CN111669273B - 一种基于元胞自动机理论的加密方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种基于元胞自动机理论的加密方法，其包括利用密钥文、元胞规则号、元胞序号的匹配关系，将密钥文设定的原始密钥转换为由元胞序号组成的加密密钥。本发明通过将密钥进行多元变换，增加了密钥的破解难度，提高了加密安全性，且运算量小，提升了加密速度。

Description

一种基于元胞自动机理论的加密方法

技术领域

本发明涉及加密技术领域，具体地，涉及一种基于元胞自动机理论的加密方法。

背景技术

为了防止信息易被恶意浏览、窃取、窜改、非法复制与传播，人们对于信息的加密技术越来越被重视起来。现有技术中的加密算法有多种，其中，AES算法因为有着较高的速度和资源使用效率，安全级别也较高，被称为下一代加密标准。然而现有技术中的加密算法需要的计算量较大，如何在保持加密的安全级别的同时，减少加密算法的计算量，以便于提供一种加密速度更快、安全性更高的加密方法是需要解决的一个问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明公开一种基于元胞自动机理论的加密方法，其包括以下步骤：利用密钥文、元胞规则号、元胞序号的匹配关系，将密钥文设定的原始密钥转换为由元胞序号组成的加密密钥。

根据本发明一实施方式，将密钥文设定的原始密钥转换为由元胞序号组成的加密密钥，包括：

设定原始密钥，原始密钥由密钥文组成；

根据原始密钥寻找并确定相对应的元胞规则号；

根据元胞规则号寻找并确定相对应的元胞序号；

元胞序号组成加密密钥。通过密钥文、元胞规则号以及元胞序号的匹配替换，使得原始密钥升元，从而提升加密密钥的破解难度。

根据本发明一实施方式，设定原始密钥，之后还包括：

将原始密钥进行对角变换。通过对原始密钥进行对角变换进一步提升加密密钥的破解难度。

根据本发明一实施方式，设定原始密钥，之后还包括：

将原始密钥进行定位移动。通过对原始密钥进行定位移动进一步提升加密密钥的破解难度。

根据本发明一实施方式，密钥文包括0-9、a-z、A-Z。

根据本发明一实施方式，其还包括：

根据元胞自动机运算规则对明文进行加密。进一步提升破解难度，提高了加密安全性。

根据本发明一实施方式，根据元胞自动机运算规则对明文进行加密，包括：

将明文处理为数组队列；

将数组队列处理为三元队列；

根据元胞自动机运算规则提取三元队列，并形成密用值。

根据本发明一实施方式，形成密用值，之后还包括：

根据密用值与数组队列形成密文数据。

根据本发明一实施方式，数组队列为16位二进制的数组队列。

根据本发明一实施方式，提取三元队列的元胞自动机运算规则为Rule240、Rule170、Rule60、Rule0、Rule90、Rule102、Rule105以及Rule170的一种或多种。

本发明的有益效果为：将密钥进行多元变换，增加了密钥的破解难度，提高了加密安全性，且运算量小，提升了加密速度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本实施例中基于元胞自动机理论的加密方法的流程图；

图2为本实施例中加密密钥设定流程图；

图3为本实施例中预设元胞自动机密钥规则参照表；

图4为本实施例中根据元胞自动机运算规则对明文进行加密流程图；

图5为本实施例中加密处理前的图像示意图；

图6为本实施例中元胞自动机xor(异或)7种运算规则参照表；

图7为本实施例中元胞自动机xnor(异或非)7种运算规则参照表；

图8为本实施例中加密处理后的图像示意图。

具体实施方式

以下将以图式揭露本发明的多个实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明。也就是说，在本发明的部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化图式起见，一些习知惯用的结构与组件在图式中将以简单的示意的方式绘示之。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，并非特别指称次序或顺位的意思，亦非用以限定本发明，其仅仅是为了区别以相同技术用语描述的组件或操作而已，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

为能进一步了解本发明的内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

参照图1，图1为本实施例中基于元胞自动机理论的加密方法的流程图。本实施例中基于元胞自动机理论的加密方法包括：利用密钥文、元胞规则号、元胞序号的匹配关系，将密钥文设定的原始密钥转换为由元胞序号组成的加密密钥。

