CN110120865A - 一种基于统一混沌系统的加密和解密方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于统一混沌系统的加密和解密方法，通过混沌调制和混沌掩盖技术，实现了多级加密，利用统一混沌系统的特点，通过调制系统参数，使统一混沌系统在不同类混沌系统间切换，系统性质更为复杂，同时通过利用加密信号实现与发送端系统的同步，并利用同步后的系统，采用与发送端相反的解密过程，得到解密信号。本发明的方法可以用于国防通信领域的保密通信，亦可应用于民用保密通信服务行业，混沌系统的伪随机性质令保密信号可伪装为现实中的随机白噪声，具有较好的应用价值。

Description

一种基于统一混沌系统的加密和解密方法
技术领域
本发明涉及保密通信领域，尤其涉及一种基于统一混沌系统的加密和解密方法。
背景技术
混沌指的是确定性系统中表现出来的不确定行为的总称。由于混沌信号具有自相似性、初值敏感性、正的李指数及伪随机性等复杂性质，受到了人们的广泛关注。特别是由于混沌信号伪随机，类似于现实中的白噪声，难以被窃密者所破译。目前，现有的混沌保密通信机制加密方式简单，系统形式固定，可通过相空间重构技术来推测系统的行为。
现有技术存在的问题如下：单系统构造的发送端与接收端安全性较低；采用系统形式固定，在保密通信过程中系统不再发生变化；发送端和接收端加密方式简单，只采用混沌掩盖、混沌调制、混沌键控中的一种方法来加密信号。
发明内容
本发明的目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种基于统一混沌系统的加密和解密方法。
本发明的目的可以通过采用如下的技术措施来实现，设计一种基于统一混沌系统的加密方法，包括：启动Lorenz混沌系统，产生第一混沌信号；通过Lorenz混沌系统产生的第一混沌信号调制统一混沌系统参数，并运行统一混沌系统，产生第二混沌信号；通过第二混沌信号对通信的原始信号进行加密，生成第一加密信号，并通过Lorenz混沌系统对第一加密信号进行处理，生成第二加密信号；将第二加密信号通过公共信道输出。
其中，Lorenz混沌系统的状态方程如下所示：
其中，当参数为a＝10、b＝8/3和c＝28时，Lorenz混沌系统具有正的Lyapunov指数，处于混沌状态；
通过处于混沌状态的Lorenz混沌系统输出的第一混沌信号对统一混沌系统的系统参数进行调制。
其中，统一混沌系统的状态方程如下所示：
其中，α为统一混沌系统的系统参数，且当α∈[0,0.8)时，统一混沌系统属于广义Lorenz系统；当α∈(0.8,1]时，统一混沌系统属于广义Chen系统；当α＝0.8时，系统属于广义Lü系统。
其中，调制完成后，Lorenz混沌系统和统一混沌系统的系统状态方程分别为：
其中，s(t)＝cxs1-xs1zs1+r(t)表示得到的第二加密信号，r(t)为包含原始信号的第一加密信号。
本发明的目的可以通过采用如下的技术措施来实现，设计一种基于统一混沌系统的解密方法，包括：从公共信道接收加密信号，并通过接收到的加密信号驱动一Lorenz混沌系统，产生第三混沌信号；通过第三混沌信号驱动并调制一统一混沌系统，使统一混沌系统产生第四混沌信号；Lorenz混沌系统启动后，对接收的加密信号进行第一次解密，得到第一解密信号；通过第一解密信号对统一混沌系统信号进行调制，得到第二解密后信号，并对第二解密信号进行校正和处理，得到完全解密信号。
其中，Lorenz混沌系统和统一混沌系统的状态方程表示为：
其中s′(t)为接收到的加密信号。
区别于现有技术，本发明的基于统一混沌系统的加密和解密方法通过混沌调制和混沌掩盖技术，实现了多级加密，利用统一混沌系统的特点，通过调制系统参数，使统一混沌系统在不同类混沌系统间切换，系统性质更为复杂，同时通过利用加密信号实现与发送端系统的同步，并利用同步后的系统，采用与发送端相反的解密过程，得到解密信号。本发明的方法可以用于国防通信领域的保密通信，亦可应用于民用保密通信服务行业，混沌系统的伪随机性质令保密信号可伪装为现实中的随机白噪声，具有较好的应用价值。
