混沌函数的无乘除混沌加/解密方法及其电路的制作方法

专利名称：混沌函数的无乘除混沌加/解密方法及其电路的制作方法
技术领域：
本发明属于网络安全技术领域，具体地说是一种无乘除混沌加密方法及其加密电路。(二) 技术背景加密是现在保证数据安全性的重要手段。目前Intemet、无线网络和无线传感器网络的兴 起使得加密技术变得日益重要。传统的加密手段如DES， RSA等现在虽都应用的很广泛，也 表现出很强的安全性，但都是在基于资源充分的前提下完成的，不适合于资源严重不足的无 线网络和无线传感器网络，例如DES现在已经破译，RSA速度比DES慢100倍，运算代价很高， 椭园曲线加密耗费大量硬件资源，量子加密理论上是绝对安全的加密技术，但处于探索研究 阶段。目前出现了一种混沌加密方法，它利用混沌系统中对初始值敏感，不可预测，拓扑依 赖等特性来产生密匙，进而进行加密，展现出比传统加密更好的性能。但因速度较慢，有限 精度效应，短周期响应，浮点操作困难等问题使得它并没得到广泛应用。混沌系统由于对初值的敏感性，很小的初值误差就能被系统放大，因此，系统的长期性 是不可预测的；又因为混沌序列具有很好的统计特性，所以它可以产生随机数列，这些特性 很适合于序列加密技术。现有混沌加密方法存在的问题1.有限精度效应大多数混沌函数都是先用数学方法研究，然后将该混沌函数用于实践，然而实际混沌序列 总是在有限精度下生成的，不完全符合数学理论要求，使许多数学上的混沌系统难以实现。 有学者甚至认为，有限精度效应是目前混沌理论走向应用中出现的一大难题① 很多混沌序列的生成是用计算机或可编程器件实现的，例如用计算机<:语言和(:++编程，以double的精度最高，double数据表示为dxlO"1，其中d是尾数，J是指数，常用64位二进制数 表示d和J，精度取决于d的位数，d的二进制位数《56，更高的精度计算机不易实现。如用可 编程器件实现，例如NiosCPU仅可配置成16位xl6位—32位硬件乘法器；由此可见，用FPGA 和DSP芯片硬件乘法器和加法器实现的诸如Lorenz混沌系统的精度一般低于double型。② 还很多混沌序列的生成是采用模数积分电路和模数转换电路ADC，例如Lorenz混沌系 统。积分电路是模拟电路，模拟电路受零点飘移和热噪声影响严重，精度远低于数字电路； ADC成本高，ADC精度仅为十儿位，显然ADC精度远低于计算机double型。2. 在无线网络和无线传感器网络中应用的困难。无线网络和无线传感器网络是当前重要发展方向，但无线传感器网络节点体积小，计算 能力低、存储空间少，资源严重不足；又因用电池供电，还有低能耗和实吋性的要求，不能 完全仿照资源充分的传统网络的信息安全方法和思路。 一个体积很小的节点除了混沌加密之 外，还要完成路由协议，以及多路传感器数据采集和无线收/发等功能，在资源严重受限制下 完成，这是一类很大的难题。例如，要在程序容量约为4K字节(或稍大)里完成这些任务， 就是一件极困难的事。将混沌加密用于无线网络和无线传感器网络是全新的问题，研究适合 于无线网络、无线传感器网络和数字系统特点的新的混沌映射是首要任务。3. 短周期响应现有的混沌序列的研究对于所生成序列的周期性伪随机性、复杂性、互相关性等的估计是 建立在统计分析上，难以保证所实现序列的周期足够大(t—oo)，复杂性足够高，这一缺点 在某种程度上降低了混沌加密系统的保密性，因而使人不能放心地用它来加密。目前一些研 究为符合数学上t—oo的条件，采用很长的计算机模拟时间T，如丁=24时或更多，由此说明混 沌系统所生成的混沌序列的随机性良好，并符合数学要求。然而无线网络和无线传感器网络 节点用电池供电，要求能耗极低，工作时间-一定要短，不能连续24小时工作，因此较短时间 计算机模拟结果反而更接近实际。
发明内容本发明的目的是公开一种精度高、速度高、电路简单、信息安全性好的高速高精度混沌 函数的无乘除混沌加密方法及其电路，表示如下本发明的混沌函数的无乘除混沌加密方法包括明文混沌排队-混沌异或方法和混沌序列 生成方法两大部分；所述的明文混沌排队-混沌异或方法如下记iV,^ x x2 ，A^OT=8x"rf， A^。w=8x2""， K=W_+A^to;在控制电路作用下，明文W一电路由计算机按中断方式输AA^,。位明文；排 队码密钥电路是iV,。位循环右移移位寄存器，它已存入w,.a组排队码密钥，它输出 位排队码 Qm Q/k,，,,—,)；每循环周期有2""+l拍，每拍1个时钟cp;①每循环第1拍将混饨序列发生 器生成的K位混沌输出Yk" Yo分別置入A^,。位移位寄存器和A^,位D锁存器，为下步作准备；②第2拍，首先将排队码变换为混沌排队码，措施是排队码Q,，。 Q^—,1分别与^。,. 位D锁存器的混沌输出作按位异或运算，得出8个混沌排队码；接着按混沌排队码进行明文 混沌式重排队，措施是8个混沌排队码分别接到八排队数据选择器的地址码输入；该数据选择器数据输入接明文A^。,。电路的A^,。位明文输出，该数据选择器输出端为rsh, rsh8，于 是该数据选择器按各S的混沌排队码从A^。,。位明文中选择出8个作为1个字节混沌式重排队 明文rsh, rshs;最后产生1个字节的密文，措施是rsl^ rsh8接8个异或门输入端shz, shz8; shz, shzs与Wrf。,。位移位寄存器的输出混沌信号QI() Q17作按位异或运算，在8个异或 门输出端Sh0广sh08产生1个字节密文，sho! sho8接外输出Zo Z7;以此同时为下步作准备， 措施是该cp使排队码密钥电路和A^,。位移位寄存器都右移，各自形成新的输出Q力。
Q—,—D和Qio Qi7;③第3 2""+l拍重复第2拍过程，在第2 2""+l拍，产生2""个串行字 节形式密文，完成乂,。,。位明文的混沌加密；按冋样方式对下一个A^。,。位明文进行混沌加密； 所述的混沌序列生成方法是建立在一种混沌函数/O,)基础上，/(x,)表示为依据所述混沌函数/(X,)完成的混沌序列生成方法如下取Hi》0， c=10， h=4，存储混沌值x,的混沌锁存器由K+l个D锁存器QkQk.,Qk.2 Qo 组成，其中Qk存x,的符号，QwQ^2 Qo存;c,的绝对值lx,l;初值密钥电路存混沌锁存器初 始值，p值密钥电路存序列^值；前导码判定电路判定发送信号是否來到，信号未来到，开 启触发器QfO，将混沌锁存器置入初始值；信号来到，立即置Qfl，启动混沌序列发生器， 每个时钟cp完成一次混沌函数迭代运算，生成K位混沌输出Y^ Y。；生成Y^ Yo的方法是①按位变换电路将Qk-!和Qk-2 Qo作按位异或运算，由此执行式一的减法运算 W-1-IX,I或IX,卜W，输出dK.2 do;②移位数据选择器以W作为数据选择器的地址码，将 数据dK-2 do右移化i+10位，由此执行2—(一1())><数据dK-2 d0，输出gK-,2 gO;③减法电路先 进行dK-2 do减gK-U g『SK-2 SG，接着将减法的结果SK-2 So用连线向左移1位，最低位 置l;即Dk.!接Sk.2， Dk.2接Sk.3，…Di接So， Do接l，由此用减法电路实现式二的乘法运算^数据±1=2(1—2，,)x数据土l，减法电路输出Dk.,Dk.2 Do;④在cp上升沿将减法电路输出DK.。k.2 Do存入混沌锁存器Qk-,Qk.2 Qo，并将Qw存到Qk; 混沌输出电路用Qk和Qw (^按位异或运算及QK取反将正负二进制数QicQid Q()转化为正二进制数混沌 输出Y^ Yo;此后每个cp重复上述步骤① ⑤进行，不断产生混沌序列输出Yk., Yo。