混沌及其信息安全应用电子书

内容简介

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前言

第1章 绪论

1.1 线性、非线性与混沌

1.2 混沌研究历程

1.3 混沌发展中的重要人物与趣事

1．洛伦兹与蝴蝶效应

2．李天岩与混沌概念

3．费根鲍姆与费根鲍姆常数

4．蔡少棠与蔡氏电路

5．陈关荣与陈氏吸引子

6．罗伯特·梅与Logistic映射

1.4 混沌的定义与特征

1.5 混沌同步方法研究综述

1.5.1 现有混沌同步方法及其特点

1.5.2 其他同步方法与问题

1.6 混沌在信息安全中的应用研究综述

1.6.1 混沌模拟通信

1.6.2 混沌数字通信

1.6.3 基于混沌序列的加密通信

1.7 混沌研究方法与主要研究内容

思考题

参考文献

第2章 非线性系统的混沌特性分析方法

2.1 相轨线（相图）分析法

2.2 自功率谱分析法

2.3 Poincaré截面法

2.4 Lyapunov特征指数法

2.4.1 Lyapunov指数的定义

2.4.2 Lyapunov指数谱

2.4.3 Lyapunov指数的物理意义

2.4.4 条件Lyapunov指数

2.5 分数维分析法

2.6 0-1测试法

2.6.1 0-1测试算法

2.6.2 改进的0-1测试算法

2.6.3 0-1测试法应用

2.7 分频采样法

2.8 赝相空间法

2.9 复杂度测度法

2.9.1 谱熵复杂度算法

2.9.2 C0复杂度算法

2.9.3 排列熵算法

2.9.4 网络排列熵算法

2.10 SALI算法

思考题

参考文献

第3章 典型混沌动力学系统

3.1 离散混沌映射系统

3.1.1 Logistic映射

3.1.2 Tent映射

3.1.3 Hénon映射

3.1.4 TD-ERCS映射

3.2 连续混沌系统

3.2.1 Duffing振子

3.2.2 vanderPol振子

3.2.3 Lorenz系统

3.2.4 Rössler系统

3.2.5 蔡氏电路

1．双涡卷蔡氏混沌吸引子

2．3涡卷蔡氏混沌吸引子

3．5涡卷蔡氏混沌吸引子

4．7涡卷蔡氏混沌吸引子

3.2.6 Chen系统

3.2.7 Lü系统

3.2.8 统一混沌系统

3.2.9 简化Lorenz系统

1．对称性和不变性

2．耗散性和吸引子的存在性

3．平衡点和稳定性

3.2.10 新混沌系统的建议标准

3.3 超混沌系统

3.3.1 Rössler超混沌系统

3.3.2 Chen超混沌系统

3.3.3 折叠毛巾超混沌映射

3.3.4 2D-SIMM超混沌映射

思考题

参考文献

第4章 混沌系统的同步原理与方法

4.1 混沌同步定义

4.2 混沌同步系统的性能指标

4.3 反馈同步控制原理与性能

4.3.1 连续混沌系统的多变量驱动反馈同步

1．反馈控制器的控制律

2．同步仿真与结果讨论

4.3.2 离散混沌系统的线性和非线性反馈同步

1．同步控制器的控制律

2．数值仿真与结果讨论

4.4 基于Pecora-Carroll同步判据的参数自适应同步

4.4.1 自适应同步原理

4.4.2 控制律与控制参数的选择

4.4.3 控制常数边界与范围的确定

4.4.4 系统仿真与结果讨论

4.5 基于Lyapunov稳定性理论的自适应同步

4.5.1 确定参数的自适应同步

4.5.2 不确定参数的自适应同步

4.6 间歇反馈同步

4.6.1 不同系统间的间歇同步

4.6.2 同步仿真与性能分析

1．系统初值对同步性能的影响

2．不同k值，D值和步长h对系统同步性能的影响

3．参数值α对系统同步性能的影响

4.7 基于状态观测器方法的混沌同步

4.7.1 状态观测器设计原理

4.7.2 统一混沌系统的状态观测器设计

4.7.3 仿真与结果讨论

1．不同参数α值对系统同步性能的影响

2．噪声干扰对系统同步性能的影响