附图说明
图1是本发明提供的一种基于统一混沌系统的加密方法的流程示意图。
图2是本发明提供的一种基于统一混沌系统的解密方法的流程示意图。
图3是本发明提供的一种基于统一混沌系统的加密和解密方法中Lorenz系统相图及在平面内的投影的示意图。
图4是发明提供的一种基于统一混沌系统的加密和解密方法中统一混沌系统的状态转换的示意图。
图5是发明提供的一种基于统一混沌系统的加密和解密方法的逻辑示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
参阅图1，图1是本发明提供的一种基于统一混沌系统的加密方法的流程示意图。该方法的步骤包括：
S110：启动Lorenz混沌系统，产生第一混沌信号。
S120：通过Lorenz混沌系统产生的第一混沌信号调制统一混沌系统参数，并运行统一混沌系统，产生第二混沌信号。
S130：通过第二混沌信号对通信的原始信号进行加密，生成第一加密信号，并通过Lorenz混沌系统对第一加密信号进行处理，生成第二加密信号。
S140：将第二加密信号通过公共信道输出。
此外，如图2所示，图2提供了一种基于统一混沌系统的解密方法，该方法的步骤包括：
S210：从公共信道接收加密信号，并通过接收到的加密信号驱动一Lorenz混沌系统，产生第三混沌信号。
S220：通过第三混沌信号驱动并调制一统一混沌系统，使统一混沌系统产生第四混沌信号。
S230：Lorenz混沌系统启动后，对接收的加密信号进行第一次解密，得到第一解密信号。
S240：通过第一解密信号对统一混沌系统信号进行调制，得到第二解密后信号，并对第二解密信号进行校正和处理，得到完全解密信号。
为方便说明，结合加密和解密的方法同时进行说明。其逻辑示意图如图5所示。
本发明主要分为发送端和接受端系统两个部分，由于发送端和接受端是对称的，故而先考虑保密通信的发送端。发送端由两个混沌系统构成，主系统是一个Lorenz混沌系统，系统的状态方程如下所示：
其中，当参数为a＝10、b＝8/3和c＝28时，系统具有正的Lyapunov指数，处于混沌状态，系统相图在各个平面的投影如下图3所示。
在Lorenz系统的基础上，用Lorenz混沌系统的第一混沌信号对一统一混沌系统参数进行调制。统一混沌系统模型如下所示：
可以看到，统一混沌系统中仅含有一个参数α，当α∈[0,0.8)时，统一混沌系统属于广义Lorenz系统；当α∈(0.8,1]时，统一混沌系统属于广义Chen系统；当α＝0.8时，系统属于广义Lü系统。采用混沌系统信号调制的统一混沌系统将在如上三类广义系统间进行切换，增加了系统信号的复杂性，对应于不同参数的统一混沌系统如下图4所示。
采用Lorenz系统和统一混沌系统，可以构造得到保密通信的发送端和接收端。发送端系统如下所示：
其中s(t)＝cxs1-xs1zs1+r(t)表示发送端发送信号，r(t)为包含原始信号的初级加密信号。同理，接收端系统表示如下：
其中s′(t)为接收端接收到的信号。考虑到保密通信过程中有限噪声不会影响系统的同步结果，发送端信号ys1和接收端信号ys2将在保密通信信号的作用下实现同步。定义误差信号esx＝xs2-xs1，esz＝zs2-zs1，则有误差系统为和在发送端Lorenz系统与接收端Lorenz系统实现同步后，有xs2＝xs1、ys2＝ys1和zs2＝zs1。用ys1和ys2分别驱动对应保密通信端的统一混沌系统，并用其他变量对统一混沌系统信号进行调制，使α(t)在[0,1]范围内变化。定义误差信号emx＝xm2-xm1，emz＝zm2-zm1，则有误差系统为和最终发送端系统与接收端实现同步。
结束阶段，存储解密信号，关闭保密通信系统，完成解密过程。
