束晕混沌同步控制课件

束晕-混沌同步控制及多种加密方法研究 刘 强1） 方锦锦清1） 赵赵 耿2） 李 永1） 1）（中国原子能科学研究院核技术应术应 用研究所） 2）（北京电电子科技学院计计算机系） 2012年10月14日 束晕混沌同步控制 束晕混沌保密通信仿真 信息隐藏 一 二 三 四 网络加密系统 目 录 小 结五 同步控制 混沌应应用 混沌控制 复杂杂网络络 束晕混沌振子方程： a=1.65, b=1.25, =2, K=5. 束流输 运网络 拓扑结结构 一、束晕混沌同步控制 Lyapunov 指数 同 步 判 据 束流输运网络的耦合同步控制 一、束晕混沌同步控制 WS拓扑束流输运网络最大同步误差Dmax随时间变化曲线图, c=2、c=5 SD拓扑束流输运网络最大同步误差Dmax随时间变化曲线图, c=2、c=5 BA? 一、束晕混沌同步控制 束流输运网络的噪声同步控制 噪声是系统内部、外部的随机性 混沌是确定性系统的内在随机性 高斯噪声 100次数值统计 一、束晕混沌同步控制 WS拓扑束流输运网络最大同步误差Dmax随时间变化曲线图 (a) c=1,(b) c=2,(c) c=5,(d)c=8. (a) (b) (c) (d) 一、束晕混沌同步控制 (a) (b) (c) (d) SD拓扑束流输运网络最大同步误差Dmax随时间变化曲线图 (a) c=1,(b) c=2, (c) c=5, (d) c=8. 一、束晕混沌同步控制 (a) c=1 (b) c=2 BA拓扑束流输输运网络络同步误误差Dmax与随时间时间 T的变变化曲线线 (c) c=5 拓扑结构对同步 控制有着比较大 的影响！ 一、束晕混沌同步控制 束流输运网络的周期态同步控制 混沌吸引子包含无数个不稳定周期态，通过引入控制器的方法 可以将一个束晕-混沌系统控制到它的某个周期态 一、束晕混沌同步控制 BA拓扑束流输输运网络络x1、x2随时间时间 曲线线及最大同步误误差Dmax随时间变时间变 化曲线图线图 ，m=3，c=1 WS拓扑束流输输运网络络x1、x2随时间时间 曲线线及最大同步误误差Dmax随时间变时间变 化曲线图线图 ，c=1 SD拓扑束流输输运网络络x1、x2随时间时间 曲线线及最大同步误误差Dmax随时间变时间变 化曲线图线图 ，c=1 束晕-混沌振子有两个平衡点分别为：xeq1= 1.41, 0, 0，xeq2 =-1.41, 0, 0 不同平衡点的分区控制： 束流输运网络的多目标牵制控制 一、束晕混沌同步控制 WS-BTN系统中分区的不同平衡点控制结果 不同平衡点的分区控制： 一、束晕混沌同步控制 BA-BTN系统中分区的不同平衡点控制结果 不同平衡点的分区控制： 一、束晕混沌同步控制 平衡点和周期态的分区控制 WS-BTN系统中分区的平衡点和周期态控制结果 一、束晕混沌同步控制 BA-BTN系统中分区的平衡点和周期态控制结果 平衡点和周期态的分区控制 53 一、束晕混沌同步控制 混沌简介混沌简介 1.对初始条件的敏感性； 2.最大Lyapunov指数大于0 ； 3.在相空间内是有界的； 4.具有分型和自相似结构； 5.具有遍历性； 由于混沌对初始条件的敏感依赖性,能产生数量 众多、非相关、类随机而又确定可再生的混沌 序列,并且这类序列非常适合作为保密通信密码 。 二、束晕混沌保密通信仿真 几类典型混沌系统 1 Lorenz系统 2 Henon系统 3 logistic系统 4 蔡电路系统 5 束晕混沌系统 二、束晕混沌保密通信仿真 混沌保密通信优点: ( 1) 保密性强、抗干扰能力； ( 2) 具有高容量的动态存储能力； ( 3) 具有低功率和低观察性； ( 4) 设备成本低。 混沌保密通信技术分为四类： 一:混沌遮掩 二:混沌开关 三:混沌调制 四:数字混沌通信 二、束晕混沌保密通信仿真 通常加速器中的束流传传输系统（网络）（简称 BTN）的束流失匹配、离子的非线性共振等作用都 会导致强流离子束产生束晕-混沌现象，束晕-混沌离 子束包络的方程经过变量变换可以写成以下形式： 采用matlab的 simulink工具箱作 为电路仿真软件 单个束晕-混沌振子电路图 图中蓝色线框内为方程组（1）中第一个变量x1的仿真电路；绿色线框内为方程组（1）中第 二个变量x2的仿真电路；红色线内为方程组（1）中第三个变量x3的仿真电路。 