本发明混沌函数的无乘除混沌加密方法还有这样一 些技术特征1 、明文混沌排队-混沌异或方法屮，取",=4， 。=16，则iVm)=8x "rf=32， A^。,a=8x 2"" =128， K=iVy。,. + A^。,。=160， Wra = "rax"f/x2"rf=1024，明文A^。,。电路输出为128位明文；排队码密钥 电路由4个256位循环右移移位寄存器组成，输出为Qho Qh3;所述的明文混沌排队-混沌异 或方法如下在控制电路作用下，①第1拍将混沌序列发生器生成的160位混沌输出Y159~ Y0置入8个16位移位寄存器和32位D锁存器；②第2拍，QllQ Qh3分别与32位D锁存器 的混沌输出作按位异或运算，得出8个混沌排队码；8个混沌排队码分别接到八排队数据选 择器的地址码输入；该数据选择器数据输入接明文A^。,。电路的128位明文输出，于是该数据 选择器按各自的混沌排队码从128位明文中选择出8个作为1个字节混沌式重排队明文rsh！ rsh8; rs^ rshs接8个异或门输入端shZl shz8; shzi shz8与8个16位移位寄存器输出的 混沌信号Qm Qn作按位异或运算，异或门输出sho, shos产生1个字节的密文；sh0| sho8 接外输出ZC Z7;该cp使4个256位循环右移移位寄存器和8个16位移位寄存器都右移一 位，形成新的输出Qh。 Qh3和Qid Qn;③第3 17拍重复第2拍过程，在第2 17拍，依 次产生16个串行字节形式的密文，完成128位明文的混沌加密；对下128位明文按同样方式 进行混沌加密；依据所述混沌函数/(x,)完成的混沌序列生成方法如下取&=160， N=216U， ^》0， c=10， h=4，存储混沌值x,的混沌锁存器由161个D锁存器Qt6。Q^Q,58 Qo组成；前导码判定电 路判定发送信号信号来到，立即置Qfl，启动混沌序列发生器，该发生器每个时钟cp生成 K位混沌输出Y159 Yo;生成方法是，①按位变换电路将Qw和Q,58 Qo作按位异或运算，输出d,58 do;②移位数据选择器以^作为数据选择器的地址码，将数据d,58 do右移4^+10 位，输出g148 gO;③减法电路先进行山58 do减g,4S g^S,58 So，接着将减法的结果S158 So用连线向左移l位，最低位置l;即D,59接S。8， D^接Si57，…D!接So， Do接l，减法 电路输出D159D158 Do;在Cp上升沿将减法电路输出D,59D^ Do存入混沌锁存器低160位Qi59Q158 QG，并将Qm存到Q柳；⑤混沌输出电路用Q柳和Q159 Q,按位异或运算及 Q柳取反将正负二进制数Q柳Qm Qo转化为正二进制数混沌输出Y159 Y0;对此后每个cp 重复上述歩骤① ⑤进行，不断产生混沌序列输出Y159 Y0。2、根据混沌函数的无乘除混沌加密方法形成的混沌加密电路，该混沌加密电路包括明文 混沌排队-混沌异或电路和混沌序列发生器两大部分；第一大部分明文混沌排队-混沌异或电路包括①明文A^。,。电路，输入接计算机，接收计算机送来的明文数据，并存储数据，输出128位明文接八排队数据选择器MUX(1) MUXW数据输入；②排队码密钥电路由4个256位循环右移移位寄存器组成，并行输入接计算机，由计算机输入排队码密钥；排队码密钥电 路有4个输出Qho Qh3;③八排队码-混沌变换电路由32位D锁存器和32个异或门组成，所 有32个异或门的每门的一输入各自接32位锁存器的32个输出，32个异或门为4行8列， 每行8个异或门的一个输入按行连在一起，分别接Qho Qh3，每列4个异或门的4个输出按 顺序分别接MUX(d MUX(8)的4个地址码输入ABCD;④混沌序列发生器生成的160位混 沌输出分别接八排队码-混沌变换电路中的32位D锁存器的并行输入和明文-混沌异或电路中 的8个16位移位寄存器的并行输入；⑤明文-混沌异或电路包括8个16位移位寄存器和8个 异或门；8个异或门的一输入分别接MUX(d MUX(8)的8个输出，8个异或门的另一输入分 别接8个16位移位寄存器输出；8个异或门的8个输出形成一个字节的密文输出，在16个 时钟cp作用下，形成16个字节的密文，即128位密文；第二大部分混沌序列发生器包括 ①混沌锁存器由161位D锁存器Q16C)Q159 Q158 QQ组成，最高位Q16Q是符号位，其它160位 Qi59Qm Qo是混沌数据位，Q159Q158 Qo的输出接按位变换电路输入；②按位变换电路由 158个异或门组成，每个异或门有一输入接Q，，另一输入依次接Qt58 Qo，按位变换电路 输出d^ d()既接移位数据选择器数据输入，又接减法电路输入；③移位数据选择器由149 个数据选择器组成，它的地址码输入接p值密钥电路输出，它的数据输入接按位变换电路， 它的输出接减法电路输入，输出g!48 go;④减法电路由158位二进制加法器和反相器组成； 加法器输入接按山58 dt)和反相器输出，反相器输入接g148 go，减法电路输出DI59DI58 D0 接混沌锁存器D输入；(D混沌输出电路是由Q16。和Q159 Qi按位异或门及输入接Q16。的非 门组成，每个时钟cp输出一个160位混沌信号Y159 Y0。本发明的另一 目的在于提供一种混沌函数的无乘除混沌解密方法，该混沌解密方法包括 密文混沌归队-混沌异或方法和混沌序列生成方法两大部分所述的密文混沌归队-混沌异或方法如下记iV,。,8x ，A^,。=8x2"、 K=Ww + A^,a， W,.。 = rax X2"rf ;排队码密钥电路是乂。位循环右移移位寄存器，它已存入 组排队码密钥， 它输出 位排队码(^。 0,，^_11;在控制电路作用下，每循环周期有2""+l拍，每拍l个时 钟cp;①每循环第1拍将混沌序列发生器生成的K位混沌输出Yk., Yc分別置入^^位移 位寄存器和W，.位D锁存器，为下步作准备；②第2拍，首先将1字节密文zk) Zr7转换为1 字节混沌式待归队明文rsh! rshs，措施是Zro Zr7接shZl shz8，将shZl~shz8与位 移位寄存器的输出混沌信号Q,o Qn作按位异或运算，在8个异或门输出端sh0| Sho8，也 就是在rsh, rshs产生l字节混沌式待归队明文；接着将排队码变换为混沌排队码，措施是排队码QM) Q/^一,)分别与W皿位D锁存器的混沌输出作按位异或运算，得出8个混沌排队 码；最后按混沌排队码进行明文混沌式重归队，措施是8个混沌排队码分别接到八排队数 据分配器的地址码输入；该数据分配器数据输出接明文A^。,。电路的A^。,。位明文输入，于是该 数据分配器按各自的混沌排队码为地址，将1字节混沌式待归队明文rs& rshs存入明文i^自 电路相应的地址存储，.元中；以此同时为下步作准备，措施是该cp使排队码密钥电路和7^。,。 位移位寄存器都右移，各自形成新的输出(^。 Q,，(^i和QH) Qn;③第3 2""+1拍重复第 2拍过程；在第2 2 +l拍，对2""个串行字节形式密文解密，完成A^。,。位密文的混沌解密； 按同样方式对下2""个串行字节形式密文进行混沌解密；所述的混沌序列生成方法与权利要求 1完全相同。本发明高速高精度混沌函数的无乘除混沌加密方法和加密电路具体说明如下(1)高速高精度Qian混沌函数/0)的混沌序列发生器的硬件实现方法和优点。 图43 图51和图52 图60分别是常用Logistic混沌函数的功率谱和相关特性曲线，图61 图 69是Lorenz混沌函数的功率谱和相关特性曲线。其中Logistic混沌函数需要2次乘法运算和1次减 法运算；Lorenz混沌函数需要5次乘法运算和4次减法运算，速度很慢，精度很低；显然乘法运 算是提高精度和速度的主要障碍。