生成伪随机序列的方法和对数据流进行编码或解码的方法技术

本发明专利技术涉及用于对第一数据流进行编码的方法以及用于对第二数据流进行解码的方法，其中所述编码是借助于异或比较操作(XOR)将第一数据流与由伪随机序列形成的第三数据流进行比较的结果。具体地，本发明专利技术涉及基于超混沌编码方法以用于生成在编码和解码中所使用的伪随机序列的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于对第一数据流进行编码以产生第二编码数据流的方法，并且涉及用于对该第二数据流进行解码的方法，其中，所述编码是借助于异或比较操作(XOR)将所述第一数据流与由伪随机序列形成的第三数据流进行比较的结果。具体地，本专利技术涉及基于超混沌编码方法以用于生成在编码和解码中所使用的伪随机序列的方法。
技术介绍
本专利技术涵盖在安全通信的信息流编码领域内。具体地，本专利技术涵盖在基于超混沌系统的方法的领域内，所述方法中的一些在现有技术中是已知的。在将消息从发射器A发送至接收器B的简单通信情况下，通过使得A和B可以分别进行编码和解码的方法对此消息进行编码。编码信息被称为密码或加密消息，并且通过通信信道来发送此编码信息。该消息由任何长度的比特流形成，并且A和B分别生成用于编码和解码的二进制序列。这些二进制序列为加密序列。如果利用用于A的加密序列、通过执行二进制XOR(异或)操作对来自A的消息进行加密，则在应用于A的加密序列与应用于B的加密序列相同时在B中恢复原始消息，该XOR操作的表格在表1中示出。表1：XOR表格原始消息(M)加密序列(S)加密消息(M XOR S)000011101110本专利技术基于由相同作者在论文“Vidal,G.Sincronización y control de sistemas dinámicos en régimen de caos espacio-temporal(Synchronization and control of dynamical systems in space-time chaos)(博士论文，纳瓦拉大学，西班牙，2010)”中所公布的文献，其详述了用于基于超混沌系统来获得随机序列的方法以及根据动态系统所生成的序列。动态系统是其状态随时间演变的系统。在所述状态下的行为可以通过在识别所涉及元素以及它们的关系之后确定系统的行为方程来进行建模。借助于微分方程或微分方程组所建模的动态系统使得能够通过求解所述方程或方程组来在该系统的行为方面对该系统进行描述。特别地，可以以x'(t)＝f(t,x(t))的形式来表示一阶微分方程初始值问题，其中x(t)是系统的作为时间t的函数的解，并且其中初始条件为x(t0)＝x0。如果不是常微分方程，系统需要使用较多变量，那么x为属于Rn空间的向量变量，n是方程组的维数，并且其中向量x的每个分量是作为时间的函数的变量。混沌加密基于关于安全通信系统的混沌理论的使用。混沌理论研究对初始条件的较小变化具有高响应灵敏度的确定性系统。当编码开始时对系统A和系统B进行同步。这意指在两个系统中正生成相同的随机序列以使得能够在通信的两端处使用XOR运算符对消息进行编码和解码。如果该同步未发生，则解码消息将不是原始编码消息。在前述论文文献中所描述的方法提出了一种用于生成随机序列的方法，其中两个系统A和B对各自的微分方程组进行求解。目的在于寻找遵循由C.E.Shannon在“Shannon，C.E.[1949]“Communication Theory of Secrecy Systems”Bell System Technical Journal(贝尔系统技术杂志)28,656-715页”中的理论方法的加密，该文献指出了使消息遵循“完全保密”的必要充分条件为加密并非在概率上取决于消息，因此概率方法不能用于揭示该消息的属性。由Shannon所做出的另一重要结论为：如果密钥的长度不会带来不便，则弗纳姆密码是最合适的。弗纳姆密码具有3个基本特征：1.密钥，在该情况下为加密序列，必须与要加密的消息一样长。2.一旦已经被使用，该密钥不能被再次使用。出于此原因，弗纳姆密码也被称为“一次性密码本”。3.密钥由随机均匀分布的符号的列表组成。第一属性要求密钥足够长。理论上，当使用混沌动态系统时，轨迹可以在不曾变得具有周期性的情况下根据需要尽可能地长。在计算机中不可能具有无限长度的序列，但是这可以在舍入误差不影响方法的情况下通过对时间段进行积分以足够的精度来实现，并且这些时间段根据要处理的情况的需要而足够长。第二属性可以通过禁止初始条件的值重复的软件容易地实现。在论文文献中所描述的加密和解密技术的特定情况设立了两个与初始值问题相关联的耦合微分方程组。在这些方程组中，一个用于生成加密密钥，而另一个用于生成解密密钥，使得即使它们始于不同的初始条件，但是由于耦合项，它们也在确定时间段上积分之后根据相同的解而结束演变。存在两个用于执行耦合以确保通信终端真实性的选项：动态系统的耦合参数的值是公共的，并且存在能够对消息接收器进行认证的第三方；或者通过安全信道——例如通过使用RSA(Rivest、Shamir和Adleman)密钥或Diffie-Hellman密钥——来交换动态参数的值。第二属性也可以通过禁止耦合因子重复的软件来实现。在现有技术中的大多数已知情况下，这两种属性涉及通过通信信道来传递大量密钥并且成本过高。然而，在论文文献所描述的示例中，仅发送一组参数。这些参数提供对与在包含轨迹的相空间中找到的“数字”点一样多的一组密钥的访问。然而，为了得知具体密钥，必须执行系统A和系统B之间的同步处理；即，必须对两个系统足够长地积分，以认为在两个系统中所获得的作为时间的函数的解是相同的，或者其差异低于非常小的阈值或低于在利用计算机完成工作的情况下被称为“机器误差”的值。第三属性需要随机信号；然而，起始点却是确定性系统。系统的动态属性以及信号白化处理用于执行该处理。连续的确定性信号甚至超混沌信号的主要问题之一为：这些信号可以被如此容易地跟踪。