3．系统初值对系统同步性能的影响

4．n2取值对系统同步性能的影响

4.8 混沌观测器同步

4.8.1 混沌观测器设计原理

4.8.2 统一混沌系统的混沌观测器设计

4.8.3 同步仿真与性能分析

1．不同α参数值对系统同步性能的影响

2．系统初值对系统同步性能的影响

3．不同b22取值对系统同步性能的影响

4.9 投影同步

4.9.1 比例投影同步原理与仿真

4.9.2 函数投影同步原理与仿真

4.9.3 自适应函数投影同步与仿真

1．驱动系统参数未知的自适应函数投影同步控制与仿真

2．参数未知的同构混沌系统的同步控制与仿真

3．参数未知的异构混沌系统的同步控制与仿真

4.10 分数阶时延Lorenz混沌系统网络同步

4.10.1 分数阶时延混沌系统环状网络同步算法

4.10.2 分数阶时延Lorenz混沌系统网络同步求解

4.10.3 分数阶时延Lorenz混沌系统网络同步仿真

4.11 混沌同步存在的问题与研究热点

思考题

参考文献

第5章 基于混沌同步的保密通信技术

5.1 混沌掩盖通信

5.2 混沌键控通信

5.2.1 COOK

5.2.2 CSK

5.2.3 DCSK

5.2.4 FM-DCSK

5.2.5 QCSK

5.3 混沌调制通信

5.4 混沌扩频通信

5.4.1 混沌直接序列扩频通信原理

5.4.2 混沌扩频码的产生

1．序列的平衡性

2．序列的相关性

5.4.3 多用户混沌扩频系统仿真模块设计

1．混沌扩频序列发生器模块

2．相关接收模块

3．Rake接收模块

4．多径信道模块

5．极性变换模块

6．帧采样模块

5.4.4 基于Rake接收的多用户混沌扩频系统的设计与仿真

5.4.5 基于Rake接收的多用户混沌扩频系统的性能分析

思考题

参考文献

第6章 基于混沌序列的信息加密技术

6.1 混沌密码学

6.1.1 传统密码体制

6.1.2 混沌密码与传统密码的关系

6.1.3 混沌序列加密原理

6.2 基于混沌序列的信息加密算法

6.2.1 混沌加密算法的基本要求

6.2.2 Logistic混沌系统及其统计特性

6.2.3 混沌序列加密模型与算法

6.2.4 基于混沌序列的数据加密算法实现

6.2.5 系统调试与性能分析

1．系统调试

2．算法抗破译能力分析

3．密文数据的统计分布

4．实验效果

6.3 基于混沌映射的二值水印图像加密算法

6.3.1 混沌伪随机序列发生器的改进

6.3.2 基于TD-ERCS混沌映射的二值水印图像加密算法

1．TD-ERCS混沌映射

2．加密算法设计

6.3.3 加密算法的性能分析

1．混沌序列对初始条件的敏感性测试

2．相邻像素差置乱度分析

3．抗穷举性分析

6.4 基于混沌映射和小波变换的彩色图像水印算法

6.4.1 小波变换算法及其应用

1．连续小波变换

2．图像的二维离散小波变换

3．小波变换在图像水印中的应用

6.4.2 水印嵌入与提取算法的设计与实现

1．水印算法原理

2．水印嵌入位置的选择

3．小波基函数的选择

4．广义Arnold映射

5．水印嵌入与提取算法

6.4.3 数值仿真与性能分析

1．隐蔽性分析

2．鲁棒性分析

3．安全性分析

思考题

参考文献

第7章 混沌图像加密算法原理与设计

7.1 混沌图像加密理论基础

7.1.1 混沌图像加密算法基本原理

7.1.2 混沌系统的选择

7.1.3 图像加密算法的性能评估

1．密钥空间和密钥敏感性

2．分布直方图

3．相邻像素对的分布图和互相关系数

4．信息熵

5．像素变化率与归一化平均变化强度

7.2 基于循环移位的混沌图像快速加密算法

7.2.1 图像加解密算法设计

1．2D-SIMM混沌映射

2．密钥结构设计

3．CST混淆算法设计

1)CST算法定义

2)混淆性能分析

4．图像加解密算法的具体步骤

7.2.2 安全性与时间复杂度分析

1．密钥分析

