《束晕混沌同步控制课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《束晕混沌同步控制课件（40页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、束晕-混沌同步控制及多种加密方法研究,刘 强1） 方锦清1） 赵 耿2） 李 永1）1）（中国原子能科学研究院核技术应用研究所）2）（北京电子科技学院计算机系）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,混沌应用,混沌控制,复杂网络,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、
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,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拓扑束流输运网
3、络同步误差Dmax与随时间T的变化曲线,(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,一、束晕混沌同步控制,BA拓扑束流输运网络x1、x2随时间曲线及最大同步误差Dmax随时间变化曲线图 ，m=3，c=1,WS拓扑束流输运网络x1、x2随时间曲线及最大同步误差Dmax随时间变化曲线图，c=1,SD拓扑束流输运网络x1、x2随时间曲线及最大同步误差Dmax随时间变化曲线图，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,
4、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,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
5、、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-
6、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-响应混沌同步信号对正弦信号进行加密过程图,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
7、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路图,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正弦信号进行加密过程图,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9利用多局域小世界
8、拓扑耦合混沌同步信号对正弦信号进行加密过程图,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）解密图像 利用混沌保密信号对图像进行加密图,（a）原始图像,（b）加密图像,二、束晕混沌保密通信仿真,三、网络加密系统,利用互联网进行混沌加密系统通信的示意图,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
9、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、Logistic映射 生成替换表和Feistel加（
10、解）密变换四部分，其中Henon映射和Lo- gistic映射生成替换表为混沌加密算法，Feistel密钥变换和Feistel加 （解）密变换是传统加密算法,Henon映射公式：,用户输入64位初始密钥K的前32位作为x变量的初值x(0)，将后32位作为x变量的 初值y(0)，进行100次的Henon映射迭代，将第97次到第100次迭代得到的x变量的小 数位（前32位）组合作为经过Henon映射迭代加密的加密密钥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,Logistic映射,采用Logistic混沌映射将8字节实数转换为1字节
11、整数，公式如下所示：,混沌映射替换表g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：,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,对混沌加密系统进行了两种实验： 对需要加密的文字，包括字母、数字、汉字等进行加密，原文是“中华人民共和国abcd1234”，加密之后的密文变为：“抗颐、獦雄婴袚XZ” 直接对需要加、解密的文件进行加、解密，原文
12、件、加密文件和解密文件如下图所示，从图可见：文件的加、解密的效果很好，这说明本文提出的算法对密钥变化具有高度敏感性，该算法达到了扩散、置乱和混淆的保密效果，从而证明基于混沌和传统加密相结合的保密方法有效性，并且其实验装置已经通过互联网络的保密试验取得了成功,原文件图,加密文件图,解密文件图,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。
13、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，
14、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
15、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http:/www.outguess.org/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。,