可以理解的是，加密密钥是加密算法的核心参数，加密密钥被破解的难易程度直接影响到加密安全性的高低。本实施例中的加密方法是通过将密钥进行多元变换，增加了密钥的破解难度，提高了加密安全性，且运算量小，提升了加密速度。

继续参照图2，图2为本实施例中加密密钥设定流程图。进一步，根据预设元胞自动机密钥规则对明文的加密密钥的进行设定，包括：

S1，设定原始密钥，原始密钥由密钥文组成。

S2，根据原始密钥寻找并确定相对应的元胞规则号。

S3，根据元胞规则号寻找并确定相对应的元胞序号。

S4，元胞序号组成加密密钥。

本实施例中的元胞规则号与密钥文匹配，元胞序号与元胞规则号匹配，使得密钥文、元胞规则号、元胞序号三者形成一一匹配的关系。通过密钥文、元胞规则号以及元胞序号的匹配替换，使得原始密钥升元，从而提升加密密钥的破解难度。

可以理解的是，现有元胞自动机具有270种运算规则，270种运算规则包括(0-255)的256种的基础规则、xor(异或)7种及xnor(异或非)7种。其中，256种的基础规则为现有规则，此处不再赘述。xor及xnor的规则可参照表1所示：

表1

rule(xor)	qi-1	qi	qi+1	rule(xnor)
					60	1	1	0	195
90	1	0	1	165
					102	0	1	1	153
150	1	1	1	105
					170	0	0	1	85
204	0	1	0	51
					240	1	0	0	15

元胞自动机的270种运算规则均具有相应的运算方式。本实施例中的元胞规则号即是从元胞自动机270种的运算规则中选取出多种规则进行编号。其中，选取进行编号的元胞自动机规则数量可根据实际情况而定，编号方式可采用正负数值编号，使得每一个元胞规则号均具有唯一性。元胞序号即是对编号后的元胞规则号分别设定一个序号，该序号也具有唯一性，且与元胞规则号一一匹配。本实施例中的元胞序号可采用二进制数组。密钥文即是常见的设定为密钥的明文，例如自然数值包括0-9，小写英文a-z，大写英文A-Z等。将密钥文与元胞规则号进行一一匹配，即可使得密钥文与元胞序号形成一一匹配关系。如此，通过密钥文、元胞规则号、元胞序号的匹配关系即可获得一个“密钥规则本”，破解人员只有获得该“密钥规则本”才能够对密钥进行破解，因此破解的难度非常高。

再一并参照图3，图3为本实施例中预设元胞自动机密钥规则参照表。本实施例中将密钥文选取为0-9、a-z、A-Z等常见的明文。在步骤S1中设定原始密钥，原始密钥由密钥文组成。具体是从常见的设定为密钥的明文，即密钥文中选择出要设定为原始密钥的数值进行排列。例如，在图3中的密钥文的一列中选择出八个数值排列设定为原始密匙，如“751023ok”。

在步骤S2中根据原始密钥寻找并确定相对应的元胞规则号。即根据图3所示的“密钥规则本”找出与原始密钥相匹配的元胞规则号。如，原始密钥为“751023ok”，则对应的元胞规则号为“Rule240(+7)、Rule170(+5)、Rule60(+1)、Rule0(0)、Rule90(+2)、Rule102(+3)、Rule51(-6)、Rule195(-1)”，其中，元胞规则号分为两个部分，Rule数值的组合表示为元胞自动机规则，括号内的正负数值和零是为了将相同的元胞自动规则进行区分，使得每一个编号后的元胞自动规则具有唯一性，即元胞规则号具有唯一性。

在步骤S3中根据元胞规则号寻找并确定相对应的元胞序号。即根据图3所示的“密钥规则本”找出与元胞规则号相匹配的元胞序号。如，元胞规则号为“Rule240(+7)、Rule170(+5)、Rule60(+1)、Rule0(0)、Rule90(+2)、Rule102(+3)、Rule51(-6)、Rule195(-1)”，则对应的元胞序号为“(0111)、(0101)、(0001)、(0000)、(0010)、(0011)、(1110)、(1001)”，本实施例中的元胞序号是四位二进制数组。

