（电路与系统专业论文）基于sopc技术的数字图像混沌保密通信研究.pdf

摘要 摘要 随着i n t e m e t 技术与多媒体技术的飞速发展，大量的敏感图像信息开始通过公共通 信设施或计算机网络来进行交换，近年来，密码学的一个重要组成是图像加密技术。 基于像素置乱的加密算法是图像加密技术中重要的一环，加密系统的安全性能主要取 决于算法的保密性能，而且，不符合现代密码学体制。 同时，语音和视频的加密问题也引起了研究者的极大关注。传统的加密算法如 d e s 、i d e a 、b l o w f i s h 、r s a 等，理论上可以用于数字视频加密，但上述方法并未考 虑到视频文件的自身特点，势必会导致文件的结构被破坏，又因为视频文件的海量特 性，上述算法加密的速率无法得到保证因此研究新的安全性高且加密速度快的视频 加密算法是非常必要的。 在本文中，首先在数字图像加密方面进行了研究，利用三维的c h u a 氏8 涡卷混沌系 统的驱动式响应同步来设计数字图像加密方案，这也是目前研究混沌保密最多的一种 同步方案。然后，通过在m a t l a b 软件中仿真验证。最后，通过细微的改变混沌系统的参 数来验证加密方案的安全性能。在数字图像仿真实验取得通过之后，再进一步考虑， 在对数字视频进行混沌加密处理的研究中。针对a v i 视频文件的特性，利用传统视频加 密算法中的完全视频加密算法对采集到的视频文件进行混沌加密处理，并分析了加密 系统的保密特性。 在第四、五章节中，主要提到了一种基于f p g a 的s o p c 嵌入式以太网传输的数 字图像混沌保密通信方案。这也是混沌保密研究中，极少数的把混沌加密系统用硬件 来实现的研究。在混沌加解密算法实现方面，首先利用我们采用的连续的混沌系统作 离散化处理，在使用嵌入式解决方案的l i n u x 操作系统下，以6 涡卷j e r k 系统为例， 混沌加密和解密的数字序列在我们使用的开发板上产生。根据混沌系统同步的原理， 在x i l i n x 公司的v 2 p 的大学计划的f p g a 开发平台上，通过嵌入式以太网传输，实现 了静止彩色图像混沌保密通信。在l i n u x 操作系统下仿真实现，然后分析了加密的保 密性能，最后，通过拍摄的显示相片，进一步分析此方案的安全性能。 关键词l6 涡卷j e r k 系统；s o p c ；以太网；l i n u x 操作系统；视频混沌加密 广东工业大学硕士学住论文 a b s t r a c t w i t hi n t e r a c tt e c h n o l o g ya n dm u l t i m e d i at e c h n o l o g yr a p i dd e v e l o p m e n t , al o to f s e n s i t i v ei m a g ei n f o r m a t i o nt h r o u g hp u b l i cc o m m u n i c a t i o n sf a c i l i t i e so rs t a r tc o m p u t e r n e t w o r kt oe x c h a n g e i nr e c e n ty e a r s ，i m a g ee n c r y p t i o nt e c h n o l o g yh a sb e c o m ea ni m p o r t a n t b r a n c ho fc r y p t o g r a p h y t h et r a d i t i o n a li m a g ee n c r y p t i o nt e c h n o l o g yi sak i n do fb a s e do n p i x e ls c r a m b l i n ge n c r y p t i o na l g o r i t h m t h es y s t e m ss e c u r i t yd e p e n d so nt h ea l g o r i t h mo f c o n f i d e n t i a l i t y , a l g o r i t h mn o n d i s c l o s u r e ，d o n tm e e tm o d e mc r y p t o g r a p h ys y s t e m m e a n w h i l e ，v o i c ea n dv i d e oe n c r y p t i o np r o b l e mh a sc a u s e dt h er e s e a r c h e r se n o r m o u s a t t e n t i o n t h et r a d i t i o n a le n c r y p t i o na l g o r i t h m ss u c ha sd e s ，b l o w f i s h , r s a ，e t c ，i nt h e o r y c a nb eu s e di nd i g i t a lv i d e oe n c r y p t i o n , b u tt h ea b o v em e t h o dv i d e of i l ew a sn o tc o n s i d e r e d t 0i t so w l lc h a r a c t e r