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        基于抗退化混沌系統(tǒng)的動態(tài)S盒設(shè)計與分析

        2022-11-08 12:42:32趙耿張森民馬英杰高世蕊
        計算機應(yīng)用 2022年10期
        關(guān)鍵詞:初值比特差分

        趙耿,張森民,馬英杰,高世蕊

        (北京電子科技學院 網(wǎng)絡(luò)空間安全系,北京 100070)

        0 引言

        S 盒是分組密碼的核心部件之一,也是眾多分組密碼唯一非線性部件,為分組密碼提供了置亂作用,其性能與分組密碼算法的安全性密切相關(guān)[1],因此性能良好的S 盒對分組密碼至關(guān)重要。S 盒主要有三種設(shè)計方法:隨機構(gòu)造法、數(shù)學構(gòu)造法和將二者相結(jié)合的方法[2-4]。混沌系統(tǒng)具有偽隨機性、遍歷性和初值敏感性,與密碼學擴散和混亂的安全要求有天然相似性,近年來被廣泛應(yīng)用于S 盒的設(shè)計中[5-6]。

        文獻[7]中提出了使用多個初始映射設(shè)計S盒,對S 盒做非線性操作,提高了S 盒的安全性能;但采用多重混沌映射會使系統(tǒng)運算效率降低。文獻[8]中利用系統(tǒng)與Tent 映射拓撲共軛的性質(zhì),給出系統(tǒng)概率密度函數(shù)并進一步實現(xiàn)系統(tǒng)的均勻化;均勻化后構(gòu)造的S 盒性能更優(yōu),但嚴格雪崩準則還有待提升。文獻[9]中提出了一種采用三維Baker 混沌映射獲取強S 盒的擴展方法,修正了二維Baker 混沌映射生成S 盒存在的缺陷,比二維Baker 映射具有更強的混沌特性;但混沌系統(tǒng)仍存在退化問題。文獻[10]中研究開發(fā)了一個基于隨機選擇的S 盒生成器工具箱,可以使用經(jīng)典隨機函數(shù)和混沌系統(tǒng)類作為熵源,提升了S 盒的生成效率。文獻[11]中提出了一種基于混沌驗證碼生成S 盒的方法,可用于驗證門戶網(wǎng)站和其他用戶界面多媒體人機交互的安全性。文獻[12]中提出了一種基于正弦映射構(gòu)造S 盒的有效方法,能夠產(chǎn)生高效非線性的隨機整數(shù)序列;但不能動態(tài)批量地生成S 盒。

        上述方法均在一定程度上使混沌系統(tǒng)生成S 盒的密碼學性能更優(yōu)、效率更高,但均未考慮所使用混沌系統(tǒng)在有限精度條件下會退化的問題[13]?;煦缦到y(tǒng)的退化是指,在有限精度條件下迭代一定次數(shù)后會落入周期軌道或固定在某一值,從而導致生成的混沌序列容易被預(yù)測,使S 盒存在安全隱患。同時,這一原因也是混沌密碼走向?qū)嵱玫囊淮笳系K[14-16]。

        本文采用抗退化混沌系統(tǒng)生成S 盒:一方面能有效解決混沌系統(tǒng)生成序列退化問題,使之在數(shù)字有限精度下持續(xù)產(chǎn)生非周期序列,避免存在安全風險;另一方面可通過隨機改變系統(tǒng)參數(shù)值批量動態(tài)地生成S盒,極大提升了S 盒生成效率。首先,設(shè)計了抗退化混沌系統(tǒng)部分,將量化的Lorenz 混沌系統(tǒng)擾動數(shù)字Chebyshev 混沌系統(tǒng),使數(shù)字Chebyshev 系統(tǒng)生成的混沌序列周期大大延長。然后,設(shè)計了S 盒的生成,采用截取位數(shù)法和劃分區(qū)間法生成兩種初始S 盒S1、S2,再使用索引排序擾亂法生成最終S 盒。由于該方案可對抗退化混沌系統(tǒng)的參數(shù)在一定范圍內(nèi)隨機調(diào)節(jié),故可以動態(tài)批量地生成S盒[17]。

