CN106385312A - 一种基于混沌数谱的数字化混沌加密方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于混沌数谱的数字化混沌加密方法，所述加密方法包括下述步骤：步骤一：发送编码明文数据，并将所述明文数据转换为二进制数组代码；步骤二：将步骤一得到的二进制数组代码经过离散化映射成混沌编码；步骤三：将步骤二得到的混沌编码经过模糊化映射成序号编码；步骤四：将步骤三得到的序号编码构造密文数据；步骤五：将步骤四得到的密文数据通过公开信道传输给接收方。该方法具有扩频码映射性质特征的信号遮掩功能，及并行混沌映射的并行数据处理功能，会比现代密码体制具有更优越的安全保密性能及信息处理效率，更加适用于光纤通信。
Description
技术领域
本发明属于信息安全领域，具体涉及计算机数据的加密和解密领域，尤其涉及一种基于混沌数谱的数字化混沌加密方法。
背景技术
计算机网络全球化、公开化使信息安全面临巨大威胁，迫使密码技术成为保障信息安全核心技术。密码技术是研究通过字符变换隐藏明文消息来保障实现秘密通讯的学科，其研究对象是信息存储体。密码系统中，明文指未加密报文；密文指已加密报文；密钥指明文、密文间字符变换手段。其中明文变换为密文过程称为加密或编码；密文变换为明文过程则称为解密或解码。依密钥性质将密码分为对称加密密码体制与非对称加密密码体制。前者指加密解密共用一把密钥，后者指加密用公钥，解密用私钥的密码体制。
目前市场上的数据加密方法，为保密需要，数据大都需要秘密信道进行传输，而不能在公开信道上进行传输。有的加密方法可以通过统计或者穷举法就能轻易破解，而且密钥在这个过程中始终是不变的，这无法适应复杂的计算机网络环境。
申请号为201410006219.2的中国专利文献公开了一种数形文载加密方法。该加密方法，实质是一种通过5对点圈编码实现“数—模变换”的连线式编码方法，其一采用十进制数谱数据的数谱密钥适用于访问控制机制，等价于含带连线及点拨功能的数字键盘；其二采用二进制数谱数据的数谱密钥适用于安全认证协议等领域。其中采用二进制数谱数据的5对01数字编码，呈现出5个0与5个1的自相似分形结构特征，是一种满足周期3条件即具有混沌加密功能的混沌编码分组密码方案。由于该混沌编码方法会受到5对点圈编码的重码编码难题，及其10数密钥长度的限制难题等技术缺点，难以适应“数—数变换”的计算机数据加密。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于混沌数谱的数字化混沌加密方法。该方法具有扩频码映射性质特征的信号遮掩功能，及并行混沌映射的并行数据处理功能，会比现代密码体制具有更优越的安全保密性能及信息处理效率，更加适用于光纤通信。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
方法一：
一种基于混沌数谱的数字化混沌加密方法，所述加密方法包括下述步骤：
步骤一：发送编码明文数据，并将所述明文数据转换为二进制数组代码；
步骤二：将步骤一得到的二进制数组代码经过离散化映射成混沌编码；
步骤三：将步骤二得到的混沌编码经过模糊化映射成序号编码；
步骤四：将步骤三得到的序号编码构造密文数据；
步骤五：将步骤四得到的密文数据通过公开信道传输给接收方。
其中，还具有步骤六：将步骤五中得到的密文数据逆转换为序号编码。
其中，还具有步骤七，将步骤六中的序号编码混沌逆映射为混沌编码。
其中，所述离散化映射为1对多向前、且随机性离散化映射。
其中，所述模糊化映射和混沌逆映射为1对1映射。
方法二：
一种基于混沌数谱的数字化混沌加密方法，所述加密方法包括下述步骤：
步骤一：发送编码明文序列，并将所述明文序列转换为二进制数组代码；
