处具有相同的雅戈比矩阵。通过改变系统的平衡点及相应转换平面,可以得到这类混沌系统的其他形式。理论研究和实验证明了该方法的有效性。     

分段线性混沌系统的构造研究

 本文基于异宿轨道Shilnikov定理,研究了一类分段线性混沌系统的构造方法.这类混沌系统含有两个或两个以上平衡点,且在各个平衡点处具有相同的雅戈比矩阵.通过改变系统平衡点和转换平面的个数及相对位置,得到了这类混沌系统的若干形式.进一步地,将三维系统的构造推广到高维系统,又得到了四维混沌系统的若干形式.最后给出了具体的实现电路.     

磁控二氧化钛忆阻混沌系统及其电路设计

忆阻器是一种非线性电子元件,可以作为混沌系统的非线性部分,为了提高混沌系统的信号随机性和复杂度,构建了一个磁控二氧化钛忆阻混沌系统.从系统的对称性、耗散度、平衡点稳定性、Lyapunov指数谱和维数、功率谱、庞加莱截面等方面来研究该混沌系统的内在动力学特性.采用双参数影响下的混沌图和复杂度分析方法得到了系统的最优参数范...     

基于超混沌Chen系统和密钥流构造单向散列函数的方法

提出了一种基于超混沌Chen系统和密钥流构造单向敞列函数的方法,这种方案把明文和密钥作为2个超混沌Chen系统的初始值,按照系统的超混沌动力学特性进行一定时间的演化.将演化的最终结果进行量化,将量化值代入密钥流进行迭代,实现明文和密钥信息的混淆和扩散,并基于密码块链接方式产生任意长度明文的128bit散列值.理论分析和实验表明,这种构造散列函数的方法可以满足散列函数所要求的数值压缩功能、不可逆性、初值敏感性、防伪造性和抗碰撞性等安全性能要求.提出的散列函数构造方法较现有一些方法具有更好的抗碰撞性能.     

一种基于混沌原理的真随机数发生器

选取一维分段线性混沌映射函数设计真随机数发生器的随机源,具体分析了函数中各参数对输出序列随机性和电路稳定性的影响.通过改进函数在混沌吸引盆外的映射关系,成功解决了真随机源电路在各种噪声干扰和器件失配影响下所可能存在的失效问题,显著提高了电路的稳定性.该混沌函数以电压作为迭代变量,电路采用了负反馈形式的运放、采样保持电路和逻辑判断电路等模块,并运用了电荷再分配技术.以该随机源构成的真随机数发生器不但具有理想的随机性,在1M bit/s的输出速率下,平均功耗不超过0.3mW,可广泛应用在SoC等嵌入式环境中.     

Signal‐Dependent Chaotic‐State‐Modulated Digital Secure Communication

In this letter, a discrete state, discrete time chaotic pseudo random number generator (CPRNG) is presented for stream ciphering of text, audio, or image data. The CPRNG is treated as a finite state machine, and its state is modulated according to the input bit sequence of the signal to be encrypted. The modulated state sequence obtained can be transmitted as a spread spectrum or encrypted data.     

基于双光反馈垂直腔面发射激光器获取双路高速物理随机数研究

提出基于双光反馈下垂直腔面发射激光器(VCSELs) 输出的正交偏振分量混沌振荡来同时获取两 路物理随机数(PRN)的方案,数值分析了不同反馈强度下所获取的最终比特序列的随机性能 。研究结果表明,通 过选择合适的反馈参量可使VCSELs中两个偏振分量均呈现混沌振荡;其输出的两路混沌信号 作为熵源, 经8位模数转换器(ADC)量化、比特序列按位反转、异或(XOR)运算和m bit最低有效位(m-LSBs) 截 取等后续处理后可得到最终比特序列;采用美国国家标准技术研究所(NIST)提供的NIST special publication 800-22统计测试套件对基于不同反馈强度下 所产生的 混沌信号熵源所获取的最终比特序列的性能进行测试,初步确定了获取可通过NIST speical publication 800-22统计测试的两路随机数所需的反馈强 度的范围。     

Truly random number generators based on a non-autonomous chaotic oscillator

A non-autonomous chaotic circuit which is suitable for high-frequency integrated circuit (IC) realization is presented. Simulation and experimental results verifying the feasibility of the circuit are given. We have numerically verified that the bit streams obtained from the stroboscopic Poincaré map of the system passed the four basic tests of FIPS-140-2 test suite. We also have verified that the binary data obtained from the hardware realization of this continuous-time chaotic oscillator in the same way pass the full NIST random number test suite. Then, in order to increase the output throughput and the statistical quality of the generated bit sequences, we propose a TRNG design which uses a dual oscillator architecture with the proposed continuous-time chaotic oscillator. Finally, we have experimentally verified that the binary data obtained by this oscillator sampling technique pass the tests of full NIST random number test suite without Von Neumann processing for a higher throughput speed while compared with the previous one where the proposed continuous-time chaotic oscillator is used alone.     