在步骤S4中元胞序号组成加密密钥，即将“(0111)、(0101)、(0001)、(0000)、(0010)、(0011)、(1110)、(1001)”按照顺次组合后，即可形成加密密钥。

如此，通过上述步骤S1至S4，即可将原始密钥“751023ok”升元变换为(0111)、(0101)、(0001)、(0000)、(0010)、(0011)、(1110)、(1001)”的加密密钥，破解者在不知道预设元胞自动机密钥规则，即如图3所示的“密钥规则本”时，无法进行降元恢复，因此极大增加了密钥的破解难度，从而提升了加密的安全性。而且核心运算只是根据预设元胞自动机密钥规则进行匹配的运算过程，运算量小，加密速度快。在具体应用时，加密操作者可根据实际情况字型设定预设元胞自动机密钥规则，即预设“密钥规则本”。

复参照图2，更进一步，在步骤S1设定原始密钥，之后还包括：S1a，将原始密钥进行对角变换或/和将原始密钥进行定位移动。通过对原始密钥进行对角变换进一步提升加密密钥的破解难度。通过对原始密钥进行定位移动进一步提升加密密钥的破解难度。

在具体应用时，可单独执行将原始密钥进行对角变换的操作来增强加密密钥破解难度，也可单独执行将原始密钥进行定位移动的操作增强加密密钥破解难度。或者先执行将原始密钥进行对角变换，再将对角变换后的原始密钥进行定位移动，或者先执行将原始密钥进行定位移动，再将定位移动后的原始密钥进行对角变换，后两种方式对加密密钥破解难度的增强更大。本实施例中选取先执行将原始密钥进行对角变换，再将对角变换后的原始密钥进行定位移动的操作。

具体而言，0-9自然数值，A-Z、a-z大小写的英文都可形成对角关系。其中自然数值0-9，共计10个数值，其可形成两两对应的对角关系，即(0，5)(1，6)(2，7)(3，8)(4，9)。同理，小写英文a-z，共计26个字母，也是可以形成两两对应的对角，即(a，n)(b，o)(c，p)(d，q)(e，r)(f，s)(g，t)(h，u)(i，v)(j，w)(k，x)(l，y)(m，z)。大写英文A-Z的对角关系与小写英文对角关系相似，此处不再赘述。当原始密钥设置为“751023ok”，经过对角变换之后，则原始密钥就变成了“206578bx”。

定位移动是将0-9自然数值，A-Z、a-z大小写的英文按照自身的顺序，向后移动一位或多位，或者向前移动一位或多位。例如，对角变换后的原始密钥为“206578bx”，向后移动一位则变成了“317689cy”，向后移动五位则变成了“751023gc”。后续步骤S2至S4则根据定位移动的原始密钥“317689cy”或“751023gc”执行，此处不再赘述。如此通过对角变换方式对原始密钥进一步进行隐藏以增加密密钥的破解难度。在实际应用时，0-9自然数值，A-Z、a-z大小写的英文的对角关系可根据实际情况设定。而在原始密钥进行对角变换后，再进行定位移动，再一次增加原始密钥的隐藏性，从而加大加密密钥的破解难度。在实际应用时，0-9自然数值，A-Z、a-z大小写的英文的定位移动是向前还是向后，是一位还是多位，可根据实际情况设定。

复参照图1，更进一步，本实施例中的基于元胞自动机理论的加密方法还包括：根据元胞自动机运算规则对明文进行加密。

可以理解的是，除了作为核心参数的加密密钥之外，加密算法自身程序的破解难度也影响到加密安全性的高低。本是实施例中的加密算法还根据元胞自动机运算规则对明文进行加密，进一步提升破解难度，提高了加密安全性。