二、束晕混沌保密通信仿真 (a)正弦信号 (b)混沌信号 (c)加密信号 (d)解密信号 利用驱动驱动 -响应应混沌同步信号对对正弦信号进进行加密过过程图图 图中subsystem1模块（红色框 ）和subsystem2（蓝色框）模 块分别为两个子系统即两个初值 不同的束晕-混沌振子电路。子 系统1有一个输出端作为驱动-响 应同步电路的驱动端，子系统2 有一个输入端和一个输出端作为 驱动-响应同步电路的响应端。 驱动-响应同步保密通信电路 二、束晕混沌保密通信仿真 小世界拓扑耦合同步保密电电路图图 在电路中加入了20个子系统即20个束晕-混 沌振子，各个振子之间通过电路连接构成 小世界耦合同步网络，可得到规模为20的 小世界拓扑耦合同步保密通信电路。 (a)正弦信号 (b)混沌信号 (c)加密信号 (d)解密信号 利用小世界拓扑耦合混沌同步信号对对正弦信号进进行加密过过程图图 二、束晕混沌保密通信仿真 多局域小世界拓扑耦合同步保密通信电路 (a)正弦信号 (b)混沌信号 (c)加密信号 (d)解密信号 图图9利用多局域小世界拓扑耦合混沌同步信号对对正弦信号进进行加密过过程图图 局域世界1和局域世界2分别为两个独立的小 世界耦合同步电路，规模均为20。局域世界 1和局域世界2之间有三条边相连，这样就构 成了多局域小世界耦合电路。这样利用多局 域小世界拓扑耦合控制就能够实现对电路中 每个束晕混沌振子的同步控制得到同步信号 。 二、束晕混沌保密通信仿真 （c）解密图图像 利用混沌保密信号对图对图 像进进行加密图图 （a）原始图图像 （b）加密图图像 二、束晕混沌保密通信仿真 三、网络加密系统 利用互联联网进进行混沌加密系统统通信的示意图图 混沌加密系统的硬件开发平台 采用Xilinx公司的ISE软件进 行开发，ISE软件是使用 Xilinx的FPGA平台的必备的 设计工具，它可以完成FPGA 开发的全部流程，包括设计输 入、仿真、综合、布局布线、 生成BIT文件、配置以及在线 调试等，功能非常强大ISE 软件的功能完整，使用方便， 能够提供最佳的时钟布局、更 好的封装和时序收敛映射，从 而获得更高的设计性能 三、网络加密系统 Nexys2是一个数字化系统设计平台。板上集成了16Mbytes高速SDRAM和 16Mbytes Flash ROM，使其能够完全兼容嵌入式处理器。并且集成高速 USB2.0端口以及大量I/O采集设备，数据端口和扩展连接器。 三、网络加密系统 混沌加密算法包括Henon映射迭代、Feistel密钥变换钥变换 、Logistic映射 生成替换换表和Feistel加（解）密变换变换 四部分，其中Henon映射和Lo- gistic映射生成替换换表为为混沌加密算法，Feistel密钥变换钥变换 和Feistel加 （解）密变换变换 是传统传统 加密算法 Henon映射公式： 用户输户输 入64位初始密钥钥K的前32位作为为x变变量的初值值x(0)，将后32位作为为x变变量的 初值值y(0)，进进行100次的Henon映射迭代，将第97次到第100次迭代得到的x变变量的小 数位（前32位）组组合作为经过为经过 Henon映射迭代加密的加密密钥钥MK： Feistel密钥变换： 三、网络加密系统 三、网络加密系统 Logistic映射的序列分叉-混沌图图 Logistic映射 采用Logistic混沌映射将8字节实数转换为1 字节整数，公式如下所示： 混沌映射替换换表g为为： 三、网络加密系统 Feistel加、解密算法 第一轮： 第十二轮： 函数形式为为： 三、网络加密系统 使用ISE开发软件将上述的加密算法利用Verilog HDL语言进行编写、仿真和封装 ，这样计算机可通过USB接口与FPGA开发板的USB接口通信，能够将需要加、 解密的明文数据通过FPGA开发板的USB接口传输到加密芯片，实现对明文数据 的加、解密 对对混沌加密系统进统进 行了两种实验实验 ： 对对需要加密的文字，包括字母、数字、汉汉字等进进行加密，原文是“中华华人民共和国 abcd1234”，加密之后的密文变为变为 ：“抗颐颐、獦雄婴婴袚XZ” 直接对对需要加、解密的文件进进行加、解密，原文件、加密文件和解密文件如下图图所示 ，从图图可见见：文件的加、解密的效果很好，这说这说 明本文提出的算法对对密钥变钥变 化具有高 度敏感性，该该算法达到了扩扩散、置乱和混淆的保密效果，从而证证明基于混沌和传统传统 加 密相结结合的保密方法有效性，并且其实验实验 装置已经经通过过互联联网络络的保密试验试验 取得了成 功 原文件图图加密文件图图 解密文件图图 三、网络加密系统 信息隐藏：采用图像作为隐藏消息的载体。 JPEG是目前最常见的一种图像格式，其先进的压缩技术使得JPEG文件占用的 磁盘空间较少，并且可以通过不同的压缩比例来调节图像的质量。正是由于 JPEG这方面的杰出表现，它也成为网络上使用最多的图像格式。 采用JPEG图像作为隐藏消息的载体 具有许多优点。 首先，JPEG图像格式是互联网上图 像传输的事实标准，使用这一图像格 式比起其它格式来更不会引起怀疑。 其次，JPEG压缩造成的和秘密消息 嵌入带来的图像质量退化是肉眼很难 分辨的。 四、信息隐藏 方案：利用AES把信息文件 进行加密，然后把加密后的 文件通过选定的JPEG图像以 特定算法进行隐藏。 四、信息隐藏 JPEG编码流程: 图片在显示器上输出时使用的是真彩色RGB颜色模型，而JPEG格式使用的是YUV颜色模型，因此在对JPEG文 件编码时首先需要进行颜色转换,对于转换后的数据可采取一定比例对Y、U和V分别进行采样，常见的为4：1：1( 如图所示)，即 Y 是每点采样一次, 而U和V是 22 点采样一次，其中的点为一个88像素组成的数据块，然后以最 小编码但愿MCU为单位顺序将每个88块进行下面几个步骤的操作：离散余弦变换（DCT）、量化、编码，具体 流程如图所示。 采样格式的MCU组成 四、信息隐藏 图像信息隐藏流程图 隐藏信息提取流程图 对每个MCU中Y分量的 DCT系数进行低位隐藏 在JPEG编码中，量化过程是多对一的映射，它是有损变换过程，如果在量化前嵌入秘密消息，会丢失一些信息， 从而导致解码时不能正确的获得秘密信息。因此，JPEG图像的隐写算法的基本原理必须在量化后进行。由前所述 ，人眼对亮度信号比对色差信号更敏感，因此本工作将秘密消息与量化后的Y分量的DCT系数的LSB联系起来，从 而达到嵌入和提取秘密信息的目的。隐藏流程如图所示 载体图像， 载密图像 视觉检测：不可见性是信息 隐藏技术的基本要求之一， 嵌入适量隐藏信息的数字图 像不会产生视觉异常。图中 左侧是载体图像，右侧是载 有最大容量的载密图像，二 者从视觉上看不出明显区别 。 隐藏效果 如果图像的行数为H，列数W，则隐藏容量 约为 HW/32 字节； 效果检测：利用/提 供的信息隐藏检测工具xsteg进行检测。 灵敏度 隐藏容量越低，越难检测出！ 四、信息隐藏 五、小 结 一、利用束晕-混沌同步控制的方法作为保密通信电路的设计原理，分别设计 了驱动-响应同步、小世界拓扑耦合同步以及多局域小世界拓扑耦合同步的保 密通信电路。 二、在加密算法方面将混沌加密算法和传统加密算法相结合，混沌加密算法 中使用了两种混沌映射进行迭代，分别是Henon映射和Logistic映射， Henon映射用于产生初始密钥的迭代，而Logistic映射则是用于产生置换表 ，传统加密算法方面采用了Feistel加、解密变换混沌加密系统的加密算法 复杂度、抗穷举破译难度更高， 三、算法采用Verilog HDL语言进行编写，可移植到其他FPGA开发板上混沌 加密系统的硬件采用的是Xilinx公司的FPGA开发板混沌加密系统通过访问 FPGA开发板的USB接口，将需要