[發明專利]一種面向硬件實現的輕量級混沌流密碼算法

在審

• 申請號: 202310316428.6
• 申請日: 2023-03-28
• 公開（公告）號: CN116405180A
• 公開（公告）日: 2023-07-07
• 發明（設計）人: 解旭輝;楊杰超;辛玖洋;曾宇;鄧宇昕;帥燕;李燁晨;錢憶寧;王晨宇;陳智
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: H04L9/00
• 分類號: H04L9/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了兩種輕量級混沌流密碼方案及系統，屬于信息安全技術領域。輕量級流密碼硬件實現所需的硬件資源更小，吞吐率和能源效率更高，更適用于物聯網等資源受限的輕量級應用環境下，混沌系統具有實現簡單、復雜度高的特點，很適用于輕量級流密碼算法設計當中。本發明公開了兩種輕量級混沌系統，分別是將N個Tent映射互耦合并設計成一個N維時變(變結構)超混沌系統；以及基于時滯的一維Tent映射。在硬件方面進行了集成電路實現，在安全性方面，進行了密鑰敏感性、熵分析、自相關、NIST?SP?800?22和TestU01等測試分析，驗證了所生成密鑰流的高度復雜性和隨機性。與國際輕量級流密碼標準以及歐洲ECRYPT項目最終入選的輕量級流密碼硬件算法相比，所提出算法需要的硬件資源更少，吞吐率更大，能源效率更高。更適用于物聯網等資源受限的應用環境中。

技術領域

本發明屬于信息安全技術領域，更具體地，涉及兩種輕量級混沌流密碼方案。

背景技術

輕量級密碼是一種針對有限的等效門數、功耗和內存等資源受限的條件下的密碼算法，有簡單、安全、高效等特點。輕量級混沌流密碼是輕量級密碼的的一個重要的應用領域。

傳統的密碼算法側重于提供高水平的安全性能，而忽略了物聯網等資源受限環境下對計算能力、運行內存、存儲空間和功耗的限制，因此迫切需要一種可以應用于資源受限環境下的密碼算法。于是，結合流密碼算法實現簡單、加解密容易、吞吐率高的特點，輕量級流密碼算法便孕育而生了。由于混沌所具有的隨機性、遍歷性、確定性和初值敏感性等基本特性，可被廣泛應用于密碼構造，因此將混沌系統應用來構造輕量級混沌流密碼。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了兩種輕量級混沌流密碼方案及其系統，其目的在于，在資源受限的環境下使用安全有效的密碼算法。

為了實現上述目的，第一方面，本發明提供了兩種輕量級混沌密碼方案及系統，包括：N維時變(變結構)超混沌系統和一維時滯混沌系統；

1)N維時變(變結構)超混沌系統

為了實現該系統，第一方面，本發明提供了一種時變的超混沌系統，包括：時變系統和n個離散混沌系統；；

超混沌在接收到開始指令后，開始第一次迭代，將輸出的初始系統狀態變量作為時變超混沌系統第一次迭代下的系統狀態變量，并將其中的n個狀態值一一對應輸入至延時狀態表中。

時變系統，即變結構，該功能主要是通過延時狀態表來實現的。延時狀態表是一個l×n的表，存了n個Tent系統變量的延遲值的組合值，即對于時刻的延遲值為時刻的狀態變量的組合值。在對數字混沌的序列實現編碼之后，選擇對應編碼的延時狀態構成耦合項，并與原系統耦合，來實現變結構的目的。

時變系統還用于在每一次迭代下，當獲取到n個離散混沌系統生成的離散混沌值后，分別對每一個離散混沌值進行耦合混沌映射，得到當前迭代下的一組耦合混沌值進行輸出，同時將該組耦合混沌值作為耦合混沌系統下一次迭代下的系統狀態變量，并將其中的n個狀態值一一對應輸入至n個離散混沌系統進行下一次迭代；

其中，第k次迭代下對第i個離散混沌值進行耦合混沌映射所得的第i個耦合混沌值為：

X_k+1＝Q_k×(f(Xk₎+ΔK)

其中，f(·)所表達的含義是混沌映射；X和V表示的是系統的狀態變量和控制參數，它們的維數均為n維；ΔK表示的含義是第K次迭代時所構造的耦合項。

進一步優選地，上述耦合模塊在通過耦合混沌映射得到耦合混沌值后，還將所得的耦合混沌值限制在離散混沌系統的吸引域內；