步骤二：将步骤一得到的二进制数组代码经过离散化映射成混沌编码；
步骤三：将步骤二得到的混沌编码经过模糊化映射成序号编码；
步骤四：将步骤三得到的序号编码构造密文序列；
步骤五：将步骤四得到的密文序列通过公开信道传输给接收方。
其中，还具有步骤六：将步骤五中得到的密文序列逆转换为序号编码。
其中，还具有步骤七，将步骤六中的序号编码混沌逆映射为混沌编码。
方法三：
一种基于混沌数谱的数字化混沌加密方法，所述加密方法包括下述步骤：
步骤一：发送编码明文数据，并将所述明文数据转换为二进制数组代码；
步骤二：将步骤一得到的二进制数组代码依次经过第一级离散化映射成第一级混沌编码，然后经过n游程过滤器模糊化映射成第一级序号编码；
步骤三：将步骤二得到的序号编码经过第二级离散化映射成第二级混沌编码混沌编码，然后经过n游程过滤器模糊映射成第二级序号编码；
步骤四：将步骤三得到的第二级序号编码经过混沌搅拌机构造密文数据；
步骤五：将步骤四得到的密文数据通过公开信道传输给接收方。
方法四：
一种基于混沌数谱的数字化混沌加密方法，所述加密方法包括下述步骤：
步骤一：发送编码明文数据，并将所述明文数据转换为二进制数组代码；
步骤二：将步骤一得到的二进制数组代码经过离散化映射成混沌编码；
步骤三：将步骤二得到的混沌编码经过轮密钥参数K模糊化映射成序号编码；
步骤四：将步骤三得到的序号编码构造密文数据；
步骤五：将步骤四得到的密文数据通过公开信道传输给接收方。
方法五：
一种基于混沌数谱的数字化混沌加密方法，所述加密方法包括下述步骤：
步骤一：发送编码明文数据，并将所述明文数据转换为二进制数组代码；
步骤二：将步骤一得到的二进制数组代码中经过离散化映射成混沌编码；
步骤三：将步骤二得到的混沌编码经过将单密钥参数K或者轮密钥参数K头尾相连构成周期循环驱动的O型极限环模糊化映射成序号编码；
步骤四：将步骤三得到的序号编码构造密文数据；
步骤五：将步骤四得到的密文数据通过公开信道传输给接收方。
其中，所述密钥参数K可采用开环控制或闭环控制。
其中，所述单密钥参数K或者轮密钥参数K均经多轮次逆向迭代的hash函数运算得出。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明解决了现有技术中的重码编码难题，具有使连续01输入信号在0极、1极的同宿轨道之间，实现离散映射与折叠映射的混叠效应，和二者异宿轨道之间实现输出信号的内在混合特性。本发明在非线性电路技术方案的混沌映射过程中，具有使连续01输入信号实现混叠效应的内在混合特性，生成混叠、混合交织状态的十进制输出信号。
2、本发明解决了现有技术中的10数密钥长度的限制难题，实现了数字化混沌密码中非线性空间部分的多元化信息编码，和线性空间部分的多样化信息模拟的映射参数普适性。
3、与现代密码学的数论密码体制相比：建立在固定运算规则的数学密码算法，实现一次一密加密完全依赖于密钥系统的参数变量，是一种基于参数变量实现有关联离散加密的密码体制。数字化混沌密码的非线性空间部分中自相似离散映射的离散半动力，具有实现单密钥加密的一次一密文输出特征，是一种基于状态变量及参数变量实现无关联离散加密的密码体制。
4、数字化混沌密码体制具有扩频码映射性质特征的信号遮掩功能，及并行混沌映射的并行数据处理功能，会比现代密码体制具有更优越的安全保密性能及信息处理效率，更加适用于光纤通信。
附图说明
图1为本发明第一实施例的示意图；
图2为本发明第二实施例的示意图；
图3为本发明第三实施例的示意图；
图4为本发明第四实施例的示意图；
图5-8为本发明的第五实施例的示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明做进一步详细说明：
