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Logistic混沌算法驱动的动态口令芯片设计:安全高效解决方案
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更新于2024-06-24
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本篇毕业论文针对信息安全领域的挑战,研究者专注于基于Logistic混沌算法的动态口令芯片设计,旨在提高密码生成的安全性和效率。该研究聚焦于电子与通信工程专业,由学生(姓名和学号未提供)在2012年6月完成,由学院的电子与通信工程学院指导。 论文首先介绍了引言部分,探讨了信息安全的重要性以及混沌理论在生成加密随机数中的应用潜力。Logistic混沌模型因其复杂性、非线性和不可预测性,被选为实现随机数生成的理想工具。作者详细地分析了Logistic混沌模型的工作原理,并在此基础上提出了一个离散化的版本,这种算法设计易于在硬件环境中实现,如FPGA(现场可编程门阵列)。 接着,论文深入到算法的系统设计和模块设计阶段,对离散Logistic混沌算法的每个步骤进行了优化,确保了在硬件层面的高效性和稳定性。通过精心设计,算法能够在实时应用中快速生成高质量的混沌随机数序列,满足动态口令的快速变化需求。 论文的核心部分是动态口令芯片的设计,它结合了所提出的离散Logistic混沌算法,旨在构建一个安全、成本效益高且性能优越的解决方案。动态口令芯片的设计方案着重于保证口令的随机性和不可预测性,以对抗各种形式的密码破解尝试。其设计目标不仅包括了口令的生成和验证机制,还可能考虑了错误检测和恢复机制,以增强系统的整体安全性。 总结,该毕业论文通过对Logistic混沌算法的深入研究和硬件实现,成功地设计出一款适用于动态口令的专用芯片,为信息安全领域提供了创新的解决方案。关键词“Logistic”、“FPGA”、“动态口令”和“混沌”突出了论文的核心技术与应用,显示出该研究对于提升现代密码学实践的实用价值。
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赋值“1”。“密码取值映射”模块的任务是完成(10)式的计算。由于 7046
等于 13 位二进制数“1101110000110”,则可以利用标准的二进制乘法计算
方法,对 X 分别乘以二进制数“1101110000110”的每一位数字移位后进行累
加,最终得到 X*7046 的结果。由于上述算法为一个状态机,因此需要一个状
态机控制配合上述运算,状态转换规律如图 3 所示:
图 3 密码取值映射模块状态机
按照图 3 的方式构建有限状态机电路,并且在每一个状态下,都进行一
次累加运算,当状态跳转规律符合从状态寄存器 0 的状态,一次经历状态寄
存器 1,2,3……的状态,并最终回到状态寄存器 0 的状态时,此时该电路的
输出是 X*7046 的结果,得到 X*7046 的结果以后,对这个结果进行二进制的
右移 14 位运算,可以得到 int(X*7046/2
14
),再对 int(X*7046/2
14
)进行
加 15332603750 运算,可得到 15332603750+ int(X*7046/2
14
)的结果。
Logistic 迭代计算模块完成三个数据 Sk’, Sk 和 Y 的乘法。Sk’和 Sk
均为 16 位二进制,Y 是 32 位二进制数。首先计算 Sk’和 Sk 的乘积,然后
再计算这个乘积和 Y 的乘积。
四、动态口令芯片设计
(一)动态口令芯片的设计方案
利用上述 Logistic 混沌算法设计成一个核心计算模块,可以完成一个动
态口令芯片的设计。
本文所述的动态口令芯片是一个 8 位十进制数据的动态口令,而动态口
令的变化时间为 10 秒。每个动态口令芯片需要独立的存储自己的随机种子
个序列选择因子(密码)。
图 4 动态口令芯片结构
图 4 给出了动态口令芯片的结构,其中核心计算模块使用了前文所述的
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Logistic 混沌算法,每当核心计算模块收到迭代使能信号以后,可以进行
一次迭代计算。输出的最终动态口令定义为 Sk’,Sk 和 Y 的乘积对 108 取
余数运算的结果。图 4 中的“迭代使能计算”模块负责每隔 10 秒发送一个
迭代 使能信号,并且负责记录迭代的次数,迭代次数是动态口令芯片的
内部状态数据,可以用于动态口令芯片的校准验证等工作。“拨码按键输入”
模块是外部接口模块,负责协调外部输入,得到随机种子和随机序列选择
因子(密码),并且协调外部控制显示模块的输出。LED 显示模块负责把最
终的动态口令数据变换为七段数码管显示出来,同时,在外部接口的控制
下,可以选择输出内部的一些状态,包括:“迭代次数”,“随机种子”,“随
机序列选择因子(密码)”。
(二)动态口令芯片的实现
1. 动态口令芯片硬件实现平台
本文所述的动态口令芯片的硬件实现平台是 Altera 的 EP2C8Q208C8
(FPGA),它属于 cycloneII 系列(90nm 工艺),特点是具有较多的寄存器
资源并且价格较低。
FPGA 是英文 Field-Programmable Gate Array 的缩写,即现场可编程
门阵列,它是在 PAL、GAL、CPLD 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。
它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的,既解决
了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA
采用了逻辑单元阵列 LCA(Logic Cell Array)这样一个概念,内部包括可
配置逻辑模块 CLB(Configurable Logic Block)、输出输入模块 IOB(Input
Output Block)和内部连线(Interconnect)三个部分。FPGA 的基本特点主
要有:
1)采用 FPGA 设计 ASIC 电路,用户不需要投片生产,就能得到合用的芯
片。
2)FPGA 可做其它全定制或半定制 ASIC 电路的中试样片。
3)FPGA 内部有丰富的触发器和 I/O 引脚。
4)FPGA 是 ASIC 电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件
之一。
5) FPGA 采用高速 CHMOS 工艺,功耗低,可以与 CMOS、TTL 电平兼容。
可以说,FPGA 芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。
FPGA 是由存放在片内 RAM 中的程序来设置其工作状态的,因此,工作时需
要对片内的 RAM 进行编程。用户可以根据不同的配置模式,采用不同的编程
方式。
加电时,FPGA 芯片将 EPROM 中数据读入片内编程 RAM 中,配置完成后,
FPGA 进入工作状态。掉电后,FPGA 恢复成白片,内部逻辑关系消失,因此,
FPGA 能够反复使用。FPGA 的编程无须专用的 FPGA 编程器,只须用通用的
EPROM、PROM 编程器即可。当需要修改 FPGA 功能时,只需换一片 EPROM 即
可。这样,同一片 FPGA,不同的编程数据,可以产生不同的电路功能。因
此,FPGA 的使用非常灵活
2. 软件设计和仿真平台
本动态口令芯片在设计过程中所用到的软件设计平台是 Altera 公司
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