CN106301766A - 一种基于混沌系统的单向加密方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于混沌系统的单向加密方法，用户随机输入的任意长度字符串转换的二进制编码的长度值利用Logistic混沌方程Xn+1＝uXn(1‑Xn)，产生Logistic混沌方程的X0、u、与初始值C固定数值；然后把X0、u、与初始值C固定数值运用到Logistic混沌方程中；最后对混沌计算生成的值C、M、y值进行处理，生成一个固定长度的字符串。本发明的单向加密方法类似哈希函数，能够将任意长度的输入进行处理，最后都可以输出一个固定长度的值，由于混沌系统的特性，同时使得该算法具有了明文可以加密成密文，但密文不能解密出明文的单向性。

Description

一种基于混沌系统的单向加密方法
技术领域
本发明属于哈希算法运用技术领域，尤其涉及一种基于混沌系统的单向加密方法。
背景技术
在现有的加密技术中，哈希函数在数字签名和认证领域尤为重要，因此也有很多人对相关的算法进入了深入研究，2004年在国美加州圣巴巴拉召开的国际密码学会议上，来自中国的云教授破译了MD5、HAVAL-128、RIPEMD算法后，又有许多密码学专家在MD5领域做出了更多研究成果，因此MD5算法的安全性，受到越来越多的挑战。混沌源于非线性动力系统，而非线性动力系统描述的是任意随时间变化的过程，这个过程是不确定性的、类似随机、非周期，并对初始值非常敏感，这些特征使得人们难以进行预测该系统的下一个过程，因此，基于混沌系统作为加密算法，拥有先天的优势。
综上所述，现有的加密方法出现的时间长，现有的加密算法安全性较低，而且由于现有算法的特性，使得该算法只能运用到某一领域，不能满足使用者根据自己的实际需求，确定密文的长度；不能加大攻击者的破解难度，并且不能给用户多一种选择加密方式。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于混沌系统的单向加密方法，解决现有的加密方法出现的时间长，现有的加密算法安全性较低，而且由于现有算法的特性，使得该算法只能运用到某一领域，不能满足使用者根据自己的实际需求，确定密文的长度；不能加大攻击者的破解难度，并且不能给用户多一种选择加密方式的问题。
本发明是这样实现的，一种基于混沌系统的单向加密方法，包括以下步骤：
第一步，随机输入一个任意长度的字符串str；
第二步，将该字符串按照某种编码方式转换成二进制码，并计算出该二进制长度len_str；
第三步，判断该长度len_str是否为3的倍数，即len_str％3＝0；如果不是3的倍数，则进行第四步；若是则划分为len_str/3个长度为3bit的二进制组；然后在每个二进制组前填充一个0，跳转到第5步。
第四步，如果不是3的倍数，则在前面添加len_str％3个0在二进制字符串前面，划分为个长度为3bit的二进制，然后在每个二进制组前填充一个0，再进行第五步；
第五步，每个二进制组按BCD编码的方式进行转换成一个数ai，然后将所有ai相加得到一个值C，C＝a1+a2+...+an；再将所有数ai拼接成一个大数M，M＝a1*100 +a2*101 +a3*102+...+an*10n-1；其中，
第六步，判断C是否大于K，如果大于则C＝[C/2]，再重复此步骤，若C小于K，进行第七步；
第七步，计算X0＝M/10y；u＝4-X0/10，u取小数点后位；
第八步，带入Logistic混沌方程公式Xn+1＝uXn(1-Xn)，进行循环计算C次，得到值Xc；
第九步，以Xc为初始值，再带入Logistic混沌方程迭代4*N次，每次迭代的结果记为Xi；Xi>＝0.5，则记1；Xi<0.5，则记0，共有4*N个0或1；
第十步，再以四个0或1的二进制为一组，转换成一个16进制的字符，最后拼接成一个固定长度为N的字符串，该字符串为最后的密文；
其中，ai表示某四个二进制按照BCD码转换成一个数；C表示所有ai加起来的和，即C＝∑ai，i∈[1,y]；len_str表示用户随机输入的任意长度字符串转换的二进制编码的长度值；y表示ai的个数，M表示由ai组合成的一个数，M＝a1*100 +a2*101 +a3*102+...+ay*10y-1。
进一步，所述Logistic混沌方程中Xn的初始值为X0，且X0在[0,1]内；u是混沌方程中的u值，u在[0,4]内；当u<3.57时，Logistic方程出现准周期性变化，当u>3.57后,Logistic出现混沌状态。
进一步，ai的生成方法：将输入字符转换的二进制，判断该二进制长度len_str是否为3的倍数，即len_str％3＝0；若是则划分为len_str/3个长度为3bit的二进制组，然后在每个二进制组前填充一个0；如果不是3的倍数，则在前面添加len_str％3个0在二进制字符串头部，然后划分为个长度为3bit的二进制组，然后在每个二进制组前填充一个0，最后每个组按BCD码的方式进行转换成一个数ai；
M的生成方法：将所有数ai拼接成一个大数M，拼接方法为：M＝a1*100+a2*101+a3*102+...+an*10n-1；