实施例一：
如图1所示，一种基于混沌数谱的数字化混沌加密方法，所述加密方法包括下述步骤：
步骤一：发送编码明文数据，并将所述明文数据转换为二进制数组代码01；
步骤二：将步骤一得到的二进制数组代码01经过离散化映射成混沌编码0000011111；
步骤三：将步骤二得到的混沌编码0000011111经过模糊化映射成序号编码0123456789；
步骤四：将步骤三得到的序号编码0123456789构造密文数据0-9；
步骤五：将步骤四得到的密文数据0-9通过公开信道传输给接收方。
其中，还具有步骤六：将步骤五中得到的密文数据逆转换为序号编码。
其中，还具有步骤七，将步骤六中的序号编码混沌逆映射为混沌编码。
其中，所述离散化映射为1对多向前、且随机性离散化映射。
其中，所述模糊化映射和混沌逆映射为1对1映射。
实施例二：
如图2所示，本实施例的方法在于双系统混沌密钥流发生器，适用于实时信号处理场合的同步通信方案，具有与现代序列密码基本相同的保密通信功能和应用领域。
一种基于混沌数谱的数字化混沌加密方法，所述加密方法包括下述步骤：
步骤一：发送编码明文序列，并将所述明文序列转换为二进制数组代码01；
步骤二：将步骤一得到的二进制数组代码01经过离散化映射成混沌编码0000000001；
步骤三：将步骤二得到的混沌编码0000011111经过模糊化映射成序号编码0123456789；
步骤四：将步骤三得到的序号编码0123456789构造密文序列0-9；
步骤五：将步骤四得到的密文序列0-9通过公开信道传输给接收方。
其中，还具有步骤六：将步骤五中得到的密文序列逆转换为序号编码。
其中，还具有步骤七，将步骤六中的序号编码混沌逆映射为混沌编码。
其中，所述离散化映射为1对多向前、且随机性离散化映射。
其中，所述模糊化映射和混沌逆映射为1对1映射。
a、密钥流参数K采用n游程过滤器的混沌参数调制标准如，本实施例的为10数密钥长度采用10游程过滤器调制。该10游程过滤器在一次一密、连续非周期的密钥流参数K中，起着将0、1连续游程被限定在10数以内，具体来说，是将0、1连续游程的第10数比特0、1与1异或如，0⊕1=1，1⊕1=0实现改变其驱动信号性质，以确保模型0极、1极至少存有一条非线性分岔轨道的映射通道作用；
b、信息处理方式：采用每切换1个密钥字符k，处理1数消息字符的加密或者解密的逐字符串行数据处理；
c、根据密钥流参数K的生成依赖于独立的密钥流发生器或者取决于消息流参与，适用于构造同步混沌序列密码和自同步混沌序列密码。
实施例三：
参见图3，一种基于混沌数谱的数字化混沌加密方法，所述加密方法包括下述步骤：
步骤一：发送编码明文数据，并将所述明文数据转换为二进制数组代码，如0101010101；
步骤二：将步骤一得到的二进制数组代码依次经过第一级离散化映射成第一级混沌编码0000000001，然后经过n（10）游程过滤器模糊化映射成第一级序号编码0101010101；
步骤三：将步骤二得到的序号编码0101010101经过第二级离散化映射成第二级混沌编码混沌编码0000000001，然后经过n（10）游程过滤器模糊映射成第二级序号编码0101010101；
步骤四：将步骤三得到的第二级序号编码经过混沌搅拌机构造密文数据；
步骤五：将步骤四得到的密文数据通过公开信道传输给接收方。
本实施例的方法在于解决周期混沌退化难题，实现连续稳定的自保持混沌动力。其中，
a、采用实施例一的密钥流参数调制方法、信息处理方式；
b、采用状态变量的反馈控制实现自保持混沌动力，指将响应系统生成的响应变量引入驱动系统充当驱动变量，及引入输入系统充当输入变量实现状态变量对参数变量的协同效应过程；
