[发明专利]一种面向硬件实现的轻量级混沌流密码算法

说明书

本发明公开了两种轻量级混沌流密码方案及系统，属于信息安全技术领域。轻量级流密码硬件实现所需的硬件资源更小，吞吐率和能源效率更高，更适用于物联网等资源受限的轻量级应用环境下，混沌系统具有实现简单、复杂度高的特点，很适用于轻量级流密码算法设计当中。本发明公开了两种轻量级混沌系统，分别是将N个Tent映射互耦合并设计成一个N维时变(变结构)超混沌系统；以及基于时滞的一维Tent映射。在硬件方面进行了集成电路实现，在安全性方面，进行了密钥敏感性、熵分析、自相关、NIST SP 800‑22和TestU01等测试分析，验证了所生成密钥流的高度复杂性和随机性。与国际轻量级流密码标准以及欧洲ECRYPT项目最终入选的轻量级流密码硬件算法相比，所提出算法需要的硬件资源更少，吞吐率更大，能源效率更高。更适用于物联网等资源受限的应用环境中。

技术领域

本发明属于信息安全技术领域，更具体地，涉及两种轻量级混沌流密码方案。

背景技术

轻量级密码是一种针对有限的等效门数、功耗和内存等资源受限的条件下的密码算法，有简单、安全、高效等特点。轻量级混沌流密码是轻量级密码的的一个重要的应用领域。

传统的密码算法侧重于提供高水平的安全性能，而忽略了物联网等资源受限环境下对计算能力、运行内存、存储空间和功耗的限制，因此迫切需要一种可以应用于资源受限环境下的密码算法。于是，结合流密码算法实现简单、加解密容易、吞吐率高的特点，轻量级流密码算法便孕育而生了。由于混沌所具有的随机性、遍历性、确定性和初值敏感性等基本特性，可被广泛应用于密码构造，因此将混沌系统应用来构造轻量级混沌流密码。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了两种轻量级混沌流密码方案及其系统，其目的在于，在资源受限的环境下使用安全有效的密码算法。

为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了两种轻量级混沌密码方案及系统，包括：N维时变(变结构)超混沌系统和一维时滞混沌系统；

1)N维时变(变结构)超混沌系统

为了实现该系统，第一方面，本发明提供了一种时变的超混沌系统，包括：时变系统和n个离散混沌系统；；

超混沌在接收到开始指令后，开始第一次迭代，将输出的初始系统状态变量作为时变超混沌系统第一次迭代下的系统状态变量，并将其中的n个状态值一一对应输入至延时状态表中。

时变系统，即变结构，该功能主要是通过延时状态表来实现的。延时状态表是一个l×n的表，存了n个Tent系统变量的延迟值的组合值，即对于时刻的延迟值为时刻的状态变量的组合值。在对数字混沌的序列实现编码之后，选择对应编码的延时状态构成耦合项，并与原系统耦合，来实现变结构的目的。

时变系统还用于在每一次迭代下，当获取到n个离散混沌系统生成的离散混沌值后，分别对每一个离散混沌值进行耦合混沌映射，得到当前迭代下的一组耦合混沌值进行输出，同时将该组耦合混沌值作为耦合混沌系统下一次迭代下的系统状态变量，并将其中的n个状态值一一对应输入至n个离散混沌系统进行下一次迭代；

其中，第k次迭代下对第i个离散混沌值进行耦合混沌映射所得的第i个耦合混沌值为：

X_k+1＝Q_k×(f(Xk₎+ΔK)

其中，f(·)所表达的含义是混沌映射；X和V表示的是系统的状态变量和控制参数，它们的维数均为n维；ΔK表示的含义是第K次迭代时所构造的耦合项。

进一步优选地，上述耦合模块在通过耦合混沌映射得到耦合混沌值后，还将所得的耦合混沌值限制在离散混沌系统的吸引域内；