A feedback strategy to improve the entropy of a chaos-based random bit generator

In this paper, the guidelines to design a true random bit generator (TRBG) circuit with a predefined minimum entropy are discussed. The approach is proposed for a TRBG based on a one-dimensional piecewise-linear chaotic map; it does not require bit throughput reduction, and it is suitable for the development of integrated TRBG circuits. In particular, the proposed design strategy is based on a feedback control procedure that allows to dynamically change the system parameters for the correction of the circuit "nonidealities" (e.g., the circuit offsets). The correction algorithm does not require a direct measurement of the system "nonidealities" or of the effective value of the map parameters, but only a dynamic estimation of these quantities based on the observation of the TRBG output. The design approach is validated by a hardware prototype implemented on a field-programmable analog array. The results of the NIST FIPS 140-2 test suite, the DIEHARD test suite, and the Coron's Universal test, applied to the TRBG output sequences before and after a simple post processing without throughput reduction, are reported and discussed.     

用于SRAM PUFs的伪随机数发生器的FPGA实现

信息安全问题日益突出,而随机数则是信息安全系统的基石.本文以哈希算法为核心设计了一种伪随机数发生器,其以静态随机存储器物理不可克隆函数（Static Random Access Memory Physical Unclonable Functions,SRAM PUFs）为熵源,能够产生大量的伪随机序列.通过对熵源有效性的在线监测以及对种子的动态重播操作,本文提出的用于SRAM PUFs的伪随机数发生器提高了伪随机序列的安全性,可应用于各种高安全等级加密系统中.该发生器在FPGA开发平台上得到实现,其发生速度达598.1Mbps.随机数检测套件NIST分析结果表明：该伪随机数发生器的输出通过了所有测试项目,具有良好的随机性.     

一种基于四维混沌神经网络的通信数据加密算法

混沌神经网络序列具有带宽大、难于预测和重构等特点,因而非常适用于网络通信和数据加密.本文提出一种四维混沌神经网络序列的产生方法,利用四维混沌神经网络进行混合加密,所产生的二值序列对明文进行预处理.实验结果表明,该系统对产生的二值序列,具有良好的初值敏感度,序列随机性较为理想,同时,四维混沌神经网络大大增加了密钥空间,利...     

混沌扩频测控系统同步捕获性能分析

混沌序列在扩频测控系统中的应用引起了人们的广泛兴趣,混沌扩频测控系统的捕获性能和跟踪性能是学界关注的重点。由于数字化混沌序列相关函数旁瓣具有随机性,使得扩频系统的信号捕获过程,除了受加性噪声影响之外,又增加了一个影响因素。根据系统捕获原理与混沌码特性,借助于混沌码模糊函数的概念,提出了混沌码相关函数旁瓣随机性影响下检测概率、虚警概率以及捕获时间的计算方法,推导得到了相应的计算公式,探讨了混沌扩频测控系统的信号捕获性能。结果表明,混沌码相关函数随机性的存在使检测概率和虚警概率有所增大,并使捕获时间产生变化;与加性噪声相比,其影响通常较小甚至可以忽略。该结果可以为混沌序列在扩频测控系统中的应用提供理论支持与参考。     

Characteristics of Fast Physical Random Bit Generation Using Chaotic Semiconductor Lasers

We investigate the characteristics of fast random bit generation using chaotic semiconductor lasers. The optical amplitudes of two lasers with chaotic oscillations induced by optical feedback are each sampled at a fixed rate to extract binary bit sequences which are then combined by an exclusive-OR operation to obtain a single random bit sequence. Bit sequences generated at rate of 1 Giga bit per second are verified to pass statistical tests of randomness. We describe the dependence of randomness on laser parameters, in particular the injection current, the external cavity length and the feedback strength. The results provide clear empirical guidelines for tuning the chaotic laser parameters to achieve random bit sequences. This study shows that chaotic laser devices can be fast and reliable sources of physical entropy for computing and communication applications.      

Precompression quality-control algorithm for JPEG 2000.

In this paper, a precompression quality-control algorithm is proposed. It can greatly reduce computational power of the embedded block coding (EBC) and memory requirement to buffer bit streams. By using the propagation property and the randomness property of the EBC algorithm, rate and distortion of coding passes is approximately predicted. Thus, the truncation points are chosen before actual coding by the entropy coder. Therefore, the computational power, which is measured with the number of contexts to be processed, is greatly reduced since most of the computations are skipped. The memory requirement, which is measured with the amount required to buffer bit streams, is also reduced since the skipped contexts do not generate bit streams. Experimental results show that the proposed algorithm reduces the computational power of the EBC by 80% on average at 0.8 bpp compared with the conventional postcompression rate-distortion optimization algorithm. Moreover, the memory requirement is also reduced by 90%. The average PSNR degrades only about 0.1-0.3 dB, on average.