i s t i c s t h i sw i l ll e a dt of i l es t r u c t u r ew a sd a m a g e d , a n db e c a u s et h ev i d e o f i l e sl i q u o rc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ea b o v ea l g o r i t h m se n c r y p t e dr a t ec a n tg u a r a n t e e d s ot h en e w 1 l i g hs e c u r i t ya n de n c r y p t i o ns p e e d v i d e oe n c r y p t i o na l g o r i t h mi sv e r yn e c e s s a r y i nt h i sp a p e r , f i r s ti nd i g i t a li m a g ee n c r y p t i o na r es t u d i e d ，u s i n gt h r e e - d i m e n s i o n a l c h u a se i g h tv o r t e xv o l u m e so fc h a o t i cs y s t e m sd r i v e nt y p er e s p o n s et od e s i g nad i g i t a l i m a g ee n c r y p t i o ns y n c h r o n i z a t i o ns c h e m e t h i sa l s oi si nt h ep r e s e n ts t u d yt h em o s tc h a o t i c c o n f i d e n t i a ls y n c h r o n o u ss o l u t i o n u s em a t l a bs i m u l a t i o ns o f t w a r e f i n a l l y , t h r o u g hs u b t l e c h a n g e si nt h ep a r a m e t e r so fc h a o t i cs y s t e mt ov e r i f yt h es a f e t yp e r f o r m a n c eo fe n c r y p t i o n s c h e m e i nd i g i t a li m a g es i m u l a t i o ne x p e r i m e n ta f t e ro b t a i n e dt h r o u g h ，f u r t h e rc o n s i d e r a t i o n , d i g i t a lv i d e oa r ei nc h a o se n c r y p t i o np r o c e s s i n gr e s e a r c h a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f v i d e of i l e so fa v i ，u s i n gt r a d i t i o n a lv i d e oe n c r y p t i o na l g o r i t h mf o rt h ev i d e oe n c r y p t i o n a l g o r i t h mc o m p l e t e l yv i d e of i l e st oc o l l e c tc h a o se n c r y p t i o np r o c e s s i n g ，a n da n a l y z e st h e c o n f i d e n t i a l i t yo f t h ee n c r y p t i o ns y s t e mf e a t u r e s i nt h ef o u r t ha n df i f t hc h a p t e r , m a i n l yb a s e do nf p g am e n t i o n e dt h es o p ce m b e d d e d e t h e r n e tt r a n s m i s s i o nd i g i t a li m a g ec h a o t i cs e c u r ec o m m u n i c a t i o ns o l u t i o n s r a r e l yh a v et o c h a o se n c r y p t i o ns y s t e mh a r d w a r et oa c h i e v e 、析t l lt h ec a s e i nc h a o se n c r y p t i o na l g o r i t h m , f i r s t l y ，t h ee u l e ra l g o r i t h ma n dv a r i a b l es c a l ee x p a n s i o nt r a n s f o r m , f o rc o n t i