CN113098676A

CN113098676A - 基于四维混沌的矢量地图双位随机置乱加密方法

Info

Publication number: CN113098676A
Application number: CN202110344471.4A
Authority: CN
Inventors: 闫浩文; 王小龙; 张黎明; 李玉; 何阳
Original assignee: Lanzhou Jiaotong University
Current assignee: Lanzhou Jiaotong University
Priority date: 2021-03-27
Filing date: 2021-03-27
Publication date: 2021-07-09

Abstract

本发明公开基于四维混沌的矢量地图双位随机置乱加密方法，包括:利用哈希原理加密地图和用户密钥获取密钥H_k和U_k，通过H_k和U_k生成初始值；利用初始值在四维超混沌系统产生混沌序列X,Y,Z,W，对X,Y,Z,W升序排列得到Sort_X₁,Sort_Y₁,Sort_Z₁,Sort_W₁和索引Sort_D_X,Sort_D_Y,Sort_D_Z,Sort_D_W，将其分为六组；定义索引选择规则，将地图坐标转换为一维序列；根据双位随机置换原理置乱，按照地图的排列重组一维坐标，完成加密。该方法能够加密地图，具有较高安全性；避免了明文和密文间一对一的映射关系，攻击者难以通过分析明文和密文对获得密钥序列。

Description

基于四维混沌的矢量地图双位随机置乱加密方法

技术领域

本发明涉及地理空间数据安全领域，更具体的说是涉及基于四维混沌的矢量地图双位随机置乱的加密方法。

背景技术

矢量地图数据作为地理空间数据的重要组成部分，是经济和现代化建设中不可或缺的资源，广泛应用于资源与环境、灾害与应急响应、经济与社会发展、卫生与生命健康、规划与区域设计等领域。然而，随着科学技术的快速发展，矢量地图数据的获取、访问、传播、复制和存储越发方便，同时，其安全问题也日益严峻。

针对越发突出的安全问题，制定了一系列法律、规章、条例和制度进行安全保护。但是，除了制定完善的法律法规之外，也需要从技术手段上提供支撑。加密算法作为解决这一问题的有效技术手段，主要用于在传输和存储过程中防范被非法获取或访问。

针对置乱加密采用一对一映射置乱地图，通过明文地图的坐标位置逐个置乱坐标，攻击者容易通过分析密文地图和明文地图之间的关系获得加密索引值，本发明公开一种基于四维混沌的矢量地图双位随机置乱加密方法。其主要内容是利用四维超混沌系统生成加密的随机密钥序列，获取地图信息，然后将其进行规则化处理，利用双随机位置换原理进行置乱加密，最后将加密的置乱坐标按地图结构进行重组，得到加密的地图。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种基于四维超混沌系统的，结合双随机位置换原理的矢量地图加密方法，图1为本发明矢量地图加密方法的总体流程，包括密钥生成、随机加密两部分。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于四维混沌的矢量地图双位随机置乱加密方法，包括密钥生成、置乱加密和解密处理三部分：

1.密钥生成步骤如下：

S1：利用SHA-512加密地图文件和用户密钥，得到512位的哈希密钥 H_k和U_k，然后将H_k和U_k分割为64个8位组，将H_k的64个8位组转为十进制h_k1,h_k2,…,h_k64，U_k的64个8位组转为十进制后分割为16组e₁,e₂,e₃, e₄；

S2：将Step1中所得16组e₁,e₂,e₃,e₄求和得U_{k_sum}值，处理U_{k_sum}得到 U_{k_index}＝mod(U_{k_sum},16)+1,U_{k_index}∈[1,16]，并依据U_{k_index}选择序列；

S3：通过处理h_k1,h_k2,…,h_k64和e₁,e₂,e₃,e₄生成四个参数p₁,p₂,p₃,p₄；

S4：四个初始参数u_x,u_y,u_z,u_w通过得到的p₁,p₂,p₃,p₄进行计算；

S5：使用u_x,u_y,u_z,u_w作为四维超混沌系统的初始值x₀,y₀,z₀,w₀，并迭代 t₀+|L|(t₀≥1000)次。为避免不好的效果，剔除先前的t₀值，得到长度为|L|的四个混沌序列。其中，|L|各要素下顶点数量之和；