本发明去掉乘除运算，只用一次减法运算。在图70和图71中令x,+, = /(x,) ， x,是第i次迭代值。为直观和说明方便，取[ii》0， =4， ",."=16，则iVnx x2』1024， A^。,8x",32， 1,8x 2"" =128' K=iVTO,. +W挂=160， 图71含有160个具有时钟预置数功能的D触发器Q!59 Qo，该D触发器结构示于图72，其 中控制端E接Qs。无线收/发芯片数据收/发过程总是先发送前导码，接着才是地址码和数据 及校验码，前导码是数据收/发导引信号，必不可少的，前导码和收/发数据时间间隔是确定的， 可作为混沌加/解密的同步信号。前导码判定电路判定发送信号是否来到，信号来到前，开启 触发器QfO (E=0)，在cp作用下，将作为初值密钥的初始值置如入混沌锁存器，^值密钥 电路存入p值密钥； 一旦前导码判定电路判定发送信号来到，开启触发器立即置l，即Qfl (E=l)，在时钟cp作用下，按前述步骤每个cp完成一次迭代运算。本发明混沌序列发生器， 采用式一和式二，电路的简化与二式有极密切的关系，结合本发明混沌序列发生器核心部分 电路图71，并详细说明具体电路实现的方法和该方法具有的优点①用按位取反实现减法运算。设K=160 (对任意K也成立)，W —1 = 2'6°-1，用Q159 Q158"…Qo表示160位二进制整数l x, I ， W -l等于低159位(bit,58 …bito)都是1 。当1 x, i《N 一l时(即Q159=0)，执行W-l-lx,l，也就是对lx, l中的Q,58 Qo执行按位取反，Q，不变，用按位取反代替减法运算W-l-lx,l;当lx,l〉N—l时(即Q159=l)，执行ix,卜iV，也即将最高位Ql59减l， Ql58 Q0不变；二种运算合并为Ql59和Ql5S Q0执行按位异或运算，得出 159位异或输出d,58 do， 二种情况Q,59值实际上和x,符号相同，可暂时保存Qw，不将Q159减l，以后左移时Q,59fi然丢失。不论位数多大，只需一级异或门或反相器的延迟时间tpd;比传统减法器的运算速度高很多，位数越大，此优点越突出。② 用移位数据选择器完成数据OHii+c)位右移。实用中选用p选在2(i —2^)禾n 2(i —2—8)间，^数据=2(1—2'(h—)) x数据，d和C为整数，取0=10，11=4。将^序列表示为H叫H2…A…^-^，存在M值密钥电路屮，在第i次迭代屮该电路输出^，将Hi作为数据选择器的地址码，完成 对d!58 do右移(4一10)位，即实现2—(4一1()>><数据(1158 (1()=数据选择器输出g148 g0。每迭代一次，改变一次地址码，用数据选择器完成数据多位右移，比用右移移位寄存器速度快很多。③ 用减法运算代替乘法运算。用减法电路进行一次减法运算2(1—2-(lvi+e))x(d158 d0)=2((d158 d0) —(g,48 go));先按减法运算进行(山58 do) —(g,48 go)，输出为S！58…"S0，因(山58~d0)〉(g148 go)，必无借位；然后将S158"…So乘2，即将S158 …So再左移1位。左移1位相 当于将输出线SwSo改动，即依次按D,59—S^，…Di—So，D2—S,等连接，其中D159D158 D2D,Do是减法电路输出，也是混沌锁存器Q159Q158…Q2Q,Qo的D输入端，即将S158 S157… S,So各自存到QmQ,58"…Q2Qi，只改动输出连线，无需任何门电路。左移后剩下的Qo置位 1，即Qc一l，相当于式二中的士l;结果得出160位数据Q159Q158…"Q2Q,Qo，原来保存在 Qi59的符号位移位时存入Q刷，即Q欣—Q159。由此可见，用减法运算代替乘法运算，比乘法 运算速度高很多，随混沌锁存器位数增加，超前借位减法电路比乘法电路容易实现。④ 用按位异或门实现混沌数据输出。符号位Q,6『0表示正数，Q,6(Tl表示负数，因二进 制数仅用0和1，无-1，应将正负数转换为整数，为此用2N-1减上述160位数据Q159Q158 … Q2QQo。若Qi6o=0，因2N-1为160位都是1，用2N-1减Q159Q158"…Q2QiQo，相当于对 Q159Q158"…Q2Q,Qo按位取反；若Qi60=l，则2N陽1减负Q159Q158"…Q顺。，即为2N-1加 Q159Q158…"Q2QiQo，注意Q(Tl，于是Qfl与2N-1中的-1抵消，2N就是Qi6(rl，结果得 出Q刚4， Qo=0，其余Qw…"Q2Q!不变。因二种情况Qo都为0，输出时删除Qo。用Q160 和Qw"…Q2Qd安为异或运算实现Y158..…Y,Y。，最高位Q湖取反得Y，，得出160位混沌 数据输出Y159Y158YiYo。最好取在时钟的后半周期读混沌数据输出。这里用按位异或和 取反代替减法运算(2N-1减160位数据)，异或门速度远大于减法电路速度。混沌序列发生器输出Y^ Yo分5段显示(V计算机以双精度数据类型double的精度最高，可显示精度为二进制位数《56)， 5段依次是Y,59 Yu8、 Y127 Y96、 Y95 Y64、 Y63 Y62、 Y31~Yo，该5段输出波形图分别表示为图83、图84、图85、图86、图87,每图输出幅度 约为232=4.29xl09;该5段的功率谱密度PSD曲线分别表示为图73、图74、图75、图76、 图77;该5段的相关特性曲线分别表示为为图78、图79、图80、图81、图82。上述图73 图82接近图39 图42所示的均匀分布随机数序列rand和高斯分布随机数序列randn功率谱 和相关特性曲线，功率谱平坦，相关特性在一个周期点5><104处有很高很细的尖峰，表明自 相关性很强，其它处反映它们的互相关性，表明互相关性的幅度很小，适用于加密。(2)高速高精度混沌函数的无乘除混沌加密方法、加密电路和性能。 图88为本发明混沌函数的无乘除混沌加密电路方块图，下部虚线内是图70所示的高速 高精度混沌函数的混沌序列发生器方块图，由它输出混沌序列；上部虚线内是图89所示的明 文混沌排队-混沌异或部分方块图。本发明混沌加密方法包括明文混沌排队-混沌异或方法和 混沌序列生成方法两大部分，其中第一部分是先将明文进行混沌式重排队，然后再与混沌信 号异或的方法，第二部分是提供实现第一部分方法的电路所需的混沌信号的生成方法。混沌 序列有二作用①对排队码作混沌变换和将明文进行串行混沌式重排队。②再将混沌式重排 队明文和混沌序列异或。本发明高速高精度混沌函数的无乘除混沌加密电路核心部分电路图为图89，说明如下① 明文A^,。电路就是明文数据缓存器， 一方面不断接收计算机送来的明文数据，另一方 面不断向8排队数据选择器(取 =4， 2"^2、16，有8个16选1数据选择器MUX(D MUX(8)) 数据输入端输送128位明文data127 data126……data! data0 (A^。,。=8x 2"" =128)。② 排队码密钥电路由4个256位循环右移移位寄存器32xl65(u 32x165(4)组成(现在取 "ra=16， W,.。 = "rax~x2"rf=16x4x24=4x 256)，已由计算机向它存入 =16组排队码序列作为 排队码密钥(有4x256位)；每组排队码序列是2""个2""=16个16进制数的序列，要求组中 这2"^16个数0 F各不相同，共有16^2.09xl(^种可能排列方式。排队码密钥电路有2"^4个输出Qho Qh3，对应4位二进制数QM Qh3。