在混沌系统保密通信中，多个混沌系统将增加发送端系统和接收端系统的复杂性，使混沌保密通信难以实现甚至无法实现。统一混沌系统仅具有一个参数，但代表了三类经典混沌系统的复杂性质，将其作为受控的混沌系统并用Lorenz系统信号调制其参数并进行驱动，可以有效构造多混沌系统的保密通信发送端和接收端。发送端和接收端系统中的多系统机制提供了多组互不相关的混沌信号，为实现原始信号的多级加密提供了载波和媒介。多系统并不需要发送多组通信信号，通信信号在对一组混沌Lorenz系统的作用下即可实现发送端与接收端多组系统间的同步。
由多系统组成的发送端和接收端是对称的，即发送端和接收端可以相互转换，进一步实现双向通信，节省了保密通信的资源。原始信号的加密和解密过程采用了组合加密的方法，即保密通信过程中信号不仅采用了混沌掩盖技术，也应用了混沌调制技术，增强了保密通信的可靠性和安全性。
需要指出的是，保密通信的各个阶段并不是完全串行的，各阶段只是对整个通信方案的简单划分，除开始阶段和结束阶段外，信号的加密，传输，同步和解密可能是同步进行的。此外，由于系统同步需要时间，故而不应在保密通信一开始就发送加密后的有用信号，需在同步稳定后开始发送。
区别于现有技术，本发明的基于统一混沌系统的加密和解密方法通过混沌调制和混沌掩盖技术，实现了多级加密，利用统一混沌系统的特点，通过调制系统参数，使统一混沌系统在不同类混沌系统间切换，系统性质更为复杂，同时通过利用加密信号实现与发送端系统的同步，并利用同步后的系统，采用与发送端相反的解密过程，得到解密信号。本发明的方法可以用于国防通信领域的保密通信，亦可应用于民用保密通信服务行业，混沌系统的伪随机性质令保密信号可伪装为现实中的随机白噪声，具有较好的应用价值。
以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，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 (6)

1.一种基于统一混沌系统的加密方法，其特征在于，包括：
启动Lorenz混沌系统，产生第一混沌信号；
通过Lorenz混沌系统产生的第一混沌信号调制统一混沌系统参数，并运行统一混沌系统，产生第二混沌信号；
通过第二混沌信号对通信的原始信号进行加密，生成第一加密信号，并通过Lorenz混沌系统对第一加密信号进行处理，生成第二加密信号；
将第二加密信号通过公共信道输出。
2.根据权利要求1所述的基于统一混沌系统的加密方法，其特征在于，Lorenz混沌系统的状态方程如下所示：
其中，当参数为a＝10、b＝8/3和c＝28时，Lorenz混沌系统具有正的Lyapunov指数，处于混沌状态；
通过处于混沌状态的Lorenz混沌系统输出的第一混沌信号对统一混沌系统的系统参数进行调制。
3.根据权利要求2所述的基于统一混沌系统的加密方法，其特征在于，统一混沌系统的状态方程如下所示：
其中，α为统一混沌系统的系统参数，且当α∈[0,0.8)时，统一混沌系统属于广义Lorenz系统；当α∈(0.8,1]时，统一混沌系统属于广义Chen系统；当α＝0.8时，系统属于广义Lü系统。
4.根据权利要求3所述的基于统一混沌系统的加密方法，其特征在于，调制完成后，Lorenz混沌系统和统一混沌系统的系统状态方程分别为：
其中，s(t)＝cxs1-xs1zs1+r(t)表示得到的第二加密信号，r(t)为包含原始信号的第一加密信号。
5.一种基于统一混沌系统的解密方法，其特征在于，包括：
从公共信道接收加密信号，并通过接收到的加密信号驱动一Lorenz混沌系统，产生第三混沌信号；
通过第三混沌信号驱动并调制一统一混沌系统，使统一混沌系统产生第四混沌信号；
Lorenz混沌系统启动后，对接收的加密信号进行第一次解密，得到第一解密信号；
通过第一解密信号对统一混沌系统信号进行调制，得到第二解密后信号，并对第二解密信号进行校正和处理，得到完全解密信号。
6.根据权利要求5所述的基于统一混沌系统的解密方法，其特征在于，Lorenz混沌系统和统一混沌系统的状态方程表示为：
其中s′(t)为接收到的加密信号。
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