CN113271201B - 一种动态的aes物理层数据加密方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态的AES物理层数据加密方法，其包括以下步骤：步骤1，根据5G通信信道的信道矩阵生成动态密钥；步骤2，将所述动态密钥用于保守数字混沌系统，生成混沌序列；步骤3，采用所述混沌序列对AES物理层数据进行加密。本发明利用了5G物联网通信系统的节点动态特性和通信信道的随机性，并结合保守混沌系统的特性，形成了一种混沌AES数据加密方法，采用该方法可使通信系统的安全性能进一步提高。

Description

一种动态的AES物理层数据加密方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种动态的AES物理层数据加密方法。

背景技术

为了有效保证物联网中数据的安全，数据不应以明文的形式存储在云端，将数据加密后再上传是较为稳妥的方式。物联网系统相关研究人员发现，为提高数据在传输过程中的安全性，把加密算法有效地运用到传输过程中，可对数据进行安全可靠的加密，进而提高数据传输过程中的安全性，从而避免数据被窃取利用。

混沌变换具有的高度初值敏感性、混合等基本特性表明其与密码学本身存在天然的联系，混沌信号具有的非周期性、连续宽带频谱和类噪声的特点使得混沌信号自身具有了较好隐蔽性。混沌信号优异的混合特性保证了基于混沌的加密方法的有效性。但是，现有的这些方案都是基于耗散型的数字混沌序列。而耗散混沌系统由其自身动力学特性会形成混沌吸引子。因而，窃密者可以利用一段连续混沌序列，通过基于神经网络的机器学习算法进行混沌系统的相空间重构，这在一定程度上降低基于数字耗散混沌序列的加密系统的保密性。而保守混沌系统不存在耗散混沌的吸引子，涉及的相空间范围更大，并且随机性更强，目前针对耗散混沌系统的预测手段均无效，因此保守混沌系统具有更好的安全性。

传统的物理层数据在进行加密时，每个通信节点一般采用固定的密钥进行加密，攻击者通过物理破坏攻击、统计分析攻击以及已知明文攻击可以很容易的获取密钥。这在一定程度上降低了系统的安全性。因此，需要设计动态密钥进行数据加密。基于5G的物联网系统中，需要设计5G网络切片，该技术就是指对网络数据实行类似于交通管理的分流管理，其本质是将现实存在的物理网络在逻辑层面上，划分为多个不同类型的虚拟网络，依照不同用户的服务需求，以诸如时延高低、带宽大小、可靠性强弱等指标来进行划分，从而应对复杂多变的应用场景。因此，将会导致每个节点都可作为中间节点为其他节点多跳转发数据，因此每次通信的信道都在发生变化。并且通信信道冲激响应的幅值、相位和时延会随着时间的推移、环境的改变和通信双方的状态发生随机变化。另外，5G传输信道还具有短时互易性，通信双方在相同的频率资源的不同时隙上传播信号，即上下行在时分双工机制下通信，若发送时间间隔足够短，可认为上行信道与下行信道的衰落特性基本一致。根据信道互易性可以让通信双方短时间内都能获取相同的信道特性。因此，我们根据基于5G的物联网传输信道的随机性和动态性生成动态密钥，并根据信道互易性保证通信双方获取相同密钥。从而提高5G通信系统物理层数据的安全性能。