③ 八排队码-混沌变换电路由iVw=32个锁存器4x377和7V_=32个异或门组成，32个异 或门为iVw= x8=4行8歹i」，每行8个异或门的一个输入(按行连在一起)分别接Qho Qh3， 所有4行8列=32个异或门的另一输入各自接32位锁存器4x377的A^。,=32个输出cho ch31， 每列4个异或门的4个输出按顺序分别接MUX(1) MUX(8)的 =4个地址码输入ABCD。④ 在节拍1，先将混沌序列发生器生成的混沌输出的iV皿位(即高32位Yi59 Y^)置入八排队码-混沌变换电路中的A^。,32个锁存器4x377，输出为di3, cho;混沌输出的其余 X,。,。位(即128位Y127 Yo)置入明文-混沌异或电路屮的('.'7Vrf。,。=8x2"" =8x16) 8个16 位移位寄存器2xl65(n 2x 165(8)。⑤ 在节拍2 17 (2""-l)， 2"^16个cp下循环右移移位寄存器32xl65w 32xl65(4)的 输出Qho Qm依次移出16个各不相同的排队码，Qho Qw与8个混沌输出ch31 ch28、 ch27 ch24、 ch23 ch2o、 ch19 ch16、 chi5 ch12、 chu ch8、 ch7 ch4、 ch3 ch0实4亍按亍立异或，得出 16串8个混沌排队码，分别接8排队数据选择器MUX(u MUX(8)地址码ABCD。⑥ 明文-混沌异或电路包括a^。"8x2"" = 8个16位移位寄存器2x165(d 2x165^和8个异 或门。8个异或门的输出是zo Z7， 8个异或门的8个输入shzi shz8按顺序依次接MUX(d MUX(8)的8个输出rsh, rsh8。注输入线shZl shz8可以打乱自然顺序接输出线rsh, rsh6， 如rsh2接shz5， rsh3接shzp rsh4接shz8， rsh5接shz2， rsh6接shz4， rsh7接shz7， rsh8接shz3， 连接方式共有8！种。8个异或门的另一个输入分别接8个16位移位寄存器输出Qhl0 Qhl7。 明文AL。电路中的 。,。=128位明文8排由数据选择器完成重排队后，得出的shz, shzs和8 个16位移位寄存器输出QhK) Qhn输到8个异或门，作异或运算，异或门输出zo Z7形成一 个字节的密文，在16个时钟cp作用下，完成16个字节的密文(即128位密文)。⑦ 然后由计算机送入下iV^。428位明文重复上述过程进行加密。⑧ 每节拍(1个cp)高速高精度Qian混沌函数/(x)的混沌序列发生器执行1次迭代运算， 产生l个]\^。,。=128位混沌输出，每个循环2""+卜17个cp，产生17次混沌输出，17中取其1 存到]\^=32个锁存器4x377和A^。,。=8个16位移位寄存器2><165(1) 2><165(8)。图90 图98为本发明高速高精度混沌函数的无乘除混沌加密电路计算机模拟图形，图 90是明文data波形，data波形是三角波，图91是明文混沌重排队后rsh波形，rsh波形有间 隙模糊，图92是密文z波形，密文z波形则模糊一片。图93是明文data功率谱波形，波形 有明显尖峰，无混沌特性；图94是明文混沌重排队后rsh功率谱波形，出现有波浪宽带波形， 表明混沌重排队后有一定混沌特性；图95是密文z功率谱波形，接近等幅的平坦的(水平线) 模糊一片波形，即接近图39 图42均匀分布随机数序列rand和高斯分布随机数序列randn 的功率谱。图96是明文data相关特性波形，中间约1.6"04处不高，自相关很差，其它处较 大，即互相关较大；图97是明文混沌重排队后rsh相关特性波形，中间约1.6><104处出现细 窄小尖峰，自相关增加，其它处仍大，即互相关仍较人；图98是密文z相关特性波形，中间 约1.6>=104处出现高而细窄尖峰，自相关很人，其它处近O，即互相关很小，接近均匀分布随机数序列rand和高斯分布随机数序列randn的相关特性曲线，与加密要求一致。图99、图100、 图101是图90、图91、图92放大图形，便于观察。(3)高速高精度混沌函数的无乘除混沌解密方法、解密电路和性能。 图102为本发明高速高精度混沌函数的无乘除混沌解密电路核心部分电路图，它和加密 电路大部分相同，只需将数据选择器MUXd广MUX(8))改为数据分配器DIS(d DES,数据 分配器数据输入rsln rsh8接8个异或门输出端sh0l Sho8，数据分配器的数据输出接明文 A。。,。电路的i^。to位并行明文输入，再将8个异或门输入线shZ| shz8和输出线sh0l sho8位 置互换。混沌解密是混沌加密的逆过程，主要表现在密文一明文的过程，因8个异或门的shZ| shz8输入接一个字节的密文Zrtj z 首先shz, shzs与混沌信号异或，得出一个字节混沌式 待归队明文rsh, rshs，然后通过数据分配器DIS(d DIS(8)按各自的混沌排队码为地址，将I字节混沌式待归队明文rsh, rshs存入明文AU。电路相应的地址存储单元中；其它部件结构 和作用与加密电路相应部分相同，说明如下①节拍2 17，有16个时钟cp按同样方式得 出16串8个混沌排队码，用它们分别控制8排队数据分配器DISd广DIS(8)。②明文-混沌异 或电路中8个异或门从Zrt) 化输入一个字节的密文，将它与存入8个16位移位寄存器输出 Qi"o Qhn由8个异或门作异或运算，由8个异或门输出一个字节的混沌式重排队明文rsln rsh8，而8个异或门的输出分别接DIS(1> DIS(8)的8个输入为rsh, rsJi8，于是由数据分配 器完成混沌式待归队明文的重分配，即由8个DIS(d DIS(8>送到的dataH59 datarf)相应位 置，存起来；在16个时钟cp作用下，从Zri) Zr7输入16个字节的密文，转换为16个字节的 明文(即128位明文)，送满dat^外 datari)所有位置，存起来。③明文wd。,。电路现在是具有 输入按位存储的明文数据缓存器， 一方面不断接收8排队数据分配器输出128位解密后明文 datarl27 …datarldatar()。另一方面按中断方式向计算机发送解密后的明文数据。当解密电路三密钥和发送端加密电路全同时，对本发明的无乘除混沌解密电路进行计算 机模拟得出图103是接收单字节密文波形&，波形模糊一片；图104是&与混沌信号异或 后单字节混沌式待归队明文rsh波形，波形模糊，有间隙；图105是解密后恢复明文datar波 形，波形是三角波，与发送明文相同。图106是z,功率谱波形，接近等幅的平坦的模糊一片 波形；图107是rsh功率谱波形，出现有波浪宽带波形，有一定混沌特性；图108是datar功 率谱波形，有明显尖峰，无混沌特性。图109是A相关特性波形，约1.6"04处出现高而细窄 尖峰，自相关很大，其它处近O，即互相关很小；图110是rsh的相关特性波形，约1.6xl04 处出现细窄小尖峰，自相关增加，其它处仍人，即互相关仍较人；图111是dat^的相关特性相关函数，得到均衡系数。在此，可以利用迭代算法，最小化均衡得到的信号的自相关函数与发送 信号的自相关函数之间的差值的绝对值的平方，得到均衡系数。步骤103-2:利用所得到的均衡系数，对各接收信号进行均衡得到各发 送信号的估计值。通过以上步骤得到各发送信号的估计值后，去除前缀即可得到数据信号 的估计值。下面，详细给出在多输入多输出正交频分复用(MIMO-OFDM)系统中， 实现基于自相关匹配原理的信道盲均衡方法。图2所示为MIMO-OFDM系统框图。该MIMO-OFDM系统中，发送端 有Nt个发射天线，接收端有Nr个接收天线。图2中的t/,("、 w,(")和^")分别是第i ( / = 1，2,...