n u o u s - t i m e c h a o t i cs y s t e mo fd i s c r e t i z e d i ne m b e d d e dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e m , 、析t hs i xr o l lj e r ks y s t e m f o re x a m p l e ，f p g at op r o d u c e 嬲e n c r y p t i o na n dd e c r y p t i o nc h a o t i cd i g i t a ls e q u e n c e i n s y s t e md e s i g na n dh a r d w a r er e a l i z a t i o n , a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fd r i v i n gr e a c t i v e s y n c h r o n i z a t i o n , i nx i l i n x v i r t e x i ip r o sf p g ad e v e l o p m e n t p l a t f o r m , t h r o u g ht h e h a b s t r a c t e m b e d d e de t h e r n e tt r a n s m i s s i o n , r e a l i z et h es t a t i c i m a g e w i t l lc o l o rc h a o t i cs e c u r e c o m m u n i c a t i o n i nt h el i n u xo p e r a t i n gs y s t e ms i m u l a t i o n ，t h e ni ta n a l y s e st h ee n c r y p t e d c l a s s i f i e dp e r f o r m a n c e t h r o u g ht h es h o wp h o ms h o o t ，f u r t h e ra n a l y s i st h i ss c h e m et h e s a f e t yp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：6s c r o l lj e r ks y s t e m ；s o p c ；e t h e m e t ；l i n u xo p e r a t i n gs y s t e m ；v i d e oc h a o t i c e n c r y p t i o n 1 i i 广东工业大学硕士学住论文 c o n t e n t s a b s t r a c t ( c h i n e s e ) i a b s t r a c t i i c o n t e n t s ( c h i n e s e ) i v c o n t e n t s c h a p t e r 1e x o r d i u m 1 1 1i n t r o d u c t i o n 1 1 2t h ed e v e l o p m e n to fc h a o t i cs e c u r ec o m m u n i c a t i o nr e s e a r c hp a p e r 2 1 3t o p i cb a c k g r o u n da n dr e s e a r c hs t a t u s 3 1 4t h i sr e s e a r c hc o n t e n t sa n dc h a p t e r sa r r a n g e m e n t 5 1 4 1t i i ：sr e s e a r c hc o n t e n t s 5 1 4 2t h i sr e s e a r c hc h a p t e r sa r r a n g e m e n t 6 c h a p t e r2 b a s e do nc h a o t i cs y s t e m sd i g i t a li m a g ee n c r y p t i o na n ds i m u l a t i o n 7 2 1i n t r o d u c t i o n 7 2 2t h em a i nm e t h o d so fc h a o ss y n c h r o n i z a t i o n 7 2 38 - s c r o l lc h u ac h a o t i cs y s t e m s 10 2 4w i t h8 - s c r o l lc h u as y s t e mi m a g ee n c r y p t i o ns c h e m e 11 2 5s o f t w a r ea l g o r i t h ms i m u l a t i o na n da n a l y s i s 13 2 6c h a p t e rs u l n n l a l y 1 4 c h a p t e r3d i g i t a lv i d e oe n c r