S6：将X,Y,Z,W这四个序列按升序排列得到四个新的序列Sort_X₁, Sort_Y₁,Sort_Z₁,Sort_W₁和对应的索引序列Sort_D_X,Sort_D_Y,Sort_D_Z, Sort_D_W；

2.随机加密步骤如下：

S7：为增强加密算法和明文之间的相关性，将索引序列组合为6组，分别是：A1＝(Sort_D_X,Sort_D_Y),A2＝(Sort_D_X,Sort_D_Z),A3＝(Sort_D_X, Sort_D_W),A4＝(Sort_D_Y,Sort_D_Z),A5＝(Sort_D_Y,Sort_D_W),A6＝(Sort_D_Z, Sort_D_W)；

S8：将哈希密钥H_k中的每一个十六进制字符转换为十进制数字；

S9：为降低x坐标与y坐标之间的相关性，将转换而来的所有十进制求和得H_sum，通过处理H_sum得到Hx_index＝mod(H_sum,6)+ 1,Hx_index∈[1,6]，并通过S3所得p₁,p₂,p₃ p₄计算Hy_index＝ floor(mod((p_1+p_2+p_3+p_4)/4×10^6,6))+1,Hy_index∈[1,6]；

S10：通过Hx_index和Hy_index，选择S7中的一组索引序列。确切来讲，若Hx_index(或Hy_index)＝i,则选择第Ai组的索引序列；

S11：矢量地图数据的坐标v_i,j＝(x_i,j,y_i,j)根据第Ai组的索引序列，利用双随机位置换原理进行置乱操作，得到加密坐标S_v_i,j＝(S_x_i,j,S_y_i,j)。以第A1组和第A2组为例；

3.解密处理步骤如下：

S12：从加密的矢量地图中读取加密坐标；

S13：通过四维超混沌系统生成密钥序列，将密钥序列按升序排序后，将其分为6组；

S14：结合分组完成的密钥序列和双随机位置换原理进行解密；

S15：结束。

本发明方法先进、科学，保证加密数据无法辨识，不能提供有效信息，具有很好的安全性，避免了明文地图和密文地图一对一映射关系。通过实验表明，该方法具有很好的安全性，实现了全局要素之间的置乱，攻击者难以通过分析明文和密文对之间的关系获得索引序列，具有较好的使用价值和较高的安全性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的示意图，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的基于四维混沌的矢量地图双位随机置乱加密方法的流程图；

图2为本发明提供的超混沌系统的相图在x-y-z面上的投影；

图3为本发明提供的超混沌系统的相图在x-y面上的投影；

图4为本发明提供的超混沌系统的相图在x-z面上的投影；

图5为本发明提供的超混沌系统的相图在x-w面上的投影；

图6为本发明提供的双随机位置换的过程示意图；

图7为本发明提供的全局要素置乱的原始数据示意图；

图8为本发明提供的全局要素置乱的全局要素置乱数据示意图；

图9为本发明提供的仅含一个图层的原始地图；

图10为本发明提供的仅含一个图层的加密地图；

图11为本发明提供的含有两个图层的原始地图；

图12为本发明提供的含有两个图层的加密地图；

图13为本发明提供的原始地图；

图14为本发名提供的使用轻微修改密钥解密的地图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下步骤为密钥生成部分：

Step 1：利用SHA-512加密地图文件和用户密钥，得到512位的哈希密钥H_k和U_k，然后将H_k和U_k分割为64个8位组，将H_k的64个8位组转为十进制h_k1,h_k2,…,h_k64，U_k的64个8位组转为十进制后分割为16组e₁,e₂, e₃,e₄；