继续参照图4，图4为本实施例中根据元胞自动机运算规则对明文进行加密流程图。本实施例中根据元胞自动机运算规则对明文进行加密，包括：

A，将明文处理为数组队列。

B，将数组队列处理为三元队列。

C，根据元胞自动机运算规则提取三元队列，并形成密用值。

D，根据密用值与数组队列形成密文数据。

再一并参照图5，图5为本实施例中加密处理前的图像示意图。在步骤A中，数组队列为16位二进制的数组队列。本实施例中的明文为图像，如图5所示。图像明文可通过现有的图像信息提取技术获得16位的二进制的数组队列。例如，图像明文处理后的数组队列为“1000 1100 1100 0001”。

在步骤B中，将数组队列处理为三元队列。具体而言，是将数组队列的前后进行加0处理，然后再将三个数值形成一个队列，进行三元分组获得三元队列，以便于后续步骤C中根据元胞自动机运算规则进行提取的动作。例如，数组队列为“1000 1100 1100 0001”，则前后加0处理后的三元队列为“01000 1100 1100 00010”。三元队列“01000 1100 110000010”进行三元分组后的排列方式为“010 001 100 110 000 010”。

在步骤C中，提取三元队列的元胞自动机运算规则为Rule240、Rule170、Rule60、Rule0、Rule90、Rule102、Rule105以及Rule170的一种或多种。具体选择的那个元胞自动机运算规则和选择的数量可根据实际情况而定。选取元胞自动机运算规则的数量越多，则破解的难度越高。此外，多种元胞自动机运算规则的提取顺序可根据实际情况而设定，此处不再赘述。

本实施例的步骤C中提取三元队列的元胞自动机运算规则选择为Rule240、Rule170、Rule60、Rule0、Rule90、Rule102、Rule105以及Rule170这8种，并按照Rule240、Rule170、Rule60、Rule0、Rule90、Rule102、Rule105以及Rule170的排列顺序进行提取。

再一并参照图6，图6为本实施例中元胞自动机xor(异或)7种运算规则参照表，图7为本实施例中元胞自动机xnor(异或非)7种运算规则参照表。更进一步，本实施例中的Rule240、Rule170、Rule102、Rule90、Rule60是来自元胞自动机xor(异或)7种运算规则中的5种，Rule105来自元胞自动机xnor(异或非)7种运算规则中的1种，Rule0是来自元胞自动机256种基础运算规则的1种。

如图6和图7所示，0-7共计8个编号，8个编号由少到多依次对应的值为1/2/4/8/16/32/64/128，8个编号可对应由000-111编码成型，编码为三元数值。先根据规则号获得对应的值，然后再根据值获得对应的编码，由编码进行XOR或XNOR计算，即可获得执行Rule240、Rule170、Rule60、Rule90、Rule102以及Rule105运算规则所获得的结果值，反之，上述运算过程即是Rule240、Rule170、Rule60、Rule90、Rule102以及Rule105的运算规则。例如，Rule60的规则号为60，而60＝4+8+16+32，其对应的值为4、8、16、32这四个，Rule90的规则号为90，而90＝64+16+8+2，其对应的值为64、16、8、2这四个，所以从高到低的数据位对应的值如图6的异或参照表所示。同理，Rule105的规则号为105，而105＝64+32+8+1，其对应的值为64、32、8、1这四个，所以从高到低数据位对应的值如图7的异或非参照表所示，此处不再赘述。此外，Rule0所有结果都输出为0。

如此，根据图6和图7所示的元胞自动机运算规则参照表，步骤C中根据元胞自动机运算规则进行提取三元队列，并形成密用值包括以下步骤：

C1，参照Rule240运算规则，获得三元队列为“010 001 100 110 000 010”第一个三元组010的输出值为0。

C2，参照Rule170运算规则，获得三元队列为“010 001 100 110 000 010”最后一个三元组010的输出值为0。

C3，参照Rule60运算规则，获得三元队列为“010 001 100 110 000 010”前两个三元组010、001的XOR输出值为0。

C4，参照Rule0，输出值为0。

C5，参照Rule90运算规则，获得三元队列为“010 001 100 110 000 010”第一个、第三个元组010、100的XOR输出值为1。

C6，参照Rule102运算规则，获得三元队列为“010 001 100 110 000 010”第二个、第三个元组001、100的XOR的输出值为1。

C7，参照Rule105运算规则，获得三元队列为“010 001 100 110 000 010”第一个、第二个、第三个元组010、001、100的XNOR输出值为0。