，^,)个发射天线上的频域数据信号、时域数据信号和发送 信号。、(")是第j( / = 1，2，...，乂 )个接收天线上的接收信号，；,(")、a,(")和f),(yt)分别是接收端对发送信号、时域数据信号和频域数据信号的估计值。在困2所示的MIMO + OFDM系统中，基于自相关匹配原理的信道盲均衡，通过以下具体步骤实现。步骤1:在各个发射天线的时域数据信号",(")前添加前缀得到发送信号A (")。在MIMO + OFDM系统中，发送端的时域数据信号",W是指通过OFDM 调制得到的数据。 一般情况下，时域数据信号",如)是白色的，为了使发送信 号满足自相关匹配原理所需的特定条件，各发射天线的发送信号^力是 在时域数据信号",如)的前面添加不同的前缀得到，如图3所示。如图3所示，发送信号^力包括长度为Ng的前缀和长度为Nsube的数据两部分。其中，对于第i个发送信号^"),长度为Ng的前缀由长度为 (Ng-Ncp-Nj)的零序列、长度为Ncp的循环前缀(CP)和长度为Ni的零序W，=8x =32， iVrf。,。=8x2"rf=128'初值密钥是J^A、。 + A^^160位，有2l6Q-1.46xl048种可 能初值，n值密钥有32位4进制数，有432-1.84><1019种可能n值序列；排队码密钥每组2"" =16 个数，共有16! =2.09><1013种可能排列，按" =16组计算，约为(2.09><1013)|6=1.3><10213种可 能排列；三个密钥需穷举次数1.46xl0"X1.84xl0Wxi.3xl0犯^3.49x10，，穷举法破译根 木不可能；另夕卜，8个输入shz! shz8可以打乱自然顺序接8个输出rshi rsh6，连接方式共 有8！ =40320种，更增加穷举法破译的困难。若取 =5, "ra=16，则乂。= >< ><2"" =5x512，排队码密钥电路由5个512位循环右移 移位寄存器组成，MUX(D MUX(s)是8个32选l数据选择器；jV，=8x =40，有40位D 锁存器位数及其连接的40个异或门；明文位数A^^^8x2"'^256，有8个32位移位寄存器； 每循环有33拍(即2""+l拍)，加密过程和上述类似，第1拍先将混沌序列发生器生成的 K=A^。,. + 7V^。 =40+256=296位混沌输出置入A^。,40位锁存器和 。,a=8x 2~ =8个32位移位 寄存器；第2 第33拍产生32个单字节密文(即256位密文)；混沌序列发生器的混沌输出 位数&]\^ + 7^=296，初值密钥有2"^2，-1.27xl(T种，ix值密钥同上，排队码密钥有 (32! )16=(2.63《1035)16=5.2><10566种，三个密钥需穷举次数二 1.27xl089X5.28xl056f'X 1.84x1019 "1.23xl0675，穷举法破译根本不可能。又因明文串行重排队是混沌式，前后相同的明文，混 沌式重排队明文必不相同，然后再与另一混沌信号异或，加密所得出前后一密文更完全不相 同，有二次混沌作用。混沌信号对明文串行混沌式重排队是短期见效的，分析法破译也根本 不可能，破解极难。另外，因为高速，每cp迭代一次，每17次迭代才取出一次混沌信号， 17次迭间输出偏差>1次迭间输出偏差，克服混沌序列的短周期响应；还可以再提高位数， 克服混沌序列有限精度效应。

图1是本发明本发明Qian混沌函数/(;c)的计算机模拟的周期倍分岔曲线图。图2是本发明本发明Qian混沌函数/(x)的计算机模拟的Lyapunov指数曲线图。图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11依次是本发明Qian混沌函数/(x)在p-2， 2(1—2-50)， 2(1—2-40)， 2(1-2-30)， 2(1—2-20)， 2(1—2"0)， 2(1-2-8)， 2(1—T6)， 2(1一2力的计算机模拟的功率谱密度曲线图。图12、图13、图14、图15、图16、图17、图18、图19、图20依次是本发明Qian混沌函数/(x)在『2， 2(1—2-50)， 2(1—2.40)， 2(1—2-3。)， 2(1—2-20)， 2(1—2.10)， 2(1—2-8)， 2(1—2—6)， 2(1—2,的计算机模拟的相关特性曲线图。图21、图22、图23、图24、图25、图26、图27、图28、图29依次是本发明Qian混饨函数/(x)在(^1.1， 1.2, 1.3, 1.4， 1.5， 1.6， 1.7， 1.8， 1.9的计算机模拟功率谱密度曲线图。 图30、图31、图32、图33、图34、图35、图36、图37、图38依次是木发明Qian混沌函数/0)在『1.1， 1.2， 1.3， 1.4， 1.5， 1.6， 1.7， 1.8， 1.9的计算机模拟的相关特性曲线图。 图39和图41分别是均匀分布随机数序列rand的功率谱和相关特性模拟曲线图。 图40和图42分别是高斯分布随机数序列mndn的功率谱和相关特性模拟曲线图。 图43、图44、图45、图46、图47、图48、图49、图50、图51依次是Logistic混沌函数在4=2' 2(1—2.50)， 2(1—2-40)' 2(1—2-30)， 2(1—2.20)， 2(1—2.10)， 2(1—2.8)， 2(1—2.6)， 2(1一2—4)的计算机模拟的功率谱密度曲线图。图52、图53、图54、图55、图56、图57、图58、图59、图60依次是Logistic混沌函数在(1=2， 2(1—2-50)， 2(l—2"40)， 2(1—2.30)' 2(1—2.20), 2(1—2—10)， 2(1—2.8)， 2(1—2.6)， 2(1一2力的计算机模拟的相关特性曲线图。图61、图62、图63依次是Lorenz混沌函数x、 y、 z的计算机模拟的功率谱密度曲线图。图64、图65、图66依次是Lorenz混沌函数x、 y、 z的计算机模拟的相关特性曲线图。图67、图68、图69依次是Lorenz混沌函数xy、 yz、 zx的计算机模拟的相轨迹图。图70为本发明高速高精度混沌函数的混沌序列发生器方块图。图71为本发明高速高精度混沌函数的混沌序列发生器核心部分电路图。图72为图12中具预置数功能的D触发器电路图。图73、图74、图75、图76、图77依次是为本发明高速高精度混沌函数的混沌序列发生器 输出Y,59 Yi28、 Y127 Y96、 Y95 Y64、 Y63 Y62、 Y31 Y0的计算机模拟的功率谱密度曲线图。图78、图79、图80、图81、图82依次是为本发明高速高精度混沌函数的混沌序列发生器 输出Y,59 Y,28、 Y127 Y96、 Y95 Y64、 Y63 Y62、 Y31 Yo的计算机模拟的相关特性曲线图。 图83、图84、图85、图86、图87依次是本发明高速高精度混沌函数的混沌序列发生器输 出Y^ Yu8、 Y127 Y96、 Y95 Y64、 Y63 Y62、 Y31 Yo的计算机模拟的输出曲线图。 图88是本发明高速高精度混沌函数的无乘除混沌加密电路结构示意图。 图89是本发明混高速高精度沌函数的无乘除混沌加密电路核心部分电路图。 图90、图91、图92依次是本发明高速高精度混沌函数的无乘除混沌加密电路计算机模拟 明文data波形、明文混沌重排队后rsh波形，密文z波形93、图94、图95依次是本发明高速高精度混沌函数的无乘除混沌加密电路计算机模拟 明文data、明文混沌重排队后rsh、密文Z的功率谱密度曲线图。图96、图97、图98依次是本发明高速高精度混沌函数的无乘除混沌加密电路计算机模拟 明文data、明文混沌重排队后rsh、密文Z的相关特性曲线图。图99、图100、图101依次是图90、图91、图92横坐标放大的图形。图102为本发明高速高精度混沌函数的无乘除混沌解密电路核心部分电路图。图103、图104、图105依次是木发明高速高精度混沌函数的无乘除混沌解密电路当它的三 个密钥和加密电路全同时计算机模拟接收的，字节密文&波形、&与混沌信号异或后单字节 混沌式待归队明文rsh波形、解密后恢复明文daK波形图。图106、图107、图108依次是本发明高速高精度混沌函数的无乘除混沌解密电路当它的三 个密钥和加密电路全同时计算机模拟明文接收密文z。 ^与混沌信号异或后rsh、解密后恢复 明文datar的功率谱密度曲线图。图109、图110、图111依次是本发明高速高精度混沌函数的无乘除混沌解密电路当它的三 个密钥和加密电路全同时计算机模拟接收密文zp ^与混沌信号异或后rsh、解密后恢复明文 da&的相关特性曲线图。图112、图113、图114依次是本发明高速高精度混沌函数的无乘除混沌解密电路当它的三 个密钥和加密电路几乎相同，仅有微小差别时计算机模拟接收密文&波形、z「与混沌信号异 或后rsh波形、解密后恢复明文dater波形图。图115、图116、图117依次是本发明高速高精度混沌函数的无乘除混沌解密电路当它的三 个密钥和加密电路几乎相同，仅有微小差别时计算机模拟明文接收密文z。 ^与混沌信号异 或后rsh、解密后恢复明文datar的功率谱密度曲线图。图118、图119、图120依次是本发明高速高精度混沌函数的无乘除混沌解密电路当它的三 个密钥和加密电路几乎相同，仅有微小差别时计算机模拟接收密文z。 Zr与混沌信号异或后 rsh、解密后恢复明文dat^的相关特性曲线图。 (五)具休实施方式下面结合附图对本发明作进一步的具体说明传统的方法主要从数学上研究，然后应用到实际中，不一定完全符合实际，本发明按相 反的方法进行，首先按计算机硬件的特点，去定义Qian混沌函数/("，然后在数学上证明。 (1)本发明公开一种符合计算机硬件特点的Qian混沌函数/Oc)，表示如下<formula>formula see original document page 21</formula>(1)
<formula>formula see original document page 21</formula>(2)
U/gW-1,当膽(勾<0时 证明式(2)满足自映射当lxl《N—l时，0《N_1 —|x|《N—1,即0《Ig(x)l《N—l; 当N—l<|x|《2N—l吋，0《||x|—N I《N — l,即0《|g(x)|《N—1。因|川《2， 当 〃g(x)》0时，〃g(x)+l = |〃|-|g(x)| + l《|//|.(N—1)+1《2N —1，满足l/(x)l《2N—l;当 〃g(x)<0时，—1) = —〃g(x)+l叫川」g(x)叶l《l川'(N—1) + 1《2N—1，满足 |/0)|《2N—1;即对任意lxl e
，满足l/(jc)1 E
，所以/(x)满足自映射。在/(x)满足自映射的前提下，可利用Lyapunov指数LE作为混沌状态判定的准则，为此 从数学上推导/(x)的Lyapunov指数LE，并证明当2》|川>0， LE〉0， /(x)为混沌状态①设W《N —1且lx+dxl《N—l，或者lxl〉N—1 i|x+dx|〉N —1。根据式(1)和式(2)看出， f(x)只取吗(x)+l或吗(x) — l之一形式，而g(x)只取N—l — lxl或一||x|—N I之一形式，得出得出<formula>formula see original document page 21</formula>，根据求复合函数微商的方法推出，<formula>formula see original document page 21</formula>几乎所有数据点都满足上式，只有二数据点(lx卜N—l或lx +血卜N—l)不满足。 ②设lxl《N—1且lx +血l〉N—l，必l;c卜N — 1, | x + A |=N—1+|必| ，分别令和|i<0，可以证明>|川。再设W〉N—1且lx +血l《N —1，类似方法得出:>|川总之，<formula>formula see original document page 21</formula>。由LEX)判定/(x)为混沌状态，LE取决于lnl//1，取2》|川>1， ln2》lnl川〉0，也即当2》|//1 > 1时，LE>0， /(x)为混沌状态，LE的最大值约为ln2=0.69314718。(2) Qian混沌函数/(X)的计算机模拟结果。 令;c,+, =/(x,)， x,和^分别是迭代过程jc第；次和第f+l次值。若^》0，得出式(3)，<formula>formula see original document page 22</formula>图1是Qian混沌函数/Oc)函数计算机模拟的周期倍分岔曲线，纵坐标是x,值，取N二250， x,最大值约为士2.25x1015，图1和图2图的横坐标^=^都是从一2—+2变化，表明满足自映 射，与数学证明一致；图2是Qian混沌函数/0)的Lyapimov指数曲线，纵坐标是LE值， 当H的绝对值M在1—2间，LE〉0， LE最大值=0.69425 (^=—2)和0.69453 (n=2)，接近 理论值ln2=0.69314718，且在『1处，LE=0，与数学证明结果一致；表明IH在1—2间函数/(x) 是混沌状态，为实现混沌序列，lnl可在l和2间选取。图3 图11是依次是『2， 2(1—2—5Q)， 2(1—2—4Q)， 2(1—2,， 2(1—2,的混沌函数/(x)的功率谱密度PSD曲线。除图3夕卜，图 4 图11功率谱出现宽峰或连成一片，有混沌运动的特征。图3的混沌运动的特征很小，不 适合用『2，而偏离『2为『2(1—2-5。) 2(1—2,混沌运动的特征很强，适合于使用。混沌运动的自相关近似为^函数；两个初值不同的混沌序列互相关为0，特性近似于白 噪声。图12 图20依次是『2 …2(1 —2,的混沌Qian函数/(x)的相关特性xcorr曲线；除 图12外，图13 图20函数的自相关性良好，在周期点5"04处有很高很细的尖峰，表明自 相关性很强，其它处幅度很小，即它们的互相关性很小，接近O。图21 图29和图30 图38依次是4=1.1， 1.2， 1.3， 1.4， 1.5， 1.6， 1.7， 1.8， 1.9的Qian 混沌函数/(x)的功率谱和相关特性曲线，作为参考。图39和图41分别是均匀分布随机数序 列rand的功率谱和相关特性曲线，图40和图42分别是高斯分布随机数序列randn的功率谱 和相关特性曲线，最好接近图39 图42的特性，即功率谱最好是平坦的等幅的，相关特性 在一个周期点处有很高很细的尖峰，其它近TO。对图3 图38， p在2(1—Z,和2(1 — 2—8) 间的功率谱和相关特性与图39 图42相近，因此参数p最好选在2(1 —2^)和2(1 —2—s)间。 图43 图51和图52 图60分别是常用Logistic混沌函数的功率谱和相关特性曲线，由该图 看出，p在2和 2(1 —2—8)间的功率谱和相关特性与图39 图42相近。图61 图69是Lorenz 泥饨函数的功率谱和相关特性曲线，作为参考。
权利要求
1.一种混沌函数的无乘除混沌加密方法，其特征在于该混沌加密方法包括明文混沌排队-混沌异或方法和混沌序列生成方法两大部分；所述的明文混沌排队-混沌异或方法如下记<math-cwu><![CDATA[<math> <mrow><msub> <mi>N</mi> <mi>ra</mi></msub><mo>=</mo><msub> <mi>n</mi> <mi>ra</mi></msub><mo>&times;</mo><msub> <mi>n</mi> <mi>d</mi></msub><mo>&times;</mo><msup> <mn>2</mn> <msub><mi>n</mi><mi>d</mi> </msub></msup><mo>,</mo> </mrow></math>]]></math-cwu><!--img id="icf0001" file="S2008100639005C00011.gif" wi="231" he="17" img-content="drawing" img-format="tif"/-->Nxor＝8×nd，<math-cwu><![CDATA[<math> <mrow><msub> <mi>N</mi> <mi>data</mi></msub><mo>=</mo><mn>8</mn><mo>&times;</mo><msup> <mn>2</mn> <msub><mi>n</mi><mi>d</mi> </msub></msup><mo>,</mo> </mrow></math>]]></math-cwu><!--img id="icf0002" file="S2008100639005C00012.gif" wi="97" he="18" img-content="drawing" img-format="tif"/-->K＝Nxor+Ndata；在控制电路作用下，明文Ndata电路由计算机按中断方式输入Ndata位明文；排队码密钥电路是Nra位循环右移移位寄存器，它已存入nra组排队码密钥，它输出nd位排队码Qh0～Qh(nd-1)；每循环周期有2nd+1拍，每拍1个时钟cp；①每循环第1拍将混沌序列发生器生成的K位混沌输出YK-1～Y0分别置入Ndata位移位寄存器和Nxor位D锁存器，为下步作准备；②第2拍，首先将排队码变换为混沌排队码，措施是排队码Qh0～Qh(nd-1)分别与Nxor位D锁存器的混沌输出作按位异或运算，得出8个混沌排队码；接着按混沌排队码进行明文混沌式重排队，措施是8个混沌排队码分别接到八排队数据选择器的地址码输入；该数据选择器数据输入接明文Ndata电路的Ndata位明文输出，该数据选择器输出端为rsh1～rsh8，于是该数据选择器按各自的混沌排队码从Ndata位明文中选择出8个作为1个字节混沌式重排队明文rsh1～rsh8；最后产生1个字节的密文，措施是rsh1～rsh8接8个异或门输入端shz1～shz8；shz1～shz8与Ndata位移位寄存器的输出混沌信号Q10～Q17作按位异或运算，在8个异或门输出端sho1～sho8产生1个字节密文，sho1～sho8接外输出Z0～Z7；以此同时为下步作准备，措施是该cp使排队码密钥电路和Ndata位移位寄存器都右移，各自形成新的输出Qh0～Qh(nd-1)和Q10～Q17；③第3～2nd+1拍重复第2拍过程，在第2～2nd+1拍，产生2nd个串行字节形式密文，完成Ndata位明文的混沌加密；按同样方式对下一个Ndata位明文进行混沌加密；所述的混沌序列生成方法是建立在一种混沌函数f(xi)基础上，f(xi)表示为N＝2K，K＝正整数， 式一|xi|∈
，|μi|∈
，式二依据所述混沌函数f(xi)完成的混沌序列生成方法如下取μi≥0，c＝10，h＝4，存储混沌值xi的混沌锁存器由K+1个D锁存器QKQK-1QK-2～Q0组成，其中Qk存xi的符号，QK-1QK-2～Q0存xi的绝对值|xi|；初值密钥电路存混沌锁存器初始值，μ值密钥电路存序列μi值；前导码判定电路判定发送信号是否来到，信号未来到，开启触发器QS＝0，将混沌锁存器置入初始值；信号来到，立即置QS＝1，启动混沌序列发生器，每个时钟cp完成一次混沌函数迭代运算，生成K位混沌输出YK-1～Y0；生成YK-1～Y0的方法是①按位变换电路将QK-1和QK-2～Q0作按位异或运算，由此执行式一的减法运算N-1-|xi|或|xi|-N，输出dK-2～d0；②移位数据选择器以μi作为数据选择器的地址码，将数据dK-2～d0右移4μi+10位，由此执行2-(4μi+10)×数据dK-2～d0，输出gK-12～g0；③减法电路先进行dK-2～d0减gK-12～g0＝SK-2～S0，接着将减法的结果SK-2～S0用连线向左移1位，最低位置1；即DK-1接SK-2，DK-2接SK-3，…D1接S0，D0接1，由此用减法电路实现式二的乘法运算μi×数据±1＝2(1-2-(4μi+10))×数据±1，减法电路输出DK-1DK-2～D0；④在cp上升沿将减法电路输出DK-1DK-2～D0存入混沌锁存器QK-1QK-2～Q0，并将QK-1存到QK；⑤混沌输出电路用QK和QK-1～Q1按位异或运算及QK取反将正负二进制数QKQK-1～Q0转化为正二进制数混沌输出YK-1～Y0；此后每个cp重复上述步骤①～⑤进行，不断产生混沌序列输出YK-1～Y0。
2、根据权利要求1所述的混沌函数的无乘除混沌加密方法，其特征在于明文混沌排队-混 沌异或方法中，取 =4， "ra=16，则l广8x",32， AU=8x2""128， K=Ww + 7V<toe =160， ^ = " x x2"" =1024，明文A^。,。电路输出为128位明文；排队码密钥电路由4个256位循 环右移移位寄存器组成，输出为Qho Qh3;所述的明文混沌排队-混沌异或方法如下在控制 电路作用下，①第1拍将混沌序列发生器生成的160位混沌输出Yw Yo置入8个16位移 位寄存器和32位D锁存器；②第2拍，Qho Qh3分别与32位D锁存器的混沌输出作按位异 或运算，得出8个混沌排队码；8个混沌排队码分别接到八排队数据选择器的地址码输入； 该数据选择器数据输入接明文A^,。电路的128位明文输出，于是该数据选择器按各自的混沌 排队码从128位明文中选择出8个作为1个字节混沌式重排队明文rshi rshs; rsln rsh8接 8个异或门输入端shz, shz8; shz! shz8与8个16位移位寄存器输出的混沌信号Q1() Q17 作按位异或运算，异或门输出sho, shos产生1个字节的密文；sho! sho8接外输出Zo Z7; 该cp使4个256位循环右移移位寄存器和8个16位移位寄存器都右移一位，形成新的输出 Qho Qh3禾aQio Qn;③第3 17拍重复第2拍过程，在第2 17拍，依次产生16个串行字 节形式的密文，完成128位明文的混沌加密；对下128位明文按同样方式进行混沌加密；依据所述混沌函数/(x,)完成的混沌序列生成方法如下取K^160， N=216Q， ^》0， c=10， h=4，存储混沌值x,的混沌锁存器由161个D锁存器Q湖Q,59Q!58 Qo组成；前导码判定电 路判定发送信号信号来到，立即置Qfl，启动混沌序列发生器，该发生器每个时钟cp生成 K位混沌输出Y159 YQ;生成方法是，①按位变换电路将Q，和Qm Qo作按位异或运算，输出d,58 do;②移位数据选择器以^作为数据选择器的地址码，将数据山58 do右移4^+10位，输出g,48 g0;③减法电路先进行山58 do减gi48 g(TSi58 So，接着将减法的结果S15S So用连线向左移l位，最低位置l;即D,59接S,58， D,58接S,57，…D,接So, D0接1 ，减法 电路输出D159D158 DQ;④在cp上升沿将减法电路输出D,59D,58 Do存入混沌锁存器低160 位Ql59Ql58 Qo，并将Ql59存到Ql6Q;⑤混沌输出电路用Ql60和Ql59 Ql按位异或运算及 Q柳取反将正负二进制数Q柳Qi59 Qo转化为正二进制数混沌输出Y159 YQ;对此后每个cp重复上述步骤① ⑤进行，不断产生混沌序列输出Y159 Y0。
