基于Linux平台的混沌保密通信系统的设计与实现

【摘要】伴随着互联网的飞速发展，信息安全问题受到广泛关注，如何保证信息的安全传输成为迫切需要解决的问题。混沌是由确定的非线性系统产生的一种不确定的运动形态，具有初值高度敏感性和类随机性等特性，因此混沌系统产生的伪随机序列可广泛应用于各种信息加密和保密通信之中。为了产生性能良好的伪随机序列，增强保密系统的安全性，本文探索了新的混沌系统。尝试将一种新型电路元件TiO2忆阻器应用于混沌电路的构建之中，设计了一种TiO2忆阻器混沌电路；另外还设计了一个新的离散指数混沌映射。在研究忆阻器混沌系统和离散指数混沌映射的基础上，基于Linux平台设计了一个混沌保密通信系统，实现了语音通信与文本通信。利用两种系统产生的混沌伪随机序列进行加密，提高了系统的安全性。本文主要的研究内容包括以下几个方面：(1)对混沌和忆阻器的基本理论进行研究，推导了惠普实验室构建的TiO2忆阻器数学模型，研究了其基本性质。在此基础上，采用一个有源磁控TiO2忆阻器模型替换一个四阶蔡氏电路中的蔡氏二极管，得到一个基于TiO2忆阻器的五阶连续混沌系统。利用MATLAB进行软件仿真和动力学特性分析，包括Lyapunov指数特性及平衡点与稳定性的分析。最后在DSP实验平台对该混沌系统进行了实验验证，其验证结果与理论分析相吻合。(2)Logistic映射是一个典型的离散混沌映射，但其具有参数少、混沌状态下对应的参数取值范围小等缺陷。为此对Logistic映射进行改进，通过引入指数项及新的系统参数，使得映射在混沌状态下对应的参数范围得到扩展。对该映射进行基本的动力学特性分析，包括Lyapunov指数、分岔及周期窗等研究。最后利用该映射产生混沌伪随机序列，对序列性能进行了NIST测试，并将其与Logistic映射的结果进行了对比。特性分析与NIST测试结果均表明该序列性能良好，因此利用该序列进行加密时具有更高的安全性。(3)在Linux平台下设计与实现了一个保密通信系统。具体是在Ubuntu环境下，通过Linux音频编程和多线程编程实现了语音的全双工通信。基于UDP协议的socket通信实现了文本及语音的局域网传输，利用Qt编写了该应用软件的UI界面。其中加密部分采用忆阻器混沌系统和离散指数混沌映射产生的混沌伪随机序列，加密方案采用一次一密的流密码加密方案，具体实现时采用异或算法。混沌流密码系统的安全性主要取决于混沌信号的复杂性，由于产生的混沌序列具有更好的伪随机性，因此保证了系统的安全性能。最后对该通信系统进行了整体性能测试，达到了预期的实验效果。
【作者】王伟；
【导师】王光义；
【作者基本信息】杭州电子科技大学，电路与系统，2014，硕士
【关键词】混沌；TiO2忆阻器；忆阻器混沌；离散映射；保密通信；

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