Step 2：将Step1中所得16组e₁,e₂,e₃,e₄求和得U_{k_sum}值，处理U_{k_sum}得到U_{k_index}＝mod(U_{k_sum},16)+1,U_{k_index}∈[1,16]，并依据U_{k_index}选择序列；

Step 3：通过处理h_k1,h_k2,…,h_k64和e₁,e₂,e₃,e₄生成四个参数p₁,p₂,p₃, p₄，表示如下：

其中，

是x和y的位异或运算，sum(h_k17,h_k18,k₁₉,…,h_k32)是h_k17,h_k18, h_k19,…,h_k32的和函数，max(h_k17,h_k18,h_k19,…,h_k32)是h_k17,h_k18,h_k19,…,k₃₂中的最大值，e₁,e₂,e₃,e₄∈(0,+∞)是四个外部密钥，|L|是所有要素顶点数量之和；

Step 4：四个初始参数u_x,u_y,u_z,u_w通过得到的p₁,p₂,p₃,p₄进行计算，表示如下：

其中，floor(x)是获得小于或等于x的最大整数的运算，在该发明中将参数u_x, u_y,u_z,u_w用于四维超混沌系统的初始值进行密钥序列生成；

Step 5：使用u_x,u_y,u_z,u_w作为四维超混沌系统的初始值x₀,y₀,z₀,w₀，并迭代t₀+|L|(t₀≥1000)次。为避免不好的效果，剔除先前的t₀值，得到长度为|L|的四个混沌序列。其中，|L|各要素下顶点数量之和；

Step 6：将X,Y,Z,W这四个序列按升序排列得到四个新的序列Sort_X₁, Sort_Y₁,Sort_Z₁,Sort_W₁和对应的索引序列Sort_D_X,Sort_D_Y,Sort_D_Z, Sort_D_W；

以下步骤为置乱加密部分：

Step 7：为增强加密算法和明文之间的相关性，将索引序列组合为6组，分别是：A1＝(Sort_D_X,Sort_D_Y),A2＝(Sort_D_X,Sort_D_Z),A3＝(Sort_D_X, Sort_D_W),A4＝(Sort_D_Y,Sort_D_Z),A5＝(Sort_D_Y,Sort_D_W),A6＝(Sort_D_Z, Sort_D_W)；

Step 8：将哈希密钥H_k中的每一个十六进制字符转换为十进制数字；

Step 9：根据SHA-512得到原始地图文件的哈希值，将哈希值中的每一个十六进制字符转换为十进制数。为降低x坐标与y坐标之间的相关性，将转换而来的所有十进制求和得H_sum，通过下式处理H_sum得到Hx_index，并通过式(1)所得p₁,p₂,p₃,p₄计算Hy_index，具体计算细节如下：

Hx_index＝mod(H_sum,6)+1,Hx_index∈[1,6] (3)

Step 10：通过Hx_index和Hy_index，选择S7中的一组索引序列。确切来讲，若Hx_index(或Hy_index)＝i,则选择第Ai组的索引序列；

Step 11：矢量地图数据的坐标v_i,j＝(x_i,j,y_i,j)根据第Ai组的索引序列，利用双随机位置换原理进行置乱操作，得到加密坐标S_v_i,j＝(S_x_i,j,S_y_i,j)。以第A1 组和第A2组为例，具体操作如下：

C_x_i,j＝x_i,j(D_X(i)),S_x_i,j(D_Y(i))＝C_x_i,j (5)

C_y_i,j＝y_i,j(D_X(i)),S_y_i,j(D_Z(i))＝C_y_i,j (6)

对x坐标而言，使用A1组的索引，利用索引序列D_X(i)从x_i,j中选择要置乱的元素，将其存储至C_x_i,j中。然后，利用索引序列D_Y(i)将C_x_i,j映射到S_x_i,j的随机位置，x_i,j的双随机位置乱加密完成；对y坐标而言，使用A2组的索引，利用索引序列D_X(i)从y_i,j中选择要置乱的元素，将其存储至C_y_i,j中。然后，利用索引序列D_Z(i)将C_y_i,j映射到S_y_i,j的随机位置，y_i,j的双随机位置乱加密完成。其中，i∈[1,|L|]；

