CN108365946B - 一种基于混沌系统阵列的能源互联网通信安全系统与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于混沌系统阵列的能源互联网通信安全系统与方法，该方法包括：1)构建混沌系统阵列：以混沌系统为基本单元构建混沌系统阵列；2)混沌信号发生：求解混沌系统阵列中的基本单元的非线性微分方程组产生安全通信所需的混沌信号；3)混沌信号处理：对混沌阵列系统产生的多通道混沌信号进行信号处理，构建新的高维超混沌信号，作为密钥信号；4)信息的加/解密：利用处理后的混沌系统阵列输出信号按照既定的数据加/解密原则对原始/加密后信号进行加/解密处理。本发明提出的方法设计的通信安全方法可处理文本、波形、语音及图像等不同种类的信息，具有数据处理能力强、类型宽泛的优点；且扩展灵活，安全可靠，易于实现。

Description

一种基于混沌系统阵列的能源互联网通信安全系统与方法
技术领域
本发明涉及密码技术，尤其涉及一种基于混沌系统阵列的能源互联网通信安全系统与方法。
背景技术
随着能源互联网技术的广泛应用，能源网数据日益广泛地在因特网间进行传播和存储，因此为有效的保护用户的信息不被非法者使用，所采取的根本措施就是信息保密传输和存储。能源互联网数据种类多，数据体量大，传统加密算法大都针对一维数据流而设计，采取传统加密算法进行加密时，加密效率低，加密后数据容易遭受攻击。
混沌是指一种由非线性确定系统产生的类随机行为，具有随机性、确定性、遍历性和对初值的高度敏感性等特点，可以设计出密钥空间大、加密流随机性高的加密算法，在能源互联网数据场合有许多独特的优势。混沌加密一经提出，便迅速成为了研究的热点。
以往研究的混沌加密技术大多数基于单一的低维混沌系统或映射。虽然低维混沌系统由于形式简单而具有计算时间短的优点，但其密钥空间小，混沌序列的复杂度不高，导致密码系统安全性不高、难以抵抗穷举攻击。而高维混沌系统尤其是超混沌系统，具有两个以上的Lyapunov指数，其非线性行为更加复杂难以预测；另外，超混沌系统具有4个以上的状态变量，密钥空间更大。因此，超混沌系统用于加密，在增大加密算法的密钥空间的同时，必然会提高系统的安全性。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种基于混沌系统阵列的能源互联网通信安全系统与方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于混沌系统阵列的能源互联网通信安全方法，包括以下步骤：
1)构建混沌系统阵列：以混沌系统为单元构建高维度的混沌系统阵列，混沌系统阵列的规模由数据处理元件的处理能力及系统安全性的要求共同决定；
2)混沌信号发生：求解混沌系统阵列中各基本单元的非线性微分方程组产生通信安全加/解密所需混沌信号；
3)混沌信号处理：对混沌系统阵列输出的多通道混沌信号按照设定的信号处理原则进行处理，构建新的高维超混沌信号，作为加/解密所需的密钥信号；
4)信息的加解密；采用选定的数据加密准则，采用处理后的混沌系统阵列输出信号对信息进行加密并进行传输；对信号接收系统采用和加密信号一致的解密系统即可实现对加密后的信息进行解密复原。
按上述方案，所述步骤1)中构建混沌系统阵列的混沌系统为常见的混沌系统及其改进系统。
按上述方案，所述步骤2)中对混沌系统单元的典型结构参数做微小扰动形成系统结构参数库及采用随机生产的微小数值作为混沌系统初始值参数库，通过从结构参数库与初始值参数库中选取参数的方式设置混沌阵列系统中各单元的状态，然后得到混沌系统阵列产生的混沌信号。
