摘? 要: 利用Logistic映射迭代產(chǎn)生的混沌序列作為二維置換網(wǎng)絡(luò)的置換地址,構(gòu)造二維置換網(wǎng)絡(luò)對(duì)明文進(jìn)行置換加密。同時(shí)提出了一種Logistic混沌映射的整數(shù)實(shí)現(xiàn)方法,給出了它的FPGA實(shí)現(xiàn),并通過硬件裝置實(shí)現(xiàn)了Logistic映射的混沌二維置亂網(wǎng)絡(luò)。

　　關(guān)鍵詞: Logistic映射? 混沌序列? 置換網(wǎng)絡(luò)

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　　在密碼學(xué)研究中,置換網(wǎng)絡(luò)起著中心作用,明文字母之間的雙射變換可以由一個(gè)輸入和輸出字母相同的置換網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。一個(gè)置換網(wǎng)絡(luò)可看作是有n個(gè)多輸入和n個(gè)多輸出變量的黑盒子,其每個(gè)輸出變量都是n個(gè)輸入的布爾函數(shù),它的好壞直接影響到分組密碼的抗破譯性。置換網(wǎng)絡(luò)的研究涉及電話交換、開關(guān)理論和密碼學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域^[1]。密碼學(xué)中,使用置換來進(jìn)行數(shù)據(jù)變換,主要有兩種作用,其一是對(duì)數(shù)據(jù)內(nèi)容作不可預(yù)測(cè)的替換,其二是改變數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)序列中的位置,即隨機(jī)換位。對(duì)于第二種置換網(wǎng)絡(luò)也稱為置亂網(wǎng)絡(luò),本文主要研究一種二維混沌置亂方法來對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行換位加密。

　　混沌現(xiàn)象是非線性動(dòng)力系統(tǒng)中一種確定性的類隨機(jī)過程,混沌信號(hào)具有對(duì)初始值的高度敏感性、不可預(yù)測(cè)性,并具有遍歷性^[2，3]等特點(diǎn)。因此,特別適合于混沌保密通信。本文將Logistic映射生成的混沌序列引入置換網(wǎng)絡(luò),它可以作為理想的置換網(wǎng)絡(luò)地址產(chǎn)生器^[4]。

　　FGPA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)是由掩膜可編程門陣列PLD演變而來的,并將二者的特性結(jié)合在一起,使FPGA既有掩膜可編程門陣列的高邏輯密度和通用性,又有PLD的可編程性。FPGA技術(shù)的發(fā)展使得單個(gè)芯片上集成的邏輯門數(shù)越來越多,其實(shí)現(xiàn)的功能越來越復(fù)雜。它以編程方便、集成度高、速度快等特點(diǎn)受到設(shè)計(jì)人員的青睞。人們可以通過硬件編程的方法設(shè)計(jì)和開發(fā)ASIC(專用集成電路)芯片,極大地提高了芯片的研制效率、降低了開發(fā)費(fèi)用。本文用它來作為混沌序列發(fā)生器,產(chǎn)生置換網(wǎng)絡(luò)的置換地址。

1 Logistic映射及其FPGA實(shí)現(xiàn)

　　Logistic映射由下式定義:

　　Logistic映射的輸入和輸出都分布在(0,1)上,可以用概率統(tǒng)計(jì)方法定量分析其序列的特性,Schuster H.G證明了[5]式(2)產(chǎn)生的混沌序列{xk:k=0，1，2，…}的概率分布密度函數(shù)ρ(x)如下式所示:

　　從式(3)可以看出,Logistic映射生成的混沌序列具有遍歷性,同時(shí)它還具有δ-like型自相關(guān)函數(shù)和零的互相關(guān)函數(shù)^[6],因而可以作為良好的置換網(wǎng)絡(luò)地址產(chǎn)生器。

　　對(duì)于式(2)所表示的Logistic混沌映射,如果用浮點(diǎn)運(yùn)算,計(jì)算的精度與產(chǎn)生混沌序列的周期長(zhǎng)度有以下近似關(guān)系:

　　從式(4)可以看出如果運(yùn)算精度比較小,運(yùn)算結(jié)果將很快脫離混沌態(tài),但運(yùn)算精度過大又會(huì)造成運(yùn)算時(shí)間過長(zhǎng)、使用資源較多,不利于硬件電路的實(shí)現(xiàn)。這里提出一種Logistic混沌映射的整數(shù)實(shí)現(xiàn)方法,在降低運(yùn)算精度的情況下,可以使混沌序列仍保持混沌態(tài)。下面在給出Logistic混沌映射整數(shù)實(shí)現(xiàn)方法的基礎(chǔ)上,給出了它的FPGA實(shí)現(xiàn)方法。

　　Logistic映射的輸入和輸出都分布在區(qū)間(0,1)上,把區(qū)間上的小數(shù)x寫成精度L的二進(jìn)制小數(shù)形式:

　　對(duì)于式(6)確定的混沌系統(tǒng)經(jīng)計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)表明,當(dāng)L=32時(shí),計(jì)算得到的序列未脫離混沌態(tài),因此只要實(shí)現(xiàn)32位乘32位的整數(shù)計(jì)算就能得到混沌序列。(6)式對(duì)于硬件的實(shí)現(xiàn)是很有利的,2L-Xk是Xk的補(bǔ),乘4和除2L分別利用寄存器左移和右移就可以實(shí)現(xiàn),所以關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)32位乘以32位的整數(shù)計(jì)算。

　　Logistic 映射的FPGA實(shí)現(xiàn)原理框圖^[7]如圖1所示,其工作過程是:首先將上一次迭代結(jié)果Xk放入L比特寄存器,如果位是第一次迭代,則將外部輸入的迭代初值X0放入寄存器;然后將其分成兩路,一路將X_k存入2L比特寄存器,另一路取反后加1得到X_k的補(bǔ);對(duì)于將其右移一位,并將移出的最低位分別送到2L個(gè)2輸入與門的其中一個(gè)輸入端,同時(shí)將X_k左移一位后,將2L比特寄存器中的內(nèi)容送入與門的另2L個(gè)輸入端,并將結(jié)果送到2L位加法器,經(jīng)過L次后移位、與和加運(yùn)算后,即得到X_K(2^L-X_K);對(duì)于2L比特移位寄存器中的X_K(2^L-X_K)左移2位后,其中的高L位即為X_k+1,將其輸出并重新輸入到上面的L比特寄存器Xk,令X_k=X_k+1,重復(fù)執(zhí)行以上過程,即生成所需要的混沌序列。

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2 混沌二維置換網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

　　置換網(wǎng)絡(luò)的目的是利用若干步驟的變換,打亂原來每個(gè)元素的位置,使原來有規(guī)則的元素分布在多次變換后顯現(xiàn)無規(guī)則、接近隨機(jī)的分布,從而起到信息保密的作用。這里利用兩個(gè)Logistic 映射產(chǎn)生的混沌序列具有對(duì)初始值的高度敏感性、不可預(yù)測(cè)性及其遍歷性等特點(diǎn),來產(chǎn)生置換網(wǎng)絡(luò)的置換地址。

　　混沌二維置換網(wǎng)絡(luò)框圖如圖2所示,二維m×n置換陣列的存儲(chǔ)單元存放m×n個(gè)明文數(shù)據(jù),混沌序列產(chǎn)生器a和b分別提供二維置換陣列的行地址和列地址,用來選擇要輸出的數(shù)據(jù),如果這一位置的數(shù)據(jù)已經(jīng)輸出,則混沌序列產(chǎn)生器a和b再進(jìn)行一次迭代,直到產(chǎn)生未輸出數(shù)據(jù)的地址為止。這里采用Logistic映射來作為混沌序列產(chǎn)生器。圖中s_i是置換前的明文序列,s_τ(i)是置換后的序列。這里s_i和s_τ(i)的關(guān)系由混沌序列產(chǎn)生器a和b來確定。