c、采用状态变量的双系统控制，指利用双系统控制数字化混沌系统中非线性空间部分的离散半动力，实现连续稳定的自保持混沌动力。具体来说，是将模型中的第一级子系统、第二级子系统分别采用独立的脉冲扰动方案，并将状态反馈中两级子系统的驱动变量进行异或运算合成新动力，充当第一级子系统的输入变量。本实施例的双系统控制，具有实现任意一级子系统是保持连续非周期运动的离散化状态，最终生成的响应变量为一次一密的真随机序列；同时采用异或运算方案，具有实现解决2级子系统同时进入退化状态的连续性混沌动力问题。
d、原始模型生成的响应变量为01随机数，将其第二级子系统采用混沌搅拌机的第二级子系统部件，生成的响应变量则为0～9随机数。具体实现方案是使用双结构映射参数的第二级子系统部件，其一二进制映射参数010101……负责第二级子系统中状态变量的反馈控制实现自保持混沌动力；其二十进制映射参数012345……或012012……负责生成真随机响应变量。该部件中当映射参数大于或者小于10数时，需要相应调整第二级子系统的密钥长度及其n游程过滤器。在应用领域方面，该部件的十进制映射参数替换为其他符号元素或者搅拌元素如，物理、化学、生物、医学等方面的搅拌实体，通过数字化混沌动力及相应设备将搅拌元素进行充分搅拌和精细混合，具有实现构造特殊实用意义的混叠混合结构的混沌实物如，冶炼铝合金。
实施例四：
参见图4，一种基于混沌数谱的数字化混沌加密方法，所述加密方法包括下述步骤：
步骤一：发送编码明文数据，并将所述明文数据转换为二进制数组代码01；
步骤二：将步骤一得到的二进制数组代码01经过离散化映射成混沌编码0001111111；
步骤三：将步骤二得到的混沌编码经过轮密钥参数K模糊化映射成序号编码0-9；
步骤四：将步骤三得到的序号编码构造密文数据；
步骤五：将步骤四得到的密文数据通过公开信道传输给接收方。
如图5所示，本实施例的方法在于解决轮密钥参数K的短周期效应难题及其单密钥参数k的有限精度问题，适用于静态加密场合的异步通信方案，具有与现代分组密码基本相同的保密通信功能和应用领域。其中，
a、采用满足周期3多层密钥的单密钥参数k调制标准如，本实施例为10数密钥长度采用3个0与7个1或者7个0与3个1、4个0与6个1或者6个0与4个1、5个0与5个1的参数调制，使模型0极、1极均满足至少3条非线性分岔轨道的映射通道。由于轮密钥参数K是由有限多个单密钥参数k组构而成的，因而是一种混合周期3多层密钥的动态参数。动态参数指周期3多层密钥如，3个0与7个1的随机排列组合数；
b、信息处理方式：将轮密钥参数K头尾相连构成周期循环驱动的O型极限环，并采用每切换1组单密钥参数k，就处理一组10数分组消息的加密或者解密的逐字块并行数据处理如，矩阵输入c0～c9→矩阵输出c'0～c'9的并行混沌映射过程；
c、针对单密钥参数k的有限精度问题，采用第一重预加密实现隐藏明文密文对中的密钥参数措施。具体方案是将输入0、1分组明文采用同一单密钥参数k的不同密钥数据如，采用模型中约定密钥{k9k8k7k1k0k0k1k7k8k9}实现矩阵输入m0～m9→矩阵输出c0～c9的第一重并行异或运算，来防止密钥参数辨识的选择明文攻击；
d、针对轮密钥参数K的短周期效应难题，采用不定长消息分组实现隐藏轮密钥参数K在密文数据中的密钥周期措施。具体方案是采用随机加入几组不定长度的0、1分组明文如，6bit……8 bit……7bit的不定长消息分组来防止穷举攻击，并在相应的单密钥参数k中标明消息分组的分组长度如，k01=0001111111（6），6表示单密钥参数k01的消息分组长度为6bit。
实施例五：
参见图6-8，一种基于混沌数谱的数字化混沌加密方法，所述加密方法包括下述步骤：
步骤一：发送编码明文数据，并将所述明文数据转换为二进制数组代码；