X0的生成方法：M是一个长度为y的正整数，利用M生成一个[0,1]范围内的X0，公式表示为：X0＝M/10y；
u的生成方法：u为大于3.57的数使Logistic混沌方程进入混沌状态，利用X0进行除以10，使之进入[0,0.1)内，再用4减去该除数即得到u]；公式表示为：u＝4-X0/10，u取小数点后位；
C值的生成方法为：先计算C值：C＝a1+a2+...+an。C是混沌方程初始迭代的次数，目的是为了让X0进入混沌状态，所以C过大会影响整个加密的效率。这里设置一个数K，由于应用场景的不同，K的取值也不同，本发明中设置数K的目的是控制C在有效范围内(有效范围指：至少能使K0进入混沌状态的最小迭代次数)。
控制C的取值方法为：用for循环判断C是否小于某个固定值K，即若C小于K，则退出循环，否则进行C＝[C/2]，再循环判断。
本发明利用输入信息的二进制按照某种方法产生几个固定的数值，然后把该数值运用到混沌系统中，最后对混沌计算生成的值进行处理，生成一个固定长度的字符串，这样就达到了加密的效果。
在本发明中，由于算法中K和N的取值是使用者自己定义的，所以生成的密文长度也是不一样的，在不同的领域中，使用者可以根据自己的实际需求，确定算法中的K和N值，这样得到密文长度不一样，同时也加大了攻击者的破解难度，给用户多一种选择加密方式。
本发明的单向加密方法类似哈希函数，能够将任意长度的输入进行处理，最后都可以输出一个固定长度的值，由于混沌系统的特性，同时使得该算法具有了明文可以加密成密文，但密文不能解密出明文的单向性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于混沌系统的单向加密方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细描述。
如图1所示，本发明实施例提供的基于混沌系统的单向加密方法的具体步骤如下：
第1步：随机输入一个任意长度的字符串str。
第2步：将该字符串按照某种编码方式转换成二进制码，并计算出该二进制长度len_str。
第3步：判断该长度len_str是否为3的倍数，即len_str％3＝0。如果不是3的倍数，则进行第4步，若是则划分为len_str/3个长度为3bit的二进制组，然后在每个二进制组前填充一个0。跳转到第5步。
第4步：如果不是3的倍数，则在前面添加len_str％3个0在二进制字符串前面，划分为个长度为3bit的二进制，然后在每个二进制组前填充一个0，再进行下一步。
第5步：每个二进制组按BCD编码的方式进行转换成一个数ai，然后将所有ai相加得到一个值C，即C＝a1+a2+...+an。再将所有数ai拼接成一个大数M，即M＝a1*100 +a2*101 +a3*102+...+an*10n-1。
第6步：判断C是否大于K，如果大于则C＝[C/2]，再重复此步骤，若C小于K，进行下一步。
第7步：计算X0＝M/10y；u＝4-X0/10，u取小数点后位。
第8步：带入公式Xn+1＝uXn(1-Xn)，进行循环计算C次，得到值Xc。
第9步：以Xc为初始值，再带入Logistic混沌方程迭代4*N次，每次迭代的结果记为Xi；Xi>＝0.5，则记1；Xi<0.5，则记0，总共就有4*N个0或1。
第10步：再以四个0或1的二进制为一组，转换成一个16进制的字符，最后拼接成一个固定长度为N的字符串，该字符串即为最后的密文。
本发明采用了Logistic混沌方程，即Xn+1＝uXn(1-Xn)。该加密方法的核心是Logistic混沌方程以及生产方程中ai、X0、u、与初始值C的方法。
为了更好的对加密方法进行描述，结合本加密机制的特点，本发明采用以下一般性定义：
len_str表示用户随机输入的任意长度字符串转换的二进制编码的长度值。
ai表示某四个二进制按照BCD码转换成一个数。
y表示ai的个数，即
M表示由ai(i∈[1,y])组合成的一个数，即M＝a1*100 +a2*101 +a3*102+...+ay*10y-1。
C表示所有ai加起来的和，即C＝∑ai，i∈[1,y]。
X0是混沌算法中Xn的初始值；u是混沌方程中的u值。
下面结合Logistic混沌方程、X0的生成、u的生成、C的生成对本发明的应用原理作进一步描述。
本发明实施例提供的的单向加密方法包括：
1、Logistic混沌方程，即Xn+1＝uXn(1-Xn)
该方程中Xn的初始值为X0，且X0必须在[0,1]范围内。u在[0,4]内，当u<3.57时，Logistic方程会出现准周期性变化，但当u>3.57后,Logistic将出现混沌状态。
2、X0的生成
由于M是一个y位的正整数，因此需要将M转换成一个[0,1]范围内的X0，即X0＝M/10y。
3、u的生成
由于u的特殊性，u必须大于3.57才能使方程进入混沌状态，所以对X0进行除10，使之进入[0,0.1)内，再用4减去该数即得到u，此时u属于(3.9,4]内，满足条件，算法为：u＝4-X0/10，u取小数点后位，目的是为了避免小数点后数值太长，不方便计算，于是采用该方法动态的取前几位小数。