以下步骤为解密数据部分：

Step 12：从加密的矢量地图中读取加密坐标；

Step 13：通过四维超混沌系统生成密钥序列，将密钥序列按升序排序后，将其分为6组；

Step 14：结合分组完成的密钥序列和双随机位置换原理进行解密；

Step 15：结束。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，该方案所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于该方案所示的这些实施例，而是要符合与本发明所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.基于四维混沌的矢量地图双位随机置乱加密方法，包括密钥生成、置乱加密和解密处理三部分：

密钥生成步骤如下：

S1：利用SHA-512加密地图文件和用户密钥，得到512位的哈希密钥H_k和U_k，然后将H_k和U_k分割为64个8位组，将H_k的64个8位组转为十进制h_k1，h_k2，...，h_k64，U_k的64个8位组转为十进制后分割为16组e₁，e₂，e₃，e₄；

S2：将Step1中所得16组e₁，e₂，e₃，e₄求和得U_{k_sum}值，处理U_{k_sum}得到U_{k_index}＝mod(U_{k_sum}，16)+1，U_{k_index}∈[1，16]，并依据U_{k_index}选择序列；

S3：通过处理h_k1，h_k2，...，h_k64和e₁，e₂，e₃，e₄生成四个参数p₁，p₂，p₃，p₄；

S4：四个初始参数u_x，u_y，u_z，u_w通过得到的p₁，p₂，p₃，p₄进行计算；

S5：使用u_x，u_y，u_z，u_w作为四维超混沌系统的初始值x₀，y₀，z₀，w₀，并迭代t₀+|L|(t₀≥1000)次，为避免不好的效果，剔除先前的t₀值，得到长度为|L|的四个混沌序列，其中，|L|各要素下顶点数量之和；

S6：将X，Y，Z，W这四个序列按升序排列得到四个新的序列Sort_X₁，Sort_Y₁，Sort_Z₁，Sort_W₁和对应的索引序列Sort_D_X，Sort_D_Y，Sort_D_Z，Sort_D_W；

置乱加密步骤如下：

S7：为增强加密算法和明文之间的相关性，将索引序列组合为6组，分别是：A1＝(Sort_D_X，Sort_D_Y)，A2＝(Sort_D_X，Sort_D_Z)，A3＝(Sort_D_X，Sort_D_W)，A4＝(Sort_D_Y，Sort_D_Z)，A5＝(Sort_D_Y，Sort_D_W)，A6＝(Sort_D_Z，Sort_D_W)；

S9：为降低x坐标与y坐标之间的相关性，将转换而来的所有十进制求和得H_sum，通过处理H_sum得到Hx_index＝mod(H_sum，6)+1，Hx_index∈[1，6]，并通过S3所得p₁，p₂，p₃ p₄计算Hy_index＝floor(mod((p_1+p_2+p_3+p_4)/4×10^6，6))+1，Hy_index∈[1，6]；

S10：通过Hx_index和Hy_index，选择S7中的一组索引序列，确切来讲，若Hx_index(或Hy_index)＝i，则选择第Ai组的索引序列；

S11：矢量地图数据的坐标v_i，j＝(x_i，j，y_i，j)根据第Ai组的索引序列，利用双随机位置换原理进行置乱操作，得到加密坐标S_v_i，j＝(S_x_i，j，S_y_i，j)，以第A1组和第A2组为例；

解密处理步骤如下：

S12：从加密的矢量地图中读取加密坐标；

S15：结束。

2.根据权利要求1所述的基于四维混沌的矢量地图双位随机置乱加密方法，其特征在于，在步骤S12中，运用S1到S11步骤生成加密的矢量地图数据。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的基于四维混沌的矢量地图双位随机置乱加密方法，其特征在于，在步骤S14中，完成数据解密。