按上述方案，所述步骤3)中按照预设的数字信号处理方法对混沌阵列系统的输出信号进行处理，所述数字信号处理方法包括数学运算处理、逻辑运算处理、数值信号处理、现有加密算法处理及上述处理方法的组合。
按上述方案，所述步骤4)中数据加密准则为掩盖与调制操作或现有的数据加密准则。
一种基于混沌系统阵列的能源互联网通信安全系统，包括：
混沌系统阵列构建模块，用于以混沌系统为单元构建高维度的混沌系统阵列；
混沌信号发生模块，用于通过求解混沌系统阵列中各基本单元的非线性微分方程组产生通信安全加/解密所需混沌信号；
混沌信号处理模块，用于对混沌系统阵列输出的多通道混沌信号进行信号处理，构建新的高维超混沌信号，作为加/解密所需的密钥信号；
加解密模块，用于利用处理后的混沌系统阵列输出信号按照既定的数据加/解密原则对原始/加密后信号进行加/解密处理。
按上述方案，所述混沌系统阵列构建模块中构建混沌系统阵列的混沌系统为常见的混沌系统及其改进系统。
按上述方案，所述混沌信号发生模块中对混沌系统单元的典型结构参数做微小扰动形成系统结构参数库及采用随机生产的微小数值作为混沌系统初始值参数库，通过从结构参数库与初始值参数库中选取参数的方式设置混沌阵列系统中各单元的状态，然后得到混沌系统阵列产生的混沌信号。
按上述方案，所述混沌信号处理模块中按照预设的数字信号处理方法对混沌阵列系统的输出信号进行处理，所述数字信号处理方法包括数学运算处理、逻辑运算处理、数值信号处理、现有加密算法处理及上述处理方法的组合。
按上述方案，所述混沌信号处理模块中数据加密准则为掩盖与调制操作或现有的数据加密准则。
本发明产生的有益效果是：
1.发明的系统与方法可处理文本、波形、语音及图像等不同种类的信息，和传统加密方式相比，具有处理数据能力强的优点；
2.通过对典型混沌系统的典型结构参数做微小扰动形成系统结构参数库，及采用随机生产的微小数值作为混沌系统初始值参数库，通过控制参数的方式实现对混沌系统单元的控制及同步，密钥空间丰富，使得系统的安全性能得到提高；
3.具有扩展灵活，系统安全可靠，易以实现等优点，解决了常规加密措施容易遭受攻击，导致数据被窃取的问题。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例的方法流程图；
图2为基于混沌阵列系统的能源互联网通信安全系统与方法验证结果图；
图3是本发明实施例的蔡氏电路混沌系统混沌吸引子图；
图4是本发明实施例的文本加密效果图。
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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，图1给出了基于混沌阵列系统的能源互联网通信安全系统架构设计方案流程框图，包括：
一，依据选定的原则采用既定的混沌系统形成合适规模的阵列；根据加密使用要求合理设置混沌系统阵列规模，构建混沌系统阵列的混沌系统，包括但不限于常见的混沌系统及其改进系统，如蔡氏电路系统、洛伦兹族系统、Jerk系统、
Figure BDA0001565067900000062
吸引子、双摆系统等，阵列的规模为m×n；
蔡氏电路混沌系统结构：
Figure BDA0001565067900000061
如图3，混沌吸引子图在一定程度上可以表征混沌系统的混沌程度，以2x2的蔡氏电路构成的阵列来说明通过阵列化操作可有效提高系统的混沌性。随着混沌系统阵列中单元数量的增加，x1,x2及x1,x4的混沌吸引子被相应的扩展为2，3，4，5多涡卷混沌吸引子及4，6，8，10多翅混沌吸引子，图示依次为图3的(1)至(8).