C8，参照Rule170运算规则，获得三元队列为“010 001 100 110 000 010”所有三元组最后一个值0、1、0、0、0、0的XOR输出值为1。

C9，将C1至C8的输出值顺次排列即可获得密用值，即“0000 1101”。

同理，若提取三元队列的元胞自动机运算规则顺次为Rule170、Rule105、Rule102、Rule90、Rule0、Rule60、Rule170以及Rule240。则能够获得密用值“1100 0010”。

本实施例中的顺次为Rule240、Rule170、Rule60、Rule0、Rule90、Rule102、Rule105以及Rule170，与顺次为Rule170、Rule105、Rule102、Rule90、Rule0、Rule60、Rule170以及Rule240是对称的元胞自动机运算规则。优选的，将上述两种对称的元胞自动机运算规则，同步执行步骤C，则可形成对称加密，进一步提升加密安全性。获得密用值为“0000 11011100 0010”。

再一并参照图8，图8为本实施例中加密处理后的图像示意图。在步骤D中根据密用值与数组队列形成密文数据。即将密用值与数组队列进行XOR计算，即可获得最终密文。即：密用值为“0000 1101 1100 0010”与数组队列为“1000 1100 1100 0001”进行XOR计算获得密文数据为“1000 0001 0000 0011”。将密文数据为“1000 0001 0000 0011”恢复为图像明文即为图8所示的加密图像。

综上，本实施例中的加密方法，基于元胞自动机理论预设元胞自动机密钥规则，将加密密钥进行多元变换，增加了加密密钥的破解难度，同时，还根据元胞自动机运算规则对明文进行加密，进一步提高破解难度，从而实现了一种加密安全性高，运算量小，加密速度快的加密方法。

上所述仅为本发明的实施方式而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理在内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种基于元胞自动机理论的加密方法，其特征在于，包括：

利用密钥文、元胞规则号、元胞序号的匹配关系，将所述密钥文设定的原始密钥转换为由所述元胞序号组成的加密密钥；

其中，将所述密钥文设定的原始密钥转换为由所述元胞序号组成的加密密钥，包括：

设定原始密钥，所述原始密钥由所述密钥文组成；

根据所述原始密钥寻找并确定相对应的元胞规则号；

根据所述元胞规则号寻找并确定相对应的元胞序号；

所述元胞序号组成所述加密密钥。

2.根据权利要求1所述的基于元胞自动机理论的加密方法，其特征在于，设定原始密钥，之后还包括：

将所述原始密钥进行对角变换。

3.根据权利要求1所述的基于元胞自动机理论的加密方法，其特征在于，设定原始密钥，之后还包括：

将所述原始密钥进行定位移动。

4.根据权利要求1所述的基于元胞自动机理论的加密方法，其特征在于，所述密钥文包括0-9、a-z、A-Z。

5.根据权利要求1-4任一所述的基于元胞自动机理论的加密方法，其特征在于，其还包括：

根据元胞自动机运算规则对明文进行加密。

6.根据权利要求5所述的基于元胞自动机理论的加密方法，其特征在于，根据元胞自动机运算规则对明文进行加密，包括：

将明文处理为数组队列；

将所述数组队列处理为三元队列；

根据元胞自动机运算规则提取所述三元队列，并形成密用值。

7.根据权利要求6所述的基于元胞自动机理论的加密方法，其特征在于，形成密用值，之后还包括：

根据所述密用值与所述数组队列形成密文数据。

8.根据权利要求6所述的基于元胞自动机理论的加密方法，其特征在于，所述数组队列为16位二进制的数组队列。

9.根据权利要求6所述的基于元胞自动机理论的加密方法，其特征在于，提取所述三元队列的所述元胞自动机运算规则为Rule240、Rule170、Rule60、Rule0、Rule90、Rule102、Rule105以及Rule170的一种或多种。

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