4、C的生成
C值是为了让该方程计算C次进入混沌状态，确保别人不能猜到该算法的u值和X0值，所以C值也不宜过大，先计算C值：C＝a1+a2+...+an，然后用for循环判断C是否小于某个固定值K，即若C小于K，则退出循环，否则进行C＝[C/2]，再循环判断。
本发明利用输入信息的二进制按照某种方法产生几个固定的数值，然后把该数值运用到混沌系统中，最后对混沌计算生成的值进行处理，生成一个固定长度的字符串，这样就达到了加密的效果。
在本发明中，由于算法中K和N的取值是使用者自己定义的，所以生成的密文长度也是不一样的，在不同的领域中，使用者可以根据自己的实际需求，确定算法中的K和N值，这样得到密文长度不一样，同时也加大了攻击者的破解难度，给用户多一种选择加密方式。
本发明的单向加密方法类似哈希函数，能够将任意长度的输入进行处理，最后都可以输出一个固定长度的值，由于混沌系统的特性，同时使得该算法具有了明文可以加密成密文，但密文不能解密出明文的单向性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于混沌系统的单向加密方法，其特征在于，该基于混沌系统的单向加密方法包括以下步骤：
第一步，随机输入一个任意长度的字符串str；
第二步，将该字符串按照某种编码方式转换成二进制码，并计算出该二进制长度len_str；
第三步，判断该长度len_str是否为3的倍数，即len_str％3＝0；如果不是3的倍数，则进行第四步；若是则划分为len_str/3个长度为3bit的二进制组；然后在每个二进制组前填充一个0，跳转到第5步。
第四步，如果不是3的倍数，则在前面添加len_str％3个0在二进制字符串前面，划分为个长度为3bit的二进制，然后在每个二进制组前填充一个0，再进行第五步；
第五步，每个二进制组按BCD编码的方式进行转换成一个数ai，然后将所有ai相加得到一个值C，C＝a1+a2+...+an；再将所有数ai拼接成一个大数M，M＝a1*100 +a2*101 +a3*102+...+an*10n-1；其中，
第六步，判断C是否大于K，如果大于则C＝[C/2]，再重复此步骤，若C小于K，进行第七步；
第七步，计算X0＝M/10y；u＝4-X0/10，u取小数点后位；
第八步，带入Logistic混沌方程公式Xn+1＝uXn(1-Xn)，进行循环计算C次，得到值Xc；
第九步，以Xc为初始值，再带入Logistic混沌方程迭代4*N次，每次迭代的结果记为Xi；Xi>＝0.5，则记1；Xi<0.5，则记0，共有4*N个0或1；
第十步，再以四个0或1的二进制为一组，转换成一个16进制的字符，最后拼接成一个固定长度为N的字符串，该字符串为最后的密文；
其中，ai表示某四个二进制按照BCD码转换成一个数；C表示所有ai加起来的和，即C＝∑ai，i∈[1,y]；len_str表示用户随机输入的任意长度字符串转换的二进制编码的长度值；y表示ai的个数，M表示由ai组合成的一个数，M＝a1*100 +a2*101 +a3*102+...+ay*10y-1。
2.如权利要求1所述的基于混沌系统的单向加密方法，其特征在于，所述Logistic混沌方程中Xn的初始值为X0，且X0在[0,1]内；u是混沌方程中的u值，u在[0,4]内；当u<3.57时，Logistic方程出现准周期性变化，当u>3.57后,Logistic出现混沌状态。
3.如权利要求1所述的基于混沌系统的单向加密方法，其特征在于，ai的生成方法：将输入字符转换的二进制，判断该二进制长度len_str是否为3的倍数，即len_str％3＝0；若是则划分为len_str/3个长度为3bit的二进制组，然后在每个二进制组前填充一个0；如果不是3的倍数，则在前面添加len_str％3个0在二进制字符串头部，然后划分为个长度为3bit的二进制组，然后在每个二进制组前填充一个0，最后每个组按BCD码的方式进行转换成一个数ai；
M的生成方法：将所有数ai拼接成一个大数M，拼接方法为：M＝a1*100+a2*101+a3*102+...+an*10n-1；
X0的生成方法：M是一个长度为y的正整数，利用M生成一个[0,1]范围内的X0，公式表示为：X0＝M/10y；
u的生成方法：u为大于3.57的数使Logistic混沌方程进入混沌状态，利用X0进行除以10，使之进入[0,0.1)内，再用4减去该除数即得到u]；公式表示为：u＝4-X0/10，u取小数点后位；
C值的生成方法：先计算C值：C＝a1+a2+...+an；然后用for循环判断C是否小于某个固定值K，若C小于K，则退出循环，否则进行C＝[C/2]，再循环判断。
4.如权利要求1所述的基于混沌系统的单向加密方法，其特征在于，所述C是让X0进入混沌状态混沌方程初始迭代的次数；C过大影响整个加密的效率，通过设置数K控制C为至少能使K0进入混沌状态的最小迭代次数。
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