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基于FPGA的混沌加密系统研究

作　者: 蔡鹏飞
导　师: 陈在平; 董恩增
学　校: 天津理工大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 超混沌图像加密算法 FPGA Matlab GUI VHDL 物理实现
分类号: TP309.7
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 4次
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内容摘要

随着通信技术、计算机技术以及网络技术的高速发展,网络通信已经成为信息传播的主要工具,通过网络人们可以方便地交流各种各样的信息,其中不仅包括各种文本信息,还包括图像、音频、视频等多媒体信息,这使得数据信息的安全变得尤为重要。如何保证信息的安全,这对加密系统不论从加密算法还是系统本身性能都提出了更高的要求,并使得研究如何保证数字信息的安全性成为热门课题。自从20世纪60年代E.N.Lorenz发现第一个混沌吸引子以来,混沌理论迅速发展起来并在许多领域中得到了较为广泛的关注。混沌对初始条件和系统参数的极端敏感性、白噪声的统计特性和不可预测性等良好特性使其具有天生的密码学特性,所以近些年来基于混沌的加密系统设计迅速发展起来；而FPGA作为新兴的高密度可编程逻辑器件,具有集成度高、单元灵活以及可重复编程等特点,所以适合设计数据加密系统。基于以上几点,本文提出基于FPGA的混沌加密系统的研究,在研究超混沌系统和新的图像加密算法的基础上,以FPGA作为硬件平台物理实现混沌加密系统。本文首先介绍了混沌学和密码学的基本概念以及在国内外的发展状况,并对几种典型的混沌系统加以介绍。提出了一个新的超混沌细胞神经网络模型,并通过理论分析和仿真对该系统的基本动力学特性进行了深入研究,分析结果表明该系统具有较为复杂的动力学行为特性。在此基础上进行了硬件设计,物理实现了基于FPGA的混沌细胞神经网络系统,得到了混沌吸引子,为混沌加密系统提供伪随机序列发生器。另外,根据超混沌系统具有更为复杂的相空间和动力学行为,本文提出了一种新的AES超混沌图像加密算法。该算法利用混沌序列构成AES算法中S盒,以提高S盒的复杂性,同时,采用加入外部密钥的混沌序列分别对图像像素点进行位置置乱,以提高加密算法的安全性。再者,本文根据加密系统的设计要求,提出了以FPGA为硬件平台的设计实现方案。以FPGA作为硬件平台,不仅可以较大提高加密系统的安全性,并且可以提升系统的实时性能；而且FPGA可重复进行硬件编程,设计开发周期短,设计制造成本低,开发工具先进,所以可以根据需要对其局部资源进行功能扩展和更新,增加了系统开发设计的灵活性并且可以达到降低开发成本的目的。本文根据FPGA特有的结构和模块设计方法,采用VHDL硬件描述语言完成系统的底层模块代码编写,并使用原理图法组合底层模块,设计顶层文件,通过了仿真与测试,验证系统的正确性和功能性；再通过编译、管脚约束和布局布线等,完成系统工程文件的编写,下载至FPGA目标芯片中以硬件实现混沌加密系统。在此基础上,使用Matlab GUI编写人机界面,实现了PC机与FPGA混沌加密系统的协调工作。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第一章绪论  10-13
  1.1 研究目的与意义  10
  1.2 现状与背景  10-11
  1.3 研究内容  11-13
第二章混沌加密理论基础  13-18
  2.1 混沌学基础  13-16
    2.1.1 混沌的基本概念及特性  13-15
    2.1.2 混沌的应用前景  15-16
  2.2 密码学基础  16-17
    2.2.1 密码学基本概念及发展状况  16
    2.2.2 混沌与密码学的联系  16-17
  2.3 本章小结  17-18
第三章一个超混沌细胞神经网络及其FPGA电路实现  18-29
  3.1 引言  18
  3.2 新的超混沌细胞神经网络的研究  18-26
    3.2.1 新的超混沌细胞神经网络的模型建立  18-20
    3.2.2 新的超混沌细胞神经网络的性能分析  20-26
  3.3 新的超混沌细胞神经网络的FPGA实现  26-28
    3.3.1 System Generator简介  26
    3.3.2 新的超混沌细胞神经网络的FPGA设计  26-28
    3.3.3 结果分析  28
  3.4 本章小结  28-29
第四章一种新的AES超混沌加密算法  29-41
  4.1 引言  29
  4.2 新的超混沌系统  29-33
    4.2.1 新的超混沌系统的分析研究  29-31
    4.2.2 新的超混沌系统的FPGA实现  31-33
  4.3 加密算法的设计与研究  33-37
    4.3.1 图像加密算法简介  33
    4.3.2 密码攻击方式及提高算法安全性方法  33-34
    4.3.3 新算法的创新点  34-35
    4.3.4 算法步骤  35
    4.3.5 仿真实验及结果分析  35-37
  4.4 安全性分析  37-40
    4.4.1 密钥空间分析  37
    4.4.2 密钥的敏感性分析  37-38
    4.4.3 相关性分析  38-39
    4.4.4 差分分析  39-40
  4.5 本章小结  40-41
第五章混沌加密系统的设计  41-52
  5.1 引言  41
  5.2 可编程逻辑器件  41-43
    5.2.1 FPGA的基本原理及结构  41
    5.2.2 FPGA的设计方法  41-42
    5.2.3 FPGA芯片选型及硬件语言选择  42-43
  5.3 混沌加密系统的硬件设计  43-51
    5.3.1 硬件总体设计方案  43-45
    5.3.2 伪随机序列发生器的设计  45
    5.3.3 UART控制器模块的设计  45-48
    5.3.4 其他模块的设计  48-50
    5.3.5 整体系统的搭建  50-51
  5.4 本章小结  51-52
第六章混沌加密系统的测试与实验结果分析  52-63
  6.1 混沌加密系统的FPGA实现测试  52-58
    6.1.1 FPGA测试平台的搭建  52-53
    6.1.2 实验结果与分析  53-58
  6.2 混沌加密系统的人机界面设计与实现  58-62
    6.2.1 Matlab GUI简介  58
    6.2.2 人机界面设计总体方案  58-59
    6.2.3 人机界面的实现与测试结果分析  59-62
  6.3 本章小结  62-63
第七章总结与展望  63-64
参考文献  64-68
发表论文和科研情况说明  68-69
致谢  69

基于FPGA的混沌加密系统研究

内容摘要

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