        1 抗退化混沌系統(tǒng)設(shè)計

        混沌系統(tǒng)在模擬狀態(tài)下具有初值敏感性、遍歷性和不可預(yù)測性等良好的動力學特性,但被運用到計算機等有限精度設(shè)備上時會發(fā)生退化行為。具體表現(xiàn)為迭代一定次數(shù)后混沌會落入周期軌道或固定在某一值,從而導致基于混沌的密碼算法存在安全風險。為解決混沌退化問題,本文采用擾動法來抵抗數(shù)字混沌系統(tǒng)的退化:首先迭代模擬Lorenz 混沌映射1 000次,對1 000 次以后的數(shù)值進行離散采樣;然后將采樣后的值分別用于擾動Chebyshev 混沌映射的輸入、輸出和參數(shù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示,新構(gòu)建的混沌系統(tǒng)迭代若干次后可生成無周期混沌序列,以此達到抗退化目的。

        Lorenz 混沌系統(tǒng)的狀態(tài)方程為:

        Lorenz 系統(tǒng)原本是模擬的,但計算機無法處理模擬系統(tǒng),所以需要將其進行離散化處理。采用Euler 算法進行離散采樣,取采樣時間為T=0.002,Lorenz 混沌映射采樣后的表達式為:

        當系統(tǒng)參數(shù)為σ=16,b=4,r=45.92 時處于混沌狀態(tài)。

        Chebyshev 混沌映射表達式為:

        其中:β為系統(tǒng)參數(shù),X(i)和X(i+1)為第i次迭代的輸入和輸出值。數(shù)值取值區(qū)間為[-1,1]。

        利用Lorenz 混沌系統(tǒng)擾動Chebyshev 混沌系統(tǒng)的數(shù)學表達式為:

        其中:x(i)、y(i)和z(i)分別為Lorenz 混沌映射采樣后的3 個輸出變量;Q(i)和W(i)分別為擾動輸入和參數(shù)的中間變量。首先對數(shù)字Chebyshev 混沌映射的輸入和參數(shù)進行擾動,如式(4);然后,再對上一步的輸出X(i+1)進行擾動,X'(i+1)為擾動輸出后的結(jié)果,如式(5)。整體迭代式(4)~(5)即可生成抗退化數(shù)字混沌序列。

        2 動態(tài)S盒構(gòu)造算法

        本文通過抗退化數(shù)字混沌系統(tǒng)動態(tài)生成8×8 的S盒,能有效避免傳統(tǒng)數(shù)字混沌退化問題導致的安全風險,可使基于數(shù)字混沌系統(tǒng)生成的S 盒隨機性更好、安全性更高。詳細的S 盒生成方法如下所述:

        步驟1 先對Chebyshev 混沌映射賦初值X(0)=0.25,系統(tǒng)參數(shù)β=8;再迭代Lorenz 混沌映射,對Lorenz 混沌映射設(shè)初值x(0)=1,y(0)=1,z(0)=1,系統(tǒng)參數(shù)設(shè)為σ=16,b=4,r=45.92,舍去前1 000 次迭代的數(shù)值后生成三組離散混沌序列{x}、{y}、{z},分別用于擾動數(shù)字Chebyshev 混沌映射的輸入、輸出和參數(shù);然后再將式(4)~(5)迭代5 000次,即可生成第一個混沌序列。

        步驟2 步驟1 迭代完5 000 次后,改變系統(tǒng)參數(shù)可生成不同的混沌序列,對Lorenz 混沌系統(tǒng)的參數(shù)數(shù)值σ累加0.04,繼續(xù)迭代5 000 次則生成新的混沌序列,以此類推可生成500 個混沌序列{X1},{X2},…,{X500},每個序列數(shù)值個數(shù)為5 000。

        步驟3 采用截取位數(shù)法生成初始S 盒S1。準備長為256的空 S 盒 S1,對第一個混沌序列X1={X1(0),X1(1),…,X1(5 000)}的第一個值X1(0)截取小數(shù)點后的前4位,對X1(1)截取第5 至8位,對X1(2)截取第9~12位,依此類推,截取第13~16 位后返回截取前4 位。然后將截取的值分別模256,按順序?qū)⑺脭?shù)值存入S1 盒中,如果待存入值在S1 盒中已存在,則舍去該值繼續(xù)存下一個直至S1盒存滿。