步骤二：将步骤一得到的二进制数组代码中经过离散化映射成混沌编码；
步骤三：将步骤二得到的混沌编码经过将单密钥参数K或者轮密钥参数K头尾相连构成周期循环驱动的O型极限环模糊化映射成序号编码；
步骤四：将步骤三得到的序号编码构造密文数据；
步骤五：将步骤四得到的密文数据通过公开信道传输给接收方。
其中，所述密钥参数K可采用开环控制或闭环控制。
其中，所述单密钥参数K或者轮密钥参数K均经多轮次逆向迭代的hash函数运算得出。
如图6-8所示，本实施例的方法在于解决轮密钥参数K的短周期效应难题及其单密钥参数k的有限精度问题，适用于静态加密场合的异步通信方案，具有与现代分组密码基本相同的保密通信功能和应用领域。其中，
a、采用满足周期3多层密钥的单密钥参数k调制标准如，本实施例为10数密钥长度采用3个0与7个1或者7个0与3个1、4个0与6个1或者6个0与4个1、5个0与5个1的参数调制，使模型0极、1极均满足至少3条非线性分岔轨道的映射通道。由于轮密钥参数K是由有限多个单密钥参数k组构而成的，因而是一种混合周期3多层密钥的动态参数。动态参数指周期3多层密钥如，3个0与7个1的随机排列组合数；
b、信息处理方式：将轮密钥参数K头尾相连构成周期循环驱动的O型极限环，并采用每切换1组单密钥参数k，就处理一组10数分组消息的加密或者解密的逐字块并行数据处理如，矩阵输入c0～c9→矩阵输出c'0～c'9的并行混沌映射过程；
c、针对单密钥参数k的有限精度问题，采用第一重预加密实现隐藏明文密文对中的密钥参数措施。具体方案是将输入0、1分组明文采用同一单密钥参数k的不同密钥数据如，采用模型中约定密钥{k9k8k7k1k0k0k1k7k8k9}实现矩阵输入m0～m9→矩阵输出c0～c9的第一重并行异或运算，来防止密钥参数辨识的选择明文攻击；
d、针对轮密钥参数K的短周期效应难题，采用不定长消息分组实现隐藏轮密钥参数K在密文数据中的密钥周期措施。具体方案是采用随机加入几组不定长度的0、1分组明文如，6bit……8 bit……7bit的不定长消息分组来防止穷举攻击，并在相应的单密钥参数k中标明消息分组的分组长度如，k01=0001111111（6），6表示单密钥参数k01的消息分组长度为6bit。
本实施例实现消息数据M的摘要提取原理，是利用其4：1拓扑压缩特性进行多轮次逆向迭代的单向数据压缩过程，呈现出单向不可逆及4倍倍数级递减规律的比例压缩特点，具有与现代Hash函数基本相同的有损数据压缩功能和应用领域。其中：
a、采用单密钥参数k调制标准及轮密钥参数K调制方法；
b、信息处理方式：采用以64bit分组消息为单位进行逐字块的并行数据压缩处理如，矩阵输入M1～M16→矩阵输出m1～m16的并行混沌逆映射过程，分为2个流程步骤。步骤1输入消息M以64bit分组消息为单位导入数据，数据末不足64bit时填充器自动加0补齐，并将一次性连续压缩处理后输出的多组摘要m存储于暂时存储器中；步骤2将暂时存储器中的摘要m，以4组×摘要m为64bit分组消息导入消息M数据框，进行连续循环地压缩处理并将单值输出的摘要m回存于暂时存储器中，直到存储器中摘要m的数据量被压缩到符合消息摘要的提取标准为止如，消息摘要256bit标准的固定取值限定范围为16～19组摘要m。最后提取消息摘要m；
c、依据采用单密钥参数k的固定值、轮密钥参数K的动态值作为密钥数据，划分为无密钥和有密钥的混沌Hash函数。其有密钥混沌Hash函数的信息处理方式，是将轮密钥参数K头尾相连构成周期循环驱动的O型极限环，并采用每切换1组单密钥参数k，就处理1组64bit分组消息的并行数据压缩处理；d、混沌Hash函数的认证流程与现代Hash函数一致。