二，通过从结构参数库与初始值参数库中选取参数的方式设置混沌阵列系统中各单元的状态，实现对混沌系统单元的控制及同步；对典型混沌系统的典型结构参数做微小扰动形成系统结构参数库及采用随机生产的微小数值作为混沌系统初始值参数库作为通信安全系统的密钥空间，其规模足够大，可保证密钥顺序不被枚举；
三，按照预定的数字信号处理方法对混沌阵列系统的输出信号进行预处理；处理算法包括但不限于：数学运算、逻辑运算、数值信号处理及常用加密算法等，同时为保证信号的随机特性可采用不等距抽样技术对系统输出信号进行抽样处理；
四，采用选定的数据加密准则，采用处理后的混沌系统阵列输出信号对信息进行加密并进行传输；数据加密准则可以采用最简单的掩盖与编码操作，也可采用常用的数据加密准则；
五，对信号接收系统采用和加密信号一致的解密系统即可实现对加密后的信息进行解密复原。
根据上述方案，我们可以获得一种基于混沌系统阵列的能源互联网通信安全系统，包括：
混沌系统阵列构建模块，用于以混沌系统为单元构建维度为n×n或更高维度的混沌系统阵列；混沌系统阵列构建模块中构建混沌系统阵列的混沌系统为常见的混沌系统及其改进系统；
混沌信号发生模块，用于通过混沌系统阵列产生混沌信号；混沌信号发生模块中对混沌系统单元的典型结构参数做微小扰动形成系统结构参数库及采用随机生产的微小数值作为混沌系统初始值参数库，通过从结构参数库与初始值参数库中选取参数的方式设置混沌阵列系统中各单元的状态，然后得到混沌系统阵列产生的混沌信号；
混沌信号处理模块，用于对混沌信号进行处理，构建高维度的超混沌信号，作为加密所需的密钥信号；
加解密模块，用于采用选定的数据加密准则，采用处理后的混沌系统阵列输出信号对信息进行加密并进行传输；对信号接收系统采用和加密信号一致的解密系统即可实现对加密后的信息进行解密复原。
一个具体实例：
1)本实例根据典型的数字系统的设计原则，选取合适的方法将形如
Figure BDA0001565067900000081
进行实现，提供一种简单采用差分方程的实现示例，即：
x(k+1)＝(Ax(n)+gx(n))·dt+x(n)
实现后的系统，按照一定的原则形成混沌阵列。本发明选用蔡氏电路系统、洛伦兹系统、陈氏系统、吕氏系统形成m×n混沌阵列。
Figure BDA0001565067900000082
式中，i,j分别代表阵列的行与列坐标。
3)为实现对混沌系统阵列的控制，本发明采用控制混沌单元的系统结构参数与系统初始值的方式。系统结构参数可采用但不限于以下方式进行产生,通过对典型结构参数进行扰动的方式得到参数库
A(i)＝A+k×random
式中k为一个与系统参数矩阵配合，用于保证系统失稳的极小数，k在A中元素为非0时取为k，否则取为0。系统初始值采用生成的随机数组的方式得到。
3)为保证混沌阵列系统的输出信号可以在通信加密过程中得到正确的使用，往往需要对系统的输出信号进行处理，处理的方式包括数学运算、逻辑运算、数字信号处理及标准/非标准加密算法加密等。本发明提供一个简单的示例，用于说明信号处理环节工作方式
Figure BDA0001565067900000091
Figure BDA0001565067900000092
其中，g,k为增益系数，区别是，g为向量，k为常数，X_ij为系统的输出信号，其中M用于信号调制，M1用于掩盖传输；
4)基于混沌阵列系统的能源互联网通信安全系统架构系统设计实现的关键环节是信息的加密，在加密环节可以利用步骤3)得到的加密信号对信息进行加密。加密从方法包括简单的逻辑操作，掩盖操作及复杂的加密策略的设计实现、融合等。为说明加密环节工作的过程，本发明举例如下：
Figure BDA0001565067900000101
式中I为信息，E为加密后的信息。
5)信号解密采用部署在信号接收端与信号发射端系统阵列、参数及初始值一致的系统产生与加密环节一致的解密信号对加密后的信息进行解密即可。
加密后图像相邻元素间像素值分布趋势及相关度可以用于评估加密效果，如图2，图2中(a)至(f)依次为：原始图像为彩色lina、单个混沌系统加密结果、混沌单元系统加密结果、一组结构参数失配解密结果图、一组初始化参数失配解密结果图、匹配参数解密结果图。
图2所示的验证结果中的部分图像的相关度可按照下式计算
Figure BDA0001565067900000102
计算结果如下表所示：
表1图像相关度
Figure BDA0001565067900000103
Figure BDA0001565067900000111
本发明方法还可以用来加密文本，其结果如图4所示。
本发明公开了一种基于混沌阵列系统的能源互联网通信安全系统架构系统设计方案，设计以典型、改进或自定义混沌系统/映射为基础按照一定原则构建合适规模的混沌系统阵列，通过对典型系统结构参数进行扰动得到系统参数数据库与初始值参数库一起作为密钥空间，从而实现对混沌阵列的控制。基于混沌阵列系统的能源互联网通信安全系统架构系统具有实现灵活、加密可靠性高、数据处理能力强等优点，可用于能源互联网中关键信息的加密传输。本发明具有以下特点：
1.本发明除采用高级计算机编程语言：C、C++、Matlab等实现，作为计算机加密程序以外，还可采用DSP、FPGA及其他硬件模块实现；
2.本发明采用典型、改进或自定义混沌系统/映射作为混沌单元实现混沌系统阵列，任何更改混沌系统单元模型、改进或更改混沌系统实现方式及更改混沌系统阵列规模的变更均在本发明保护范围；
3.本发明采用典型数学运算、逻辑运算、数字信号处理方式实现加密信号处理，任何改变加密信号生成方式的更改均在本发明保护范围；
4.本发明采用典型策略实现加密信号对信息的加密/解密操作，任何更改、融合加密算法提升本架构系统安全性能的操作均在本发明保护范围内。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于混沌系统阵列的能源互联网通信安全方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)构建混沌系统阵列：以混沌系统为单元构建高维度的混沌系统阵列；
2)混沌信号发生：求解混沌系统阵列中各基本单元的非线性微分方程组产生通信安全加/解密所需混沌信号；
具体如下：对混沌系统单元的典型结构参数做微小扰动形成系统结构参数库及采用随机生产的微小数值作为混沌系统初始值参数库，通过从结构参数库与初始值参数库中选取参数的方式设置混沌阵列系统中各单元的状态，从而实现对混沌系统阵列中各单元的控制，得到混沌系统阵列产生的混沌信号。
3)混沌信号处理：对混沌系统阵列输出的多通道混沌信号按照设定的信号处理原则进行处理，构建新的高维超混沌信号，作为加/解密所需的密钥信号；
4)信息的加解密；采用选定的数据加密准则，采用处理后的混沌系统阵列输出信号对信息进行加密并进行传输；对信号接收系统采用和加密信号一致的解密系统即可实现对加密后的信息进行解密复原。
2.根据权利要求1所述的基于混沌系统阵列的能源互联网通信安全方法，其特征在于，所述步骤1)中构建混沌系统阵列的混沌系统为常见的混沌系统及其改进系统。
3.根据权利要求1所述的基于混沌系统阵列的能源互联网通信安全方法，其特征在于，所述步骤3)中按照预设的数字信号处理方法对混沌阵列系统的输出信号进行处理，所述数字信号处理方法包括数学运算处理、逻辑运算处理、数值信号处理、现有加密算法处理及上述处理方法的组合。
4.根据权利要求1所述的基于混沌系统阵列的能源互联网通信安全方法，其特征在于，所述步骤4)中数据加密准则为掩盖与调制操作或现有的数据加密准则。
5.一种基于混沌系统阵列的能源互联网通信安全系统，其特征在于，包括：
混沌系统阵列构建模块，用于以混沌系统为单元构建高维度的混沌系统阵列；
混沌信号发生模块，用于通过求解混沌系统阵列中各基本单元的非线性微分方程组产生通信安全加/解密所需混沌信号；
所述混沌信号发生模块具体如下：对混沌系统单元的典型结构参数做微小扰动形成系统结构参数库及采用随机生产的微小数值作为混沌系统初始值参数库，通过从结构参数库与初始值参数库中选取参数的方式设置混沌阵列系统中各单元的状态，然后得到混沌系统阵列产生的混沌信号；
混沌信号处理模块，用于对混沌系统阵列输出的多通道混沌信号进行信号处理，构建新的高维超混沌信号，作为加/解密所需的密钥信号；
加解密模块，用于利用处理后的混沌系统阵列输出信号按照既定的数据加/解密原则对原始/加密后信号进行加/解密处理。
6.根据权利要求5所述的基于混沌系统阵列的能源互联网通信安全系统，其特征在于，所述混沌系统阵列构建模块中构建混沌系统阵列的混沌系统为常见的混沌系统及其改进系统。
7.根据权利要求5所述的基于混沌系统阵列的能源互联网通信安全系统，其特征在于，所述混沌信号处理模块中按照预设的数字信号处理方法对混沌阵列系统的输出信号进行处理，所述数字信号处理方法包括数学运算处理、逻辑运算处理、数值信号处理、现有加密算法处理及上述处理方法的组合。
8.根据权利要求5所述的基于混沌系统阵列的能源互联网通信安全系统，其特征在于，所述混沌信号处理模块中数据加密准则为掩盖与调制操作或现有的数据加密准则。
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