        步驟4 采用劃分區(qū)間法生成初始S 盒S2,準備一個長為256 的空S 盒S2,將[-1,1]等分為1 000 個小區(qū)間,并為每個小區(qū)間標上序號i(i=1,2,…,1 000)。判斷第一個混沌序列X1={X1(0),X1(1),…,X1(5 000)}中每一個值所在的區(qū)間,并將每一個區(qū)間號模256,然后將所得數(shù)值按順序存入S2 盒中,如果待存入值在S2 盒中已有,則舍去該值繼續(xù)存下一個直至S2 盒存滿。

        步驟5 采用索引排序擾亂法生成最終S 盒S3,準備長為256 的空S 盒S3,令S2 盒的256 個值作為S3 盒的索引序號,按順序把S1 盒中的256 個值分別放入S3 盒中對應(yīng)索引序號的位置,從而完成初始S 盒的擾亂,可有效增強其隨機性。

        步驟6 對步驟2 生成的其余混沌序列重復步驟3~5,即可動態(tài)生成500 個8×8 的S 盒。圖2 為生成的一個S 盒的示例。

        3 抗退化混沌系統(tǒng)性能分析

        本文對改進后系統(tǒng)的軌跡圖、初值敏感圖和吸引子圖進行分析,以驗證是否具有遍歷性、初值敏感性和不可預(yù)測性。原始數(shù)字Chebyshev 混沌系統(tǒng)在迭代一定次數(shù)后會成為周期序列,如圖3;改進后系統(tǒng)生成的序列周期被極大延長,迭代500 次以上仍保持無規(guī)則的軌跡,說明生成的數(shù)值不可預(yù)測,系統(tǒng)是無退化的,如圖4。

        在低有限精度情況下,如果系統(tǒng)的輸入初值有很小改變,迭代一定次數(shù)后運動軌跡會完全不一樣,則說明系統(tǒng)具有初值敏感性。在保持兩個系統(tǒng)其余參數(shù)不變的情況下分別使初始值為0.250 000 00 和0.250 000 03,圖5 是兩個系統(tǒng)的軌跡圖。可以看出,即使輸入差別很小迭代若干次后二者軌跡截然不同,說明系統(tǒng)具備初值敏感性。

        數(shù)字混沌系統(tǒng)的吸引子呈點狀分布。數(shù)字混沌系統(tǒng)的吸引子分布得越隨機、越均勻,說明混雜效果越好。數(shù)字Chebyshev 混沌系統(tǒng)的吸引子只分布在幾個固定的點上,改進系統(tǒng)的吸引子均勻分布,如圖6 所示,說明系統(tǒng)混雜效果好,具有遍歷性。

        4 S盒安全性能分析

        4.1 非線性度

        令f:→F2為n元布爾函數(shù),則f(x)的非線性度為:

        其中:dH(f,l)為f與l的漢明距離;Ln為仿射函數(shù)集。

        本文通過Walsh 譜計算函數(shù)的非線性度,表達式為:

        其中:x·ω為x與ω的點積,即x·ω=x1ω1⊕x2ω2⊕…⊕xnωn。在S 盒安全分析中,非線性度越高說明抵抗線性分析的能力越強。表1 是本文S 盒非線性度值與其他方案的比較,每一種方案共有8 個非線性度值,求出各自均值后比較可以看出本文S 盒的非線性度平均值達到106.00,高于文獻[9,14-15]的平均值,因此其抵抗線性分析的能力更強。

        表1 不同方案的非線性度對比Tab.1 Nonlinearity comparison among different schemes

        4.2 差分均勻性

        差分均勻性是衡量S 盒抵抗差分分析能力的重要指標,文獻[14]給出了差分均勻性的計算方法,對于多輸出函數(shù)S(x)=(f1(x),f2(x),…,fm(x)):,差分均勻性計算公式如下:

        其中:?∈GF(2n),β∈GF(2n),#表示計數(shù)。

        差分逼近概率[2]也可用來衡量差分分布的性能:

        其中:DP表示輸入差分確定情況下,輸出差分Δy的最大可能性;X表示全部可能輸入情況的集合;2n為集合中的元素個數(shù)。

        最大差分值越小表明S 盒的差分均勻性越好,抗差分攻擊能力越強。表2 展示了與其他文獻方案的對比結(jié)果,文獻[10]最大差分值為10,文獻[10-13]最大差分值為12,本文方案的S 盒最大差分值為10,具有更好的抗差分攻擊能力。