y p t i o nb a s e do nl o r e n zc h a o t i cs y s t e m 15 3 1i n t r o d u c t i o n l5 3 2a v iv i d e of i l e sa n dv i d e oe n c r y p t i o na l g o r i t h m 15 3 2 1a v iv i d e of i l es t r u c t t t r ec h a r a c t e r i s t i c s 15 3 2 2v i d e oe n c r y p t i o na l g o r i t h m 1 6 3 3l o r e n zc h a o t i cs y s t e m s 17 3 3 1l o r e n zs y s t e mi n i t i a lc o n d i t i o n ss e n s i t i v i t y 1 7 3 3 2t h ed i s c r e t i z a t i o no f l o r e n zs y s t e m 18 3 3 3l o r e n zs y s t e ml y a p u n o vs t a b i l i t ya n a l y s i ss y n c h r o n i z a t i o n 1 9 3 4l o r e n zc h a o ss y s t e mb a s e do nt h ev i d e oe n c r y p t i o na l g o r i t h md e s i g n 2 0 ：；4 1a v iv i d e of i l el o a d i n g 2 0 3 4 2v i d e oe n c r y p t i o ns c h e m e 2 0 3 5m a t l a bs o f t w a r es i m u l a t i o nr e s u l t sa n da n a l y s i s 2 1 v i c o n t e n 丁s 3 6c h a p t e rs u m m a r y 2 3 c h a p t e r 4t h es o p ct e c h n o l o g yb a s e do nf p g a p l a t f o r m 2 4 4 1m o d e mf p g at e c h n o l o g ya n di t sd e v e l o p m e n t 2 4 4 2l i n u xn e t w o r kp r o g r a m m i n g 2 6 4 2 1s o c e k c to v e r v i e w 2 6 4 2 2s o c k e tn e t w o r kp r o g r a m m i n g 2 7 4 3x i l i n xf p g a t e c h n o l o g ya n dt h es o p cd e v e l o p m e n t 2 9 4 4t h es o p cs y s t e md e v e l o p m e n tt o o l sa n dd e v e l o p m c n tp r o c e s s 31 4 5c h a p t e rs u m m a r y 3 4 c h a p t e r 5c h a o sd i g i t a li m a g ee n c r y p t i o ne t h e m e tt r a n s m i s s i o nr e a l i z e dt h es o p c 3 5 5 1c h a o sd i g i t a li m a g ee n c r y p t i o nt e c h n o l o g y ”3 5 5 1 1t h ec h a r a c t e r i s t i c so f c h a o t i cs y s t e m s 3 5 5 1 2d i g i t a li m a g ee n c r y p t i o nr e s u l t sv e r i 砖a n dp e r f o r m a n c ea n a l y s i s 3 6 5 2c h a o se n c r y p t i o ne t h e m e tt r a n s m i s s i o ns y s t e mo v e r a l ld e s i g ns c h e m eo fs o t 陪w a r e a n dh a r d w a r e 3 7 5 3b a s e do nf p g as o p ch a r d w a r ed e s i g np l a t f o r mo f 3 9 5 4l i m l xo p e r a t i n gs y s t e mc o n f i g u r a t i o na n df i l es y s t e mi n s t a l l a t i o n 4 0 5 4 1l i n u xo p e r a t i n gs y s t e mc o n f i g u r a t i o n 4 0 5 4 2f i l es y s t e mi n s t a l l a t i