发明内容

为了实现上述目的，本发明提供一种动态的AES物理层数据加密方法，其包括以下步骤：

步骤1，根据5G通信信道的信道矩阵生成动态密钥；

步骤2，将所述动态密钥用于保守数字混沌系统，生成混沌序列；

步骤3，采用所述混沌序列对AES物理层数据进行加密。

优选地，步骤2中的保守数字混沌系统以如下的公式表示，

式中：

x，y，z分别表示生成的保守混沌序列，

dx，dy，dz分别表示对x，y，z的微分，

A表示控制参数，且A∈[-5000,5000]，

所述保守混沌系统的初始值为所述动态密钥。

优选地，通过测量所述5G通信信道，获得所述信道矩阵。

优选地，在采集所述信道特征时，根据发送端和接收端之间的随机信号对信道进行测量，且信号的收发时间间隔小于等于信道的相关时间间隔，信道测量采用的公式如下，

y＝H×x

式中：

x表示发送信号向量，

y表示接收信号向量，

H表示信道矩阵。

优选地，通过计算所述信道特征矩阵的范数值生成保守混沌系统的初始值，计算表达式如下：

式中：

x₀为保守混沌系统的初始值，

H为信道特征矩阵，

m表示H中的行，

n表示H中的列。

优选地，选取所述保守混沌系统的初始值，将所述保守混沌系统进行预设的步长的四阶龙格-库塔迭代运算，生成三组混沌序列{x_n}，{y_n}，{z_n}，n＝1,2,3,…,n，n为迭代次数。

优选地，所述步长＝0.002，所述四阶龙格-库塔迭代次数为10000。

优选地，步骤3包括以下子步骤：

步骤3-1，使用所述{x_n}、所述{y_n}和所述{z_n}中的任意一组，生成与明文分组大小相等的S盒中的数据，然后使用所述S盒中的数据替换明文矩阵的数据，得到第一状态矩阵；

步骤3-2，使用行位移序列控制每行数据左移的位数，将所述第一状态矩阵中的数据进行行移位，得到第二状态矩阵；

步骤3-3，将所述第二状态矩阵与列混合矩阵相乘进行列混合变换，得到第三状态矩阵；

步骤3-4，将所述第一状态矩阵中的数据与轮密钥加矩阵进行逐位异或运算，得到第四状态矩阵；

步骤3-5，将所述第四状态矩阵中的数据进行迭代，获得密文矩阵。

优选地，从所述{z_n}中随机选取4个数字组成所述行位移序列，从所述{x_n}中随机选取16个数字组成所述列混合矩阵，从所述{y_n}中随机选取16个数字组成所述轮密钥加矩阵。

另一方面，本发明还提供一种OFDM系统，其采用上述加密方法，对所述OFDM系统中的数据加密。

本发明具有如下的有益效果：

1、本发明采用保守混沌系统，现有的物理层加密方案都是基于耗散型的数字混沌序列。而耗散混沌系统由其自身动力学特性会形成混沌吸引子。窃密者容易进行混沌系统的相空间重构，这在一定程度上降低基于数字耗散混沌序列的加密系统的保密性。而保守混沌系统不存在耗散混沌的吸引子，涉及的相空间范围更大，并且随机性更强，目前针对耗散混沌系统的预测手段均无效，因此保守混沌系统具有更好的安全性。

2、由于物联网系统的节点动态特性以及不同路径上的信道特性具有独特性、随机性而难以被模仿和破解。本发明利用物理层信道动态性以及信道特性生成动态密钥。利用动态密钥进行信息加密从而提高通信系统的安全性能。

3、本发明采用混沌AES的数据加密方案，利用保守混沌序列分别控制S盒的生成、行位移和列位移的移动位数。利用该方案对数据的内容进行加密处理予以保护，还可以与上层加密方案相结合强化物理层数据安全。

附图说明

图1是本发明一种动态的AES物理层数据加密方法的流程示意图；

图2是本发明中不同信噪比下保守混沌系统初值变化；

图3是本发明中一种保守数字混沌系统的三维相图；

图4是本发明中保守混沌AES加密系统框图；

图5是本发明中行移位操作示意图；

图6是本发明中图像加密与未加密对比图；

图7是本发明中的数据传输流程示意图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员了解本发明的优点和特点，下面结合具体实施例进一步描述本发明。但是应该理解，实施例仅是实施例仅是示例性的，不对本发明的范围构成限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。

图1示出了本发明一种动态的AES物理层数据加密方法的流程，该加密方法主要包括以下步骤：

一、根据5G通信信道的信道矩阵生成动态密钥。

在基于5G的物联网系统中，每个节点都可作为中间节点向其它节点多跳转发数据，导致通信信道每次都在变化，而且通信信道的信道特性(如冲击响应的幅值、相位和时延等)随着时间的推移、环境的改变和通信双方的状态发生随机变化。5G通信信道的随机性和时变性可以采用通信信道的信道矩阵的变化来反映。由于每次数据传输的通信矩阵随机变化，可以根据通信矩阵生成动态密钥。