        表2 不同方案的最大差分值對比Tab.2 Maximum difference comparison among different schemes

        4.3 嚴格雪崩準則

        嚴格雪崩準則(Strict Avalanche Criterion,SAC)是指當輸入變量改變1 比特時,會導致輸出有一半的比特發(fā)生改變。通常構(gòu)造相關(guān)矩陣來驗證布爾函數(shù)是否滿足嚴格雪崩準則,若每個元素的值越接近0.5,則說明越滿足嚴格雪崩準則。本文S 盒的SAC 相關(guān)矩陣如圖7 所示。最大值和最小值分別為0.593 8、0.406 3,平均值為0.499 3,與0.500 0 只相差0.000 7。與其他文獻的對比結(jié)果如表3 所示,本文SAC 值比文獻[10-13]的S 盒更接近理論值0.500 0,表明該系統(tǒng)滿足嚴格雪崩準則,具有相對更好的安全性能。

        表3 不同方案的嚴格雪崩準則對比Tab.3 Strict avalanche criterion comparison among different schemes

        4.4 輸出比特間獨立性

        范明慧等[14]提出了驗證系統(tǒng)是否滿足輸出比特間獨立性(Output Bits Independence Criterion,BIC)的方法,可通過計算S 盒的任意兩個輸出比特fj和fk異或的值fj⊕fk是否滿足嚴格雪崩準則來確定,運算結(jié)果越逼近于理論值0.500 0,說明一個輸入比特取反的情況下,越能保證輸出比特對相關(guān)系數(shù)越接近于0。本文構(gòu)造S 盒的相關(guān)矩陣數(shù)值如圖8 所示,平均值為0.499 9,與理論值0.500 0 僅相差0.000 1;與其他文獻方案的對比如表4 所示,文獻[10]方案的平均值為0.497 2,文獻[11]方案的平均值為0.507 8,文獻[12]方案的平均值為0.498 8,文獻[13]方案的平均值為0.501 3,對比發(fā)現(xiàn)本文方案的輸出比特間獨立性更強。

        表4 不同方案的輸出比特間獨立性對比Tab.4 Comparison of output bits independence criterion among different schemes

        4.5 雙射特性

        在實際的加密運用中,S 盒通常要求可逆,在代換-置換網(wǎng)絡(luò)(Substitution Permutation Network,SPN)型分組密碼結(jié)構(gòu)中,S 盒必須滿足此條件。S 盒滿足雙射的充分必要條件為各分量條件的布爾函數(shù)之和為2n-1,即

        其中 :fi為 S 盒的第i個分量的布爾函數(shù)ai∈{0,1}(a1,a2,…,an) ≠(0,0,…,0);ωt(·)表示漢明重量。若式(10)成立,說明每個fi滿足0/1 平衡,且滿足雙射條件。

        由式(10)可知,當n=8,滿足雙射性的標準值是128,通過計算,本文S 盒所有分量的布爾函數(shù)之和均為28-1=128,因此該S 盒是雙射的。

        5 結(jié)語

        本文首先提出抗退化混沌系統(tǒng)的構(gòu)造方案,使用Lorenz混沌系統(tǒng)擾動數(shù)字Chebyshev 混沌系統(tǒng),使生成混沌序列的周期大幅延長;然后,在此基礎(chǔ)上,采用截取位數(shù)法和劃分區(qū)間法生成兩種8×8 的初始S 盒;最后,通過索引排序擾亂法生成最終S 盒。由于Lorenz 混沌系統(tǒng)的參數(shù)可在一定范圍內(nèi)隨機切換,故可批量生成S 盒。最終對抗退化混沌系統(tǒng)和生成的S 盒進行分析與對比,實驗結(jié)果表明,該混沌系統(tǒng)具有遍歷性、初值敏感性和不可預(yù)測性,并且數(shù)據(jù)具有比模擬狀態(tài)下更好的隨機性。S 盒的非線性度、差分均勻性、嚴格雪崩準則、比特間獨立性等性能優(yōu)于近年來文獻的方案,具備較為優(yōu)秀的密碼學性能。而且相較于其他數(shù)字混沌方法生成的S盒,采用的混沌序列不僅不存在短周期行為、隨機性更好,能消除生成源上的安全隱患,而且還能批量動態(tài)地生成S盒,所以該方案生成的S 盒運用于分組密碼具備更優(yōu)的安全性能。下一步計劃將本文S 盒用于分組密碼算法設(shè)計和圖像加密相關(guān)領(lǐng)域的研究。

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