2．抗统计攻击性能分析

1)分布直方图

2)相邻像素对之间的互相关系数

3)信息熵

3．抗已知明文和选择明文攻击性能分析

4．抗差分攻击性能分析

5．时间复杂度分析

7.2.3 彩色图像拓展算法及其性能分析

7.3 基于DNA和混沌的图像加密算法

7.3.1 DNA运算规则

1．DNA编解码规则

2．DNA加减法规则

3．DNA异或规则

4．DNA互补规则

7.3.2 DNA加密算法设计

1．3D-SIMM混沌系统

2．密钥结构设计

3．混沌加解密算法规则

1)多方向循环移位

2)DNA序列运算

7.3.3 图像加解密实验结果

1．密钥空间分析

2．密钥敏感性分析

3．抗统计攻击性能分析

1)分布直方图

2)相邻像素对的互相关系数

3)信息熵

4．抗差分攻击性能分析

5．抗已知明文和选择明文攻击性能分析

7.4 基于位水平的混沌图像加密算法

7.4.1 图像加解密算法设计

1．密钥结构设计

2．图像加密算法设计与分析

3．图像解密算法设计

4．图像加解密的仿真结果

7.4.2 算法的安全性分析

1．密钥分析

2．抗差分攻击性能分析

3．抗已知明文与选择明文攻击性能分析

4．抗统计攻击性能分析

1)直方图

2)相邻像素之间的相关性

3)信息熵

7.4.3 算法的位水平方面分析

1．高位位空间的相关性分析

2．位空间的位分布均匀性分析

7.4.4 计算复杂度分析

7.5 基于混沌和压缩感知的图像加密算法

7.5.1 图像压缩与加密算法

1．密钥结构设计

2．测量矩阵的生成

3．图像压缩-加密算法设计

1)图像的二维压缩感知算法

2)图像加密算法

4．图像解密算法设计

5．仿真结果

7.5.2 算法压缩性能分析

1．峰值信噪比（PSNR）分析

2．结构相似度（SSIM）分析

7.5.3 算法安全性分析

1．密钥分析

2．抗统计攻击分析

1)直方图分析

2)相邻像素之间的相关系数分析

3)信息熵分析

3．抗差分攻击分析

4．抗已知明文和选择明文攻击分析

7.5.4 算法实用性分析

1．时间复杂度分析

2．鲁棒性分析

思考题

参考文献

第8章 音视频混沌加密通信技术

8.1 实时语音加密通信原理

8.1.1 数字加密通信系统原理

8.1.2 实时语音加密通信系统

8.1.3 密码同步技术

8.2 实时数据流加密算法

8.2.1 3DES加密算法

8.2.2 3DES与混沌映射相结合的加密算法

8.2.3 网络同步方法研究

8.2.4 实时语音加密通信系统的安全性能分析

1．系统具有抗穷举攻击能力

2．系统具有抗明文-密文对的选择性攻击能力

3．系统具有抗频谱分析攻击能力

8.3 实时语音加密通信系统的实现

8.3.1 实时语音加密通信系统结构

8.3.2 实时传输协议及其数据结构

8.3.3 基于自适应通信环境的RTP实现

8.3.4 系统调试与性能测试

8.4 基于混沌序列的MPEG视频加密算法

8.4.1 混沌加密系统的设计原则

8.4.2 MPEG视频数据加密原理与步骤

8.4.3 基于混沌的流密码设计

8.4.4 基于混沌的置乱算法设计

8.4.5 加密实验与效果分析

8.4.6 MPEG视频加密系统性能分析

1．系统安全性分析

2．加密速度分析

8.5 基于混沌的H. 264视频加密算法

8.5.1 基于TD-ERCS的混沌流密码的构造

8.5.2 H. 264视频加密方案

8.5.3 视频加密性能分析

1．加密系统的安全性分析

2．加密系统的实时性分析

思考题

参考文献

第9章 分数阶混沌系统的分析与仿真

9.1 分数阶混沌系统的研究现状

9.2 分数阶微积分定义及其物理意义

9.3 分数阶混沌系统的求解方法

9.3.1 分数阶混沌系统的频域近似求解方法

9.3.2 分数阶混沌系统的时域近似求解方法

1．Adams-Bashforth-Moulton预估校正法

2．Adomian求解算法

