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混沌加密技术综述

摘要：混沌理论是近年来发展较快的非线性科学的重要分支，因其具有非周

期、连续宽频带、类噪声和长期不可预测等特点，所以特别适用于必威体育官网网址通信等领

域。本文从混沌加密技术的基本原理、发展阶段和特点以及存在的问题对其进行较

为全面的分析和总结。

关键词：混沌的基本原理加密算法性能评估

一、混沌的基本原理

混沌是一种复杂的非线性、非平衡的动力学过程，其特点为:(1)混沌系统的行为

是许多有序行为的集合，而每个有序分量在正常条件下，都不起主导作用；(2)混

沌看起来似为随机，但都是确定的；(3)混沌系统对初始条件极为敏感，对于两个

相同的混沌系统，若使其处于稍异的初态就会迅速变成完全不同的状态。

1963年，美国气象学家洛伦兹(Lorenz)提出混沌理论，认为气候从本质上是不可

预测的，最微小的条件改变将会导致巨大的天气变化，这就是著名的“蝴蝶效

应”。此后混沌在各个领域都得到了不同程度的运用。20世纪80年代开始，短

短的二十几年里，混沌动力学得到了广泛的应用和发展。

二、混沌在加密算法中的应用

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。信息论的奠基人美国数学家Shannon指出:

若能以某种方式产生一随机序列，这一序列由密钥所确定，任何输入值一个微小变

化对输出都具有相当大影响，则利用这样的序列就可以进行加密。混沌系统恰恰符

合这种要求。

混沌系统的特性使得它在数值分布上不符合概率统计学原理，得不到一个稳定的

概率分布特征；另外，混沌数集是实数范围，还可以推广到复数范围。因此，

从理论上讲，利用混沌原理对数据进行加密，可以防范频率分析攻击、穷举攻击

等攻击方法，使得密码难于分析、破译。

从1992年至今，混沌必威体育官网网址通信经历了四代。混沌掩盖和混沌键控属于第一代混沌

必威体育官网网址通信技术，安全性能非常低，实用性大大折扣。混沌调制属于第二代混沌必威体育官网网址

通信技术，尽管第二代系统的安全性能比第一代高，但是仍然达不到满意的程度。

混沌加密技术属于第三代混沌必威体育官网网址通信，该类方法将混沌和密码学的优点结合起

来，具有非常高的安全性能。基于脉冲同步的混沌通信则属于第四代混沌必威体育官网网址通

信。

三、混沌加密算法的性能评估

参考美国国家标准与技术协会(NIST)的评判规则LNIST的评判规则大体分为三个部

分:安全性、代价和算法实现特性。介绍了一种基于Lorenz系统的混沌加密算法，

以此标准分析了其性能，并将其与当前通用加密算法进行比较。

1．安全性分析

首先，混沌系统对初始值和参数非常敏感，可以提供很大的密钥集合，完全满足加

密的需要。通过对混沌系统生成的二进制序列进行检验，0和1的分布均匀，游程

符合随机数要求，可以认为是随机序列。其次，混沌加密属于流密码，对分组加密

的攻击方法是无效的。同时，对选择明文ˆ密文攻击方法，由于混沌的单向性和混

沌信号的迭代处理，异或操作后密钥流的推断几乎不可能。

2．代价分析

算法的代价包括时间代价和空间代价。时间代价又分为准备时间和加密时间。通

常，加密前的准备时间主要是用来完成生成子密钥，加密时间主要是在子密钥的控

制下对明文数据进行变换。混沌加密属于流密码的范畴，它的准备时间非常短;加

密时由于只对数据的各个位进行异或操作，其时间主要花费在密钥流的生成操作

上，相对于目前流行的分组加密算法，其时间花费也是很少的。空间代价分为算法

实现的静止空间和运行态空间。静止空间指算法变成程序后本身所占用的空间，一

般表现为执行代码的长度。运行态空间指在加密过程中算法所需要的临时空间。混

沌加密算法没有S-box空间，临时变量也比较少，而且，它通过循环产生密钥流，

循环过程中需要寄存的变量有限，因此，其运行时占用的空间很少，在空间代价上

是比较优秀的。

3．实现特性

混沌加密算法的加密和解密过程是可以重用的，这样其所占用的空间大大缩小。它

的软件和硬件实现特性都比较好，已经分别用C++和Java语言实现了该算法，基

于该算法的DSP也已经开发设计完成

四、混沌加密算法存在的问题

1．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，或是通过实验测试给出的，这难以保证其每个实现序列

的周期足够大，复杂性足够高，因而不能使人放心地采用它来加密。例如，在自治

状态下，输入信号为零时，加密器表现为有限周期响应。不同初始状态对应