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　　置換網(wǎng)絡(luò)的硬件實(shí)現(xiàn)原理圖^[8]如圖3所示,這里將RAM1和RAM2分別映射成E0000～E1FFF和E2000～E3FFF的計(jì)算機(jī)的4K內(nèi)存,并采用DMA方式對(duì)其存取,從而降低了主機(jī)的負(fù)擔(dān),提高了加密的速度。當(dāng)對(duì)一個(gè)文件等進(jìn)行加密時(shí),首先對(duì)XC4010進(jìn)行初始化,并將Logistic映射的迭代初值(密鑰)存入XC4010的寄存器中;然后將加密的明文數(shù)據(jù)文件分成以2K為單位的數(shù)據(jù)段,通過DMA方式將一個(gè)數(shù)據(jù)段存入RAM1中,這時(shí)隔離器2選通,其它隔離器為三態(tài);數(shù)據(jù)傳送完后,用中斷方式通知單片機(jī)W77e58,單片機(jī)按順序讀出RAM1中的數(shù)據(jù),并利用XC4010內(nèi)部?jī)蓚€(gè)Logistic混沌映射產(chǎn)生的序列的高5位和高6位作為RAM2(6116)的11位地址,將讀出的數(shù)據(jù)存入RAM2中,如果兩個(gè)Logistic混沌序列組成的地址與前面的地址一樣,則再進(jìn)行一次迭代;當(dāng)所有RAM1中的數(shù)據(jù)存入RAM2中以后,利用中斷通知計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)置換完成,計(jì)算機(jī)用DMA方式將RAM2中的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存入密文文件中,這樣就完成了一個(gè)2K數(shù)據(jù)段的加密。重復(fù)上述過程將明文文件的其它數(shù)據(jù)進(jìn)行置換加密,從而完成整個(gè)文件的置換加密。解密置換過程與加密置換過程類似,只是數(shù)據(jù)流向相反,即首先將解密數(shù)據(jù)放入RAM2中,再利用XC4010產(chǎn)生的置換地址讀出,并按順序存入RAM1中,RAM1中的數(shù)據(jù)是解密置換后的數(shù)據(jù)。

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　　這里采用具有密集布線資源的Xilinx公司的X4010,來實(shí)現(xiàn)圖1所示的Logistic 映射的迭代運(yùn)算過程。單片機(jī)采用華邦公司的Turbo51系列的W77e58,因?yàn)樗哂兴俣雀?10M的指令周期)、內(nèi)置RAM和ROM、豐富的I/O資源等優(yōu)點(diǎn)。

3 實(shí)驗(yàn)及其結(jié)果分析

　　本文用兩個(gè)Logistic映射產(chǎn)生的混沌序列作為置換網(wǎng)絡(luò)的置換地址,其實(shí)現(xiàn)精度為32位。圖4是由圖3裝置對(duì)圖像的加密置換和解密置換試驗(yàn)結(jié)果。

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　　這里兩個(gè)Logistic映射的迭代初值分別為x₀₁=0.3和x₀₂=0.4,圖4(b)即為圖4(a)加密置換后的圖像,圖4(c)為兩個(gè)Logistic映射的初值分別取x₀₁=0.3+0.1-16和x₀₂=0.4+0.1-16時(shí)進(jìn)行解密置換時(shí)得到的圖像,圖4(d)為兩個(gè)Logistic映射的初值與加密置換取值相同時(shí)進(jìn)行解密置換時(shí)得到的圖像。可以看出,當(dāng)用來產(chǎn)生加密置換和解密置換的混沌序列初始值相差很小時(shí),也無法置換出正確的圖像。如果用窮舉搜索法對(duì)此加密方法進(jìn)行破譯時(shí),其密鑰的搜索量為22×32,可以通過多次置換來增加抗破譯的強(qiáng)度。

　　本文利用混沌序列對(duì)初始值的高度敏感性、不可預(yù)測(cè)性及其遍歷性等特點(diǎn)來產(chǎn)生置換網(wǎng)絡(luò),克服了以往用簡(jiǎn)單的移位、取模、線性變換等實(shí)現(xiàn)置換網(wǎng)絡(luò)的缺點(diǎn)。通過硬件方式實(shí)現(xiàn)了Logistic映射的混沌置亂網(wǎng)絡(luò),并提出一種Logistic混沌映射的整數(shù)實(shí)現(xiàn)方法,給出了它的FPGA實(shí)現(xiàn)方法。試驗(yàn)結(jié)果表明這種置亂方法具有置換速度快的優(yōu)點(diǎn),是一種高抗破譯性置換算法。

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