9.4 分数阶混沌系统仿真方法

9.4.1 分数阶混沌系统动态仿真方法

9.4.2 分数阶混沌系统电路仿真方法

9.4.3 分数阶混沌系统数值仿真方法

9.4.4 仿真方法对比与特点分析

9.5 基于频域法的分数阶统一系统动力学特性分析

9.5.1 分数阶统一混沌系统模型

9.5.2 分数阶统一混沌系统的动态仿真

1．仿真模型建立

2．仿真参数设置

9.5.3 参数固定时分数阶统一系统的动力学特性

1．直接观测法分析

2．系统功率谱分析

3．最大Lyapunov指数分析

9.5.4 参数变化时分数阶统一系统的动力学特性分析

1．参数、阶数变化时的动力学特性

2．参数变化、阶数不变时系统通向混沌的道路

9.6 基于时域法的分数阶非耗散Lorenz系统的动力学特性

9.6.1 分数阶非耗散Lorenz系统模型

9.6.2 分数阶非耗散Lorenz系统的混沌特性

9.6.3 系统控制参数R不同时的分岔特性分析

9.6.4 分数阶阶数不同时的分岔特性

9.6.5 方程微分阶数不同时的分岔特性

参考文献

第10章 混沌系统的仿真与电路实现

10.1 混沌系统的动态仿真

10.1.1 Simulink动态仿真步骤

10.1.2 仿真结果分析与性能改善

10.2 混沌系统的电路仿真

10.3 混沌模拟电路设计

10.3.1 混沌模拟电路设计步骤

10.3.2 混沌电路模块化设计

10.3.3 混沌电路的基本组成及元器件选型

10.4 混沌电路的改进型模块化设计

10.4.1 基于OA器件的多涡卷Jerk电路设计

10.4.2 基于CC器件的多涡卷Jerk电路设计

10.4.3 多涡卷Jerk电路实现

10.5 混沌系统的DSP设计与实现

10.5.1 混沌系统的DSP实验平台

10.5.2 整数阶混沌系统的DSP实现

10.5.3 分数阶混沌系统的DSP实现

10.5.4 离散混沌系统的DSP实现

10.6 混沌系统的FPGA设计与实现

10.6.1 电路结构的设计与优化

10.6.2 分数阶简化Lorenz系统混沌信号发生器的设计

10.6.3 实验结果与分析

思考题

参考文献

附录 混沌及其应用研究领域的主要学术期刊

附录B 混沌特性分析MATLAB源程序

B.1 简化Lorenz系统模型

B.2 整数阶简化Lorenz系统特性分析程序

B.2.1 采用MATLAB自带Runge-Kutta工具箱仿真代码

B.2.2 采用Euler和Runge-Kutta算法求解

1．基于Euler算法的数值求解程序代码

2．基于四阶Runge-Kutta算法的数值求解算法程序代码

B.2.3 Lyapunov指数谱计算程序

1．基于Lyapunov指数谱计算工具箱

2．基于Euler法和QR分解法的简化Lorenz系统的Lyapunov指数谱计算程序

3．基于Runge-Kutta法和QR分解法的简化Lorenz系统的LE谱计算程序

4．系统Lyapunov指数谱随参数变化的计算程序

B.2.4 最大Lyapunov指数计算程序

B.2.5 分岔图绘制程序

B.2.6 Poincaré截面绘制程序

B.2.7 0-1测试程序

B.3 分数阶简化Lorenz系统求解程序

B.3.1 预估-校正算法求解程序

B.3.2 基于FDE12.m的分数阶混沌系统求解与仿真

B.3.3 Adomian分解算法求解程序

B.3.4 混沌系统复杂度和混沌图分析程序

1．C0复杂度计算程序

2．SE复杂度计算程序

3．排列熵（PE）算法

4．网络排列熵（NPE）算法

5．复杂度随阶数q变化的特性分析程序

6．复杂度随参数c变化的特性分析程序

7．基于复杂度的混沌图特性分析程序

B.3.5 SALI测试代码

1．分数阶连续系统SALI函数测试

2．分数阶离散混沌系统SALI函数测试

B.4 混沌同步仿真分析

B.4.1 驱动-响应同步

B.4.2 耦合同步

B.4.3 追踪同步