3、根据权利要求1所述的混沌函数的无乘除混沌加密方法形成的混沌加密电路，其特征在于 混沌加密电路包括明文混沌排队-混沌异或电路和混沌序列发生器两大部分；第一人部分明文 混沌排队-混沌异或电路包括①明文A^,。电路，输入接计算机，接收计算机送来的明文数据， 并存储数据，输出128位明文接八排队数据选择器MUXW MUX<8)数据输入；②排队码密 钥电路由4个256位循环右移移位寄存器组成，并行输入接计算机，由计算机输入排队码密 钥；排队码密钥电路有4个输出Qho Qh3;③八排队码-混沌变换电路由32位D锁存器和32 个异或门组成，所有32个异或门的每门的一输入各自接32位锁存器的32个输出，32个异 或门为4行8列，每行8个异或门的一个输入按行连在一起，分别接Qho Qh3，每列4个异 或门的4个输出按顺序分别接MUX(1) MUXW的4个地址码输入ABCD;④混沌序列发生 器生成的160位混沌输出分别接八排队码-混沌变换电路中的32位D锁存器的并行输入和明 文-混沌异或电路中的8个16位移位寄存器的并行输入； 明文-混沌异或电路包括8个16 位移位寄存器和8个异或门；8个异或门的一输入分别接MUX(D MUX(8)的8个输出，8个 异或门的另一输入分别接8个16位移位寄存器输出；8个异或门的8个输出形成一个字节的 密文输出，在16个时钟cp作用下，形成16个字节的密文，即128位密文；第二大部分混沌序列发生器包括①混沌锁存器由161位D锁存器Q柳Qi59Q!58 Qo组成，最高位Q湖是符号位，其它160位Q159 Q!58 Q。是混沌数据位，Q159 Q158 QQ的输出接按位变换电路输入； ②按位变换电路由158个异或门组成，每个异或门有一输入接Qi59，另一输入依次接Qw Qo，按位变换电路输出dw do既接移位数据选择器数据输入，又接减法电路输入；③移位 数据选择器由149个数据选择器组成，它的地址码输入接p值密钥电路输出，它的数据输入 接按位变换电路，它的输出接减法电路输入，输出g,48 go;④减法电路由158位二进制加法 器和反相器组成；加法器输入接按山58 do和反相器输出，反相器输入接g148 go，减法电路 输出D,59D,58 Do接混沌锁存器D输入；⑤混沌输出电路是由Q16o和Q159 Q,按位异或门及 输入接Q16o的非门组成，每个时钟cp输出一个160位混沌信号Y159 Y0。
4. 一种混沌函数的无乘除混沌解密方法，其特征在于该混沌解加密方法包括密文混沌归队 -混沌异或方法和混沌序列生成方法两大部分；所述的密文混沌归队-混沌异或方法如下记W， =8x ，7Vrf。to =8x 2""， K=^w + A^,。， AAra = rax x2"";，排队码密钥电路是iVf。位循环右移移位寄存器，它己存入 w,。组排队码密钥，它输出 位排队码(^。 Q^-D;在控制电路作用下，每循环周期有2""+l 拍，每拍1个时钟cp;①每循环第1拍将混沌序列发生器生成的K位混沌输出Y^ Yo分别 置入A^。,。位移位寄存器和W皿位D锁存器，为下歩作准备；②第2拍，首先将1字节密文 Zro Zr7转换为1字节混沌式待归队明文rsln rsh8，措施是ZrQ Zr7接shZl shz8，将shz, shz8与A^,。位移位寄存器的输出混沌信号QI() Q17作按位异或运算，在8个异或门输出端 sh0l Sho8，也就是在rsh, rshs产生1字节混沌式待归队明文；接着将排队码变换为混沌排 队码，措施是排队码(^。 Q^力分别与A^位D锁存器的混沌输出作按位异或运算，得出8个混沌排队码；最后按混沌排队码进行明文混沌式重归队，措施是8个混沌排队码分 别接到八排队数据分配器的地址码输入；该数据分配器数据输出接明文A^,。电路的7V,。,。位明 文输入，于是该数据分配器按各自的混沌排队码为地址，将1字节混沌式待归队明文rsln rsh8存入明文A^,。电路相应的地址存储单元中；以此同时为下步作准备，措施是该cp使排队码密钥电路和A^。,。位移位寄存器都右移，各自形成新的输出Qm) Q^,一)和Qu) Qn;③ 第3 2"" +1拍重复第2拍过程;在第2 2""'+1拍，对2""个串行字节形式密文解密，完成7\^,。 位密文的混沌解密；按同样方式对下2""个串行字节形式密文进行混沌解密；所述的混沌序列生成方法是建立在一种混沌函数/0,)基础上，/(x,)表示为<formula>formula see original document page 5</formula>式一 式二依据所述混沌函数/(x,)完成的混沌序列生成方法如下取^>0， c=10， h=4，存储混沌值;c,的混沌锁存器由K+l个D锁存器QKQK.iQK.2 Qo组成， 其中Qk存x,的符号，Qk-!Qk.2 Qo存x,的绝对值1 x, I;初值密钥电路存混沌锁存器初始值，n 值密钥电路存序列^值；前导码判定电路判定发送信号是否来到，信号未来到，开启触发器 Qs=0，将混沌锁存器置入初始值；信号来到，立即置Qfl，启动混沌序列发生器，每个时钟CP完成一次混沌函数迭代运算，生成K位混沌输出Y^ Yf);生成YK-i Yo的方法是①按位变换电路将Qic.i和QK-2 QQ作按位异或运算，由此执行式一的减法运算iV-l-lx, |或 lx,卜W，输出dK-2 do;②移位数据选择器以W作为数据选择器的地址码，将数据dK—2 do 右移化i+10位，由此执行2-,+叫X数据dK-2 do，输出gK-!2 go;③减法电路先进行dK-2 do 减gK-i2 g(T SK-2 S0，接着将减法的结果SK-2 So用连线向左移l位，最低位置l;即Dk-,接Sk.2，Dk-2接SK-3，…D,接So，DJ妾1，由此用减法电路实现式二的乘法运算^x数据士 1=2(1—2柳i,)x数据土l，减法电路输出Dk-!Dk-2 Do; 在CP上升沿将减法电路输出D,Dk-2 Do存入混沌锁存器Qk."k.2 Qo，并将Qk-!存到QK;⑤混沌输出电路用Qk和Qi^ Q!按位异或运算及qk取反将正负二进制数qkqk" Qo转化为正二进制数混沌输出Yk.! Yo;此后每个cp重复上述步骤① ⑤进行，不断产生混沌序列输出Y^ Yo。
全文摘要
本发明公开了一种高速高精度混沌函数的无乘除混沌加密方法和加密电路，加密电路包括明文混沌排队-混沌异或电路和混沌序列发生器；首先将排队码与混沌信号异或，变换为n_d位混沌排队码，用它作为地址码，由8个数据选择器从8×2^nd位并行明文中选出8个作为1字节混沌式重排队明文，此后再与另一混沌信号异或，产生1个字节密文，2^nd个cp加密8×2^nd位密文；混沌序列发生器每个cp生成8×(2^nd+n_d)位混沌输出，其中用按位异或实现减法运算N-1-|x_i|等，用减法实现乘法μ_i×数据；有排队码密钥、初值密钥和μ值密钥，安全性高；取n_d＝4，加密128位明文约需1.7μs；可用FPGA、CPLD和ASIC等实现，用于网络安全技术领域，特别是无线网络和无线传感器网络。
文档编号H04L9/00GK101232367SQ200810063900
公开日2008年7月30日 申请日期2008年1月23日 优先权日2008年1月23日
发明者莹 刘, 倩 方, 方振贤 申请人:黑龙江大学;方 倩;刘 莹;方振贤