o n 4 1 5 5t h ej e r kc h a o t i cs y s t e m ss e c r e tc o m m u n i c a t i o nd e s i g n 4 1 5 6h a r d w a r es y s t e mr e a l i z a t i o na n dp e r f o r m a n c ea n a l y s i s 4 3 5 7c h a p t e rs u m m a r y 4 5 c o n c l u s i o n 4 6 r e f e r e n c e s 4 8 p u b l i s h e dp a p e rs t u d i n g 5 2 a n n o u n c eo fo r i g i n a lc r e a t i o n 5 3 a c k n o w l e d g e m e n t 5 4 v h 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 二十世纪五十年代以来，非线性系统学科发展的相当迅速。这主要是因为我们周 围的自然和社会组成是不简单的，它不能够用一般的简单的规律来描述它。而是必须 用非线性科学方程来表述它。同时，由于他们都是非线性方程，用数学的概念来解释 的话，它们大多数没有解析解。在研究过程中，我们发现一个非线性系统再受到某种 干扰，或者个别参数产生改变时，会变得无序，甚至会进入到混沌状忽卜，l 。 在相对论和量子力学之后，人类历史上，在物理学方面最伟大的发现之一就是混 沌理论，它不仅仅是一个学科的开创，而且是开创了物理学方面的一个新的范例，同 时，也为我们清楚的认识人类世界和社会的动态运动的规律提供了崭新方法和方式。 因此，自然界的混沌理论的研究和实验成为最近五十年以来非线性学科发展中的必不 可少的方向。伴随着混沌理论研究的一步一步的发展，人民在研究中，揭露出了许多 的混沌的特点和规律到目前为止，我们所知道的混沌系统的特有特性包括系统的非 周期性、长期的不稳定性、不可预测性、普适性、奇异吸引子、内在的随机性、无穷 嵌套的自相似几何结构等。 目前，混沌理论在各个方面都取得了一定的的突破。包括广度和宽度两个方面。 最主要的是，从上个世纪末开始，科学家在对混沌的自动控制以及混沌理论的同步的 方法研究上取得的成果，这也导致了目前国际和国内的不少的专家对这两个方面的研 究进行了高度的重视，这不仅为这两方面的进步起到了很大的推动作用，同时，也带 动其他的学科的发展，其中，包括一些物理学、数学、控制理论等相关领域的科学家 的高度重视，这不仅使其成为在混沌领域的即非线性科学领域成为研究热点和前沿学 科，也拓展到了其他的领域当中去，促使了各个学科的并行的发展。但是，从目前对 混沌控制的研究来看，混沌理论导致目前的大范围的研究并非是偶然的，它是混沌在 长期的发展中自然而然的产生的，是一个水到渠成的过程，到目前为止，我们可以把 混沌理论的发展大致的分为几个阶段。首先，是系统从有序态到混沌态，在这一阶段 中主要是研究混沌系统产生的初始条件、机制：其次，是混沌系统中的有序态，主要 是研究混沌系统中的特征普适性和混沌吸引子的分形结构等；现在，主要是从控制混 沌系统达到有序态，我们不仅要控制混沌，希望能主动的去利用好混沌，把混沌在有 广东_ t - i k 大学硕士学位论文 害的状态都消除掉，相反的，在想利用混沌的独有特性时，又能够控制好混沌，使具 有很多特性的混沌系统能归我们所用【7 】。 人们几乎是在开始研究混沌控制与同步的同时，就开始了其保密通信方面的研究。 在最近的几十年的时间里，把混沌系统应用到密码学中去是很多专家和学者所梦寐以 求的事情，由于混沌系统天生所具有的特性，以至于把它应用到密码学中去并不是很 难的一件事情，这主要是因为我们利用的混沌系统有几个重要的特性：对初始条件和 系统参数的高度敏感性，以及，长期不稳定的轨道和系统的类随机行为，所有的以上 特性对于我们创建密码来说都是十分有利的。由于我们研究的混沌系统所具有的这些 独特的特性，使我们把混沌系统应用予保密通信成为可能，同时也能满足密码学的要 求。1 ) 、大部分的混沌系统都是可以用具体的方程描述性的，是有很强的数学理论依 据来支撑的，这样的系统方程就为混沌系统应用在收发过程的加解密提供了最基本的 保障。2 ) 、同时，根据科学家香农早期提出的通信密码学的理论原则来看，混沌系统 所具有的对初始条件的高度敏感性以及发散性，使其能满足加密的扩散原则。3 ) 、除 了第二点中的扩散原则外，香农还提出了一个密码学设计的原则，即混淆原则，从混 沌系统的特性来看，通过观察混沌吸引子，我们发现它具有的拓扑传递性与混合性， 这正好也满足了香农所提出的混淆原则。4 ) 、除此之外，混沌系统还具有长期的不可 预测性，这也是密码学方面很重要的一点，它为密钥的选择提供了一个巨大的空间， 也为混沌保密通信的安全性能提供了一定的保障【7 n l 。因此，由以上可知，通过对混沌 特性的研究，把混沌技术应用于保密通信领域是一个不可改变的趋势，这也导致了众 多的专家学者开始研究混沌保密技术，并且在这一领域取得了众多的混沌密码理论与 应用研究方面的进展。 1 2 混沌保密通信研究的发展概述 混沌保密通信的研究一直以来都是混沌研究的重中之重，从上世纪的8 0 年代起， f u j i s a k a 与y a i i l a d a 两人主要致力于对混沌在同步方面的研究，同时取得了令人瞩目 的成就，之后，在上世纪末期，o g y 对混沌控制的研究也取得长足的发展，就是因为在 这些方面，各位科学家都取得了重要的进步，这就导致了混沌理论在各个领域的发展， 扩展其在各个领域的延伸性。因此，吸引了一大批的科技工作者，所以，目前在许多 地方都成立了各种各样的混沌科学研究机构，如马里兰混沌研究小组，以及香港的香 港城市大学的混沌控制与同步研究中心。这些都是混沌理论在保密通信领域取得了重 2 第一章绪论 大发展之后慢慢成立起来的。这些专业机构的成立，也为混沌保密通信的研究提供了 更好的平台和资源。 在前期，最先是由科学家t a n g 等再研究混沌系统的同步控制时发现的，他们在研 究混沌系统的同步的时候，同时提到了把混沌用于保密通信的想法。这就是后来混沌 保密通信应用研究的前奏。其基本的思路就是：希望能在传输的信号源上，加上混沌 信号，通过这种叠加的方式，使整个信号源在传输的信道上成为了一种噪声信号，这 样被截取的信号已经不是原信号了，很好的起到了保密的效果，最后，在接收端，通 过对已经叠加了混沌信号的信号进行同步的解密操作，这样就能实现混沌系统的加密 解密过程。 1 9 8 7 年，i e e e p r o c e e d i n g s 总结了前人的理论研究，出版了关于混沌理论研究的 总结论文，主要工作就是全面的总结了之前的混沌理论研究工作以及在此研究过程中 所取得的骄人的成果。1 9 9 2 年，k o c a r e v 等人通过进一步的实验验证了，混沌的同步过 程是过程稳定的，它不会随着混沌系统的扰动所改变同步的特性，同时也证明了混沌 同步在保密通信中的巨大的重要性。1 9 9 3 年，k m c u o m o 和a v o p p e n h e i m 两人在 t a n g 的基础上，进一步研究得到，通过实现混沌系统的同步操作可以进行混沌保密通 信操作，这也是历史上的一个混沌系统保密通信方案。1 9 9 7 年，美国著名的伯克利大 学的“混沌系统保密和扩频通信小组 在同步研究的基础上，又提出了更加先进的脉 冲同步法，同时，通过实验验证得到，在l o r e n z 系统上实现了的脉冲同步。这位混沌 同步的研究又奠定了一个新的里程碑。1 9 9 9 年，在前人l o r e n z 系统脉冲同步调制的研 究基础上。i t o h 和l 0 c h u a 等几人一起实现了超混沌c h u a 氏电路脉冲同步的通信方 案i t 4 1 ，这是人们首次将脉冲同步方式应用于c h u a 氏电路当中。 1 9 9 7 年，i e e e 电路与系统组以“混沌同步、控制及其应用 为题出版了混沌理论以 应用的专刊。2 0 0 0 年i e e e 电路与系统组以“非相干混沌通讯 为题出版了相应的混沌 理论和应用的论文，进一步显示了混沌保密通信在应用上取得的重大发展。2 0 0 1 年， i e e e 电路与系统组又以“混沌技术在现代通讯系统中的应用 为主题，出版了相应混 沌理论及应用专刊，通过三年出版的三本专刊，为混沌保密通信在各个领域，最重要 的是保密通信领域的研究提供了极为重要的理论和应用依据 t 4 - 2 0 。 1 3 课题背景和研究现状 自从提出混沌同步的概念以来，混沌用于保密通信就成为了人们的共识，目前已 广东工业大学硕士学位论文 提出了许多的方案，其中包括用驱动响应同步的方法和用逆系统同步的方法实现 保密通信等等。混沌信号的非周期性连续宽带频谱，类似噪声的特性，使它具天然的 隐蔽性。由于，混沌理论在同步方面的研究日趋增加，理论研究成果的也越来越多， 越来越丰富。这就为混沌应该于通信领域提供了很好的技术支持。混沌加密算法有它 的特殊性，它与一般的加密算法有许多的不同之处，主要体现在，混沌加密算法可以 看成是动态的，它并不是和密钥长度相关联的，因此，混沌加密算法在实现的过程当 中，有更快的处理速度，这样一种特性，导致了混沌加密算法可以应用于静态加密和 实时信号加密。同时，我们在研究中需要看到的是，通常情况下，离散的混沌系统应 用于数字保密通信时，通常会遇到这样一个问题，离散的混沌系统由于是有限精度的， 因此在这种情况下，就造成了应用和理论上的差别。归结原因，主要是因为我们研究 的大部分的混沌系统都有其状态方程，而且都是复杂的数学方程式，又因为是混沌系 统，这个状态方程并不能得到解析解，这就造成了以上的后果。想要处理以上特性所 带来的结果，我们必须经过一系列得实验。 混沌序列的特性类似随机过程，与白噪声类似，对初始值极其敏感。自英国数学 家m a t t h e w s 提出一类混沌加密的方法以来，各种各样的基于混沌的加密算法相继被提 出如y e n j c 使用c k b a 的加密方法，s c h a r i n g e r j 使用k o l m o g o r o v 流的图像加密算法， f r i d r i c hj 用个二维混沌映射创建了对称图像加密方案；l is j 提出个c v e s ( c h a o t i c v i d e oc n c r y p t i o ns c h e m e ) 的视频加密方法。然而在目前的论文中，对一维和二维混沌系 统的研究仍是混沌序列进行图像加密的主要研究方向。其中最广泛应用的是基于 l o g i s t i c 映射的图像加密方案，其主要优点是形式简单、产生混沌时序时间短；但存在 密钥空间太小的缺陷，这样就不能抵抗住计算机解密的进攻，文献针对这种缺点有了 相应的攻击方法。由于使用的低维的混沌系统，这就导致了保密性能的减弱，只需要 通过相空间重构，截获足够多的密钥，就能破解这种低维的混沌系统的加密。由于高 维混沌信号具有更好的随机性，为获得更高的保密性，对基于高维的混沌保密系统的 研究已经成为新的研究热点。 同时，在实际应用方面，上世纪五十年代以来，微电子技术在信息领域取得了长 足的进步。国际上，多个半导体公司在技术开发以及工艺技术方面的进步，导致了半 导体电子行业发生了巨大的改变，由原来的大规模集成电路设计，往单片的集成大规 模电路设计上发展，主要体现在s o c 的开发上，它是将多种电路单元集成在一块芯片上 的新型集成方式，和集成电路( i c ) 有着本质的区别，它将系统中即将使用到的各个模 4 第一章绪论 块或者电路单元都集成在一起，成为一个专用的电子应用系统。而不需要再像以前的 集成电路那样，使用一块大型的印刷电路板来制作电子应用系统，这主要要归功与电 子技术高度发展以及工艺水平的不断提高。一般情况下，在进行s o c s 设计的时候，我 们会像通用的p c 机一样，使用一个微处理器核或者多个c p u 核，这是整个系统的核心， 主要用于整个系统的集成和管理；同时外部会有几十个特殊功能的模块，它们有些是 搭建一个系统所必须的模块，比如：存储器，寄存器模块等。还有些是根据自己的实 际情况所搭载的应用模块。因此，在这里，有一个很重要的概念就是i p 核，它是跟着 s o c 技术的发展而发展起来的，也是由于s o c 技术取得了巨大的发展，i p 核技术才发展 的如此之好，i p 技术主要是将我们经常使用的，而且通过大家的认可，按照一定的协 议，标准封装起来的电路模块，它能完成特定的功能，我们在进行s 0 c 设计时，就可以 根据自己的需要，不需要再重新设计每一个所需的电路单元或者模块，我们只要将经 过标准话得i p 核以单元的形式进行调用就行了，就像c 语言中函数调用一样，方便快捷， 在开发应用系统的时候，不仅能够大大缩短设计周期，而且能够确保品质优良。 但是，由于深亚微米技术的影响，在进行s o c 芯片的每个晶体管的设计时，都使得 s o c 的实现变的更加困难。与此同时，设计中用到的器件数量呈指数级增长：基于这些 影响，在众多开发s o c 的公司中，a l t e r a 公司最先开发出s o p c ，随后，x i l i n x 等众多f p g a 公司也开始开发此类技术，由此发展壮大。在s o c 的基础上，s o p c 技术是可编程逻辑 领域中发展出来的一种新技术。s o p c 是一种特殊的嵌入式系统，但是目前社会上大家 所认同的嵌入式解决方案主要是a r m 。而且，s o p c 目前主要稍微偏重于控制方向，而 a r m 则是主要偏重于数码产品方向。同时，s o p c 结合t s o c 和f p g a 各自的优点，s o p c 的解决方案不仅仅是基于嵌入式设计形式，即它和a r m 设计一样，主要以处理器核操 作系统作为控制的核心，类似于通用型的p c 机，只是s o p c 的设计是完全的软硬件可剪 裁的，这样为设计者提供了更好的平台和自由空间，同时，由于它和f p g a 联系紧密， 这样就同时也具备了可编程逻辑设计的优点。 1 4 本文的主要研究内容及章节安排 1 4 1 本文的主要研究内容 针对目前混沌系统在保密通信领域的一些应用，我们希望能够在数字图像和视频 加密实现上有一定的突破，本课题的主要研究内容可归纳为以下几个方面： ( 1 ) 混沌系统应用于保密通信中，首先我们希望能在仿真软件上通过验证，针对 广东工业大学硕士学位论文 目前流行的低维的混沌系统加密算法，由于存在保密性低的问题，我们采用三维的混 沌系统来做为加密信号，先验证利用混沌系统对数字图像进行加解密操作的可行性， 通过一系列得仿真验证，分析它的安全性能。 ( 2 ) 在混沌数字图像加密的基础上，我们希望能把混沌加密算法应用到视频流媒 体文件中来，考虑到视频信号量大，数据复杂的情况，我们首先希望能通过仿真实现 其加密的操作，然后分析混沌完全视频加密算法的可行性。 ( 3 ) 由于硬件实现和软件仿真存在很多的差异性，我们利用f p g a 技术来实现混 沌系统的保密通信，首先介绍嵌入式l i n u x 在f p g a 开发过程中所占据的优势和技术。 然后在x i l i n x 公司的v 2 p 开发平台上实验数字图像的混沌加密和解密的以太网传输， 并进行了安全性能的分析。 1 4 2 本文的章节安排 全文的章节安排如下： 第一章作为绪论，介绍了混沌理论的发展历程，以及混沌保密通信研究的发展概述， 同时，对课题的研究背景和研究现状以及s o p c 技术的发展做了介绍。 第二章在多维混沌系统的基础上，利用8 涡卷蔡氏混沌系统，在驱动式相应同步的 方式下，实现混沌数字图像的加密研究，并利用m a t l a b 软件对其进行仿真验证，为以 后的视频加密和物理实现提供了基础。 第三章在第二章数字图像加密的基础上，提出了混沌系统数字视频加密的方案，由 于视频信号的自身特性，以及信号量大的问题，我们利用m a t l a b 对其视频信号进行混 沌加解密，希望能通过这部分的研究，为以后的硬件实现提供一定的理论支持。 第四章首先对x i l i n x 公司的f p g a 技术做了一个深入的介绍，对其公司s o p c 专用开发 套件e d k 做了详细说明，同时对第五章即将用到的s o c k e t 编程进行了重点阐述。 第五章在前几个章节的的基础上，利用f p g a 技术，以,