以上所述仅为本发明的具体实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容和附图所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于混沌数谱的数字化混沌加密方法，其特征在于：所述加密方法包括下述步骤：
步骤一：发送编码明文数据，并将所述明文数据转换为二进制数组代码；
步骤二：将步骤一得到的二进制数组代码经过离散化映射成混沌编码；
步骤三：将步骤二得到的混沌编码经过模糊化映射成序号编码；
步骤四：将步骤三得到的序号编码构造密文数据；
步骤五：将步骤四得到的密文数据通过公开信道传输给接收方。
2.如权利要求1所述的基于混沌数谱的数字化混沌加密方法，其特征在于：还具有步骤六：将步骤五中得到的密文数据逆转换为序号编码。
3.如权利要求2所述的基于混沌数谱的数字化混沌加密方法，其特征在于：还具有步骤七，将步骤六中的序号编码混沌逆映射为混沌编码。
4.如权利要求3所述的基于混沌数谱的数字化混沌加密方法，其特征在于：所述离散化映射为1对多向前、且随机性离散化映射。
5.如权利要求4所述的基于混沌数谱的数字化混沌加密方法，其特征在于：所述模糊化映射和混沌逆映射为1对1映射。
6.一种基于混沌数谱的数字化混沌加密方法，其特征在于：所述加密方法包括下述步骤：
步骤一：发送编码明文序列，并将所述明文序列转换为二进制数组代码；
步骤二：将步骤一得到的二进制数组代码经过离散化映射成混沌编码；
步骤三：将步骤二得到的混沌编码经过模糊化映射成序号编码；
步骤四：将步骤三得到的序号编码构造密文序列；
步骤五：将步骤四得到的密文序列通过公开信道传输给接收方。
7.一种基于混沌数谱的数字化混沌加密方法，其特征在于：一种基于混沌数谱的数字化混沌加密方法，所述加密方法包括下述步骤：
步骤一：发送编码明文数据，并将所述明文数据转换为二进制数组代码；
步骤二：将步骤一得到的二进制数组代码依次经过第一级离散化映射成第一级混沌编码，然后经过n游程过滤器模糊化映射成第一级序号编码；
步骤三：将步骤二得到的序号编码经过第二级离散化映射成第二级混沌编码混沌编码，然后经过n游程过滤器模糊映射成第二级序号编码；
步骤四：将步骤三得到的第二级序号编码经过混沌搅拌机构造密文数据；
步骤五：将步骤四得到的密文数据通过公开信道传输给接收方。
8.一种基于混沌数谱的数字化混沌加密方法，其特征在于：一种基于混沌数谱的数字化混沌加密方法，所述加密方法包括下述步骤：
步骤一：发送编码明文数据，并将所述明文数据转换为二进制数组代码；
步骤二：将步骤一得到的二进制数组代码经过离散化映射成混沌编码；
步骤三：将步骤二得到的混沌编码经过轮密钥参数K模糊化映射成序号编码；
步骤四：将步骤三得到的序号编码构造密文数据；
步骤五：将步骤四得到的密文数据通过公开信道传输给接收方。
9.一种基于混沌数谱的数字化混沌加密方法，其特征在于：所述加密方法包括下述步骤：
步骤一：发送编码明文数据，并将所述明文数据转换为二进制数组代码；
步骤二：将步骤一得到的二进制数组代码中经过离散化映射成混沌编码；
步骤三：将步骤二得到的混沌编码经过将单密钥参数K或者轮密钥参数K头尾相连构成周期循环驱动的O型极限环模糊化映射成序号编码；
步骤四：将步骤三得到的序号编码构造密文数据；
步骤五：将步骤四得到的密文数据通过公开信道传输给接收方。
10.如权利要求9所述的基于混沌数谱的数字化混沌加密方法，其特征在于：所述密钥参数K可采用开环控制或闭环控制；所述单密钥参数K或者轮密钥参数K均经多轮次逆向迭代的hash函数运算得出。
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |