加密过程与明文相关的混沌图像加密算法的安全性分析

摘要

图像加密技术已经成为研究者们的研究热点，其核心问题是加密算法的安全性。目前对混沌图像加密算法的安全性研究可以分为两个方向：一是提出或沿用已知的安全性评价指标来衡量算法的安全性能，常见的指标有密钥空间大小、两相邻像素相关性、像素数变化率和统一平均变化强度等；二是利用密码分析的方法，有针对性的对具体的图像加密方案进行安全性分析，常见的方法有差分分析、代数攻击、暴力攻击以及轮廓攻击。然而已有学者指出现阶段所用的安全性评价指标对衡量方案的安全性没有实际意义，再高的安全指标其加密方案也可能是不安全的。另一方面，密码分析旨在发现图像加密方案中存在的不足，使方案设计者可以针对这些不足进行改进，进而可以从底层算法结构上提升方案的安全性。但是现阶段针对加密过程与明文相关的混沌图像加密方案的安全性分析相对较少，还不能完全暴露这类方案所存在的缺陷。因此，图像加密方案的密码分析具有重要意义。　　本文针对两种近期提出的混沌图像加密算法，分别利用分别征服的思想和代数分析的方法对原方案进行了攻击，结果显示原方案尚无法抵御现有密码分析方法的攻击。本文还分析总结了近几年的混沌图像加密方案中存在的不足，并提出针对性的改进建议。具体成果如下：　　(1)针对He等人设计的明文相关的JPEG图像加密算法的选择明文攻击。本文分析并指出了方案中存在的漏洞，并基于选择明文攻击的条件，利用分别征服的思想，设计了一种密码分析方案，使攻击者可以在不知道密钥的情况下恢复得到明文图像。最后借助计算机软件仿真给出相应的攻击实例，验证了攻击方案的正确性，并对攻击方案的复杂度和成功率进行了分析。　　(2)对Ping等人提出的图像加密算法进行了密码分析。本文发现方案中存在窄管道问题，然后引入代数攻击，通过选择明密文对建立多个多元的非线性方程组，再通过求解方程组的形式恢复得到等效工作密钥，最后验证了攻击方案的正确性，并对攻击方案的复杂度和成功概率进行了分析。　　(3)分析总结了目前安全性较高的加密过程与明文相关的混沌图像加密方案中常见的一些安全漏洞，并提出了一些针对性的改进建议。

目录

声明

第 1 章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 通过增加混沌系统复杂性来提高方案的安全性

1.2.2 针对图像加密方案的安全性评价方法和指标的研究

1.2.3 通过改进算法结构来提高方案安全性

1.2.4 针对加密过程与明文相关结构的加密方案的密码分析工作进展

1.3 论文主要工作及创新点

1.4 论文组织结构

第 2 章相关基础理论

2.1密码学

2.1.1 密码系统模型

2.1.2 密码系统设计原则

2.1.3 Kerckhoffs 准则

2.2 混沌数字图像加密系统

2.2.1 数字图像的特征

2.2.2 混沌图像加密系统的结构

2.3 常见的密码分析条件及方法

2.4 JPEG编码原理

2.4.1 DCT 变换和反 DCT 变换

2.4.2 量化和反量化

2.4.3 Zig-zag 扫描和反 Zig-zag 扫描

2.4.4 熵编码和熵解码

2.5本章小结

3.1 He 方案的回顾

3.1.1 密钥生成算法

3.1.2 加密方案描述

3.1.3解密过程

3.2 He 方案的分析

3.3 He 方案的密码攻击

3.3.1ACC 特征值的提取

3.3.2ACC 加密过程的密码分析

3.2.3 DCC 加密过程的密码分析

3.4 仿真实验及结果

3.4.1 提取 ACC 特征值

3.4.2ACC 加密过程的密码分析

3.4.3 DCC 加密过程的密码分析

3.4.4 攻击总结

3.5 本章小结

第 4 章针对基于 Henon 映射的图像加密算法的代数攻击

4.1 Ping方案回顾

4.1.1 混沌系统

4.1.2 密钥生成算法

4.1.3 加密解密算法原理

4.1.4 解密过程

4.2 Ping方案中存在的缺陷

4.3 攻击原理及步骤

4.3.1 置乱加密算法的密码分析

4.3.2 扩散加密算法的密码分析

4.4 实验仿真及结果

4.4.1 提取明文特征值

4.4.2 密钥恢复

4.4.3算法复杂度分析

4.5 本章小结

第 5 章 图像加密方案改进建议

总结与展望

致谢

参考文献