这意指探密者可以通过获知之前时刻值而或多或少正确地估算信号的下个值。因此，可能的探密者可以限制可能的初始条件直到最终揭示密钥为止。白化处理用于防止这样的攻击。论文文献描述了使得能够将连续信号转换成二进制信号的白化处理。开始时，需要高度不相关的连续信号，从而将加密消息的统计信息最小化。论文文献描述了基于超混沌系统具有下述连续信号的事实的方法：该连续信号的时间自相关会快速丧失。另一方面，还期望序列生成系统是高维系统，因此在所求解方程组的解中较难出现周期解，而周期解却是在利用计算机化的混沌进行工作时的典型问题。如果在方程组的解中存在周期性，则有助于探密本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于生成伪随机序列的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：a)提供初始值微分方程x'＝f(x,t)，b)提供针对所述微分方程的初始值x0＝x(t0)，c)提供针对所述微分方程的积分步长δt以用于进行时间离散化tk＝t0+k·δt，k＝1,2,3…，d)根据所述初始值并且利用所述步长δt来执行所述微分方程的数值积分以用于获得解的近似值xk＝x(tk)，e)通过对所述值xk进行采样来生成第一值序列，所述第一值序列能够数值地表示为0.d0d1d2d3d4…dr…dw·10e形式的浮点型，其中e为指数，w为尾数的长度，d0为所述尾数中的最具代表性数字，并且dr为下述数字：所述数字使得所述解的近似值xk中所述数字以及所述数字左边的所有数字与所述微分方程的解的精确值一致，以及f)根据对所述值序列xk的选择来生成具有数字di…dr的伪随机序列，其中i为满足0<i≤r的预定整数值。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.05.24 EP 12382201.7;2012.08.14 US 61/682,9641.一种用于生成伪随机序列的方法，其特征在于，所述方法包括以
下步骤：
a)提供初始值微分方程x'＝f(x,t)，
b)提供针对所述微分方程的初始值x0＝x(t0)，
c)提供针对所述微分方程的积分步长δt以用于进行时间离散化tk＝t0+k·δt，k＝1,2,3…，
d)根据所述初始值并且利用所述步长δt来执行所述微分方程的数值
积分以用于获得解的近似值xk＝x(tk)，
e)通过对所述值xk进行采样来生成第一值序列，所述第一值序列能
够数值地表示为0.d0d1d2d3d4…dr…dw·10e形式的浮点型，其中e为指数，
w为尾数的长度，d0为所述尾数中的最具代表性数字，并且dr为下述数
字：所述数字使得所述解的近似值xk中所述数字以及所述数字左边的所
有数字与所述微分方程的解的精确值一致，以及
f)根据对所述值序列xk的选择来生成具有数字di…dr的伪随机序列，
其中i为满足0<i≤r的预定整数值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤d)中执行n元微分方
程组x's＝fs(x1,x2,…xn,p1,p2,…pm,t)，s＝1…n的数值积分，其中n也为
未知数的数目并且所述微分方程组包含m个参数pj，j＝1…m，使得步骤
f)中的所述伪随机序列根据从所述微分方程组中预先选择的n个变量中
的一个变量来生成。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在步骤f)之后，
每个数字d被描绘为具有预先设立的字长D1的二进制，所述数字的连接
形成二进制序列。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在步骤f)之后，
使每个数字d与二进制表示相对应，所述数字的连接形成二进制序列。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，预先设立字长
D2，并且使用具有D2位的字、根据所述二进制序列来形成整数数字。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，根据以下步骤将
所述伪随机序列扩展成具有较多数目的元素的序列：
·预先设立正整数值DIM，
·根据所述伪随机序列来构建整数DIM维的两个向量V1和V2，
·根据乘积V1·V2T来构建DIM×DIM维的扩展矩阵Me，其中V2T为
V2的转置向量，以及
·借助于连接所述矩阵Me的行来生成扩展序列。
7.根据权利要求6所述的方法，其中：
·预先设立值K1，以及
·在生成所述扩展序列之前，用由计算所述矩阵Me中的每个元素的
K1模所产生的值来替代所述矩阵Me中的每个元素。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其中：
·除所述向量V1和V2之外，根据所生成的伪随机序列来构建整数
DIM维的向量V3，以及
·在借助于连接所述矩阵Me的行来生成所述扩展序列之前，在所述
矩阵Me的行中的每行上，根据通过所述向量V3的相同行所设立的整数值
将Me的行中的每行沿预先设立的方向循环地旋转整数次。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，其中：
·预先设立值K2，所述值K2优选地为所述DIM值，以及
·用由计算所述向量V3中的每个元素的K2模所产生的值来替代所述
向量V3中的每个元素。
10.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，其中，对于借助于连
接所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：格拉尔德·维达尔卡桑亚，
申请(专利权)人：埃尼格传媒公司，
类型：发明
国别省市：西班牙;ES