为了获得信道矩阵，需要对通信信道进行测量。首先，在发送端和接收端互相发送随机信号，两端的收发时间间隔小于等于信道的相干时间间隔内，从而保证上行信道和下行信道的一致性。两端利用同样的信道估计方法获取信道的传输函数，进行信道估计的表达公式如下：

y＝H×x..................(1)

式中：

x表示发送信号向量，

y表示接收信号向量，

H表示信道矩阵。

由于5G通信信道特性的随机性，每次数据传输的通信矩阵相应也随机变化，因此可以利用信道矩阵中的范数值生成保守混沌系统的初始值，并将该初始值作为加密密钥。该初始值的计算公式如下：

式中：

x₀为保守混沌系统的初始值，

H为信道特征矩阵，

m为H中的行，

n为H中的列。

由图2可以看出，保守混沌系统的初始值随着信噪比的不同变化很大，没有固定的规律，呈现随机性。因此，将保守混沌系统的初始值作为数据传输的密钥能够保证数据的安全。

二、将动态密钥用于保守数字混沌系统，生成混沌序列。

为了更好的保障通信数据传输的安全性，发明人设计了一种新型的改进型数字保守混沌系统，该保守混沌系统的表达公式为：

式中：

x，y，z分别表示生成的保守混沌序列，

dx，dy，dz分别表示对x，y，z的微分，

A表示控制参数，且A∈[-5000,5000]。

为了验证公式(3)表达的是一个混沌系统，在本发明的一个实施例中，设定A＝10，混沌系统的初始值分别为：x₁＝1.01，y₁＝0.98，z₁＝1.1。该系统的李雅普诺夫指数分别为L₁＝0.0045，L₂＝0，L₃＝-0.0040。其中L₁＞0，说明系统处于混沌状态，同时L₁、L₂、L₃的和等于0.0005，接近于零，可以判断以上的系统为保守混沌系统。该保守混沌系统的相图见图3。

选取混沌系统的初始值，将公式(3)表达的保守混沌系统进行预设步长的四阶龙格-库塔迭代运算，利用公式(3)中的保守混沌序列的表达式生成三组混沌序列{x_n}，{y_n}，{z_n}，n＝1,2,3…,n。其中的n为迭代次数。步长优选h＝0.002，迭代次数优选10000次。由于混沌系统的初始值敏感性，不同的混沌系统初始值对应的四阶龙格-库塔迭代生成的混沌序列必然存在很大差异。

在本发明的一个具体实施例中，如公式(4)所示，将公式(2)中的信道特征矩阵H分成三个小矩阵，经过公式(2)的运算，分别得到三个初始值x₁、y₁和z₁。

式中：

x₁、y₁、z₁为保守混沌系统的初始值，

H为信道特征矩阵，

m为H中的行，

n为H中的列。

然后将三个初始值(x₁、y₁、z₁)分别作为公式(3)表示的保守数字混沌系统的初始值，经过四阶龙格-库塔迭代运算，可以分别得到变化的混沌序列{x_n}，{y_n}，{z_n}。

三、采用混沌序列对AES物理层数据进行加密。

图4示出了本发明的保守混沌AES加密系统，在该系统的加密过程中，按照分组长度128bits，将明文分成若干个组，每组明文数据组成一个明文矩阵，每次加密一组数据，直到加密完整个明文。密钥的长度分为三种，依次为128bits、192bits和256bits。与密钥的三种长度相对应的加密轮数依次为：10、12、14。在该加密系统中，AES加密过程中的一轮加密过程包括：字节替换、行位移、列位移以及轮密钥加操作。

首先，从根据公式(3)表示的保守混沌系统生成的三组序列({x_n}、{y_n}、{z_n})中任意选取一组，使用其中的数据生成与传输的明文分组大小相等的S盒中的数据，然后利用S盒中的数据替换明文矩阵的数据生成第一状态矩阵，完成字节替换步骤。

在本发明的一个具体实施例中，选用{x_n}混沌序列进行字节替换的过程为：先随机抽取16×16个混沌数值，并且进行排序，获取序列索引。然后利用该序列索引生成16×16矩阵，生成的矩阵没有重复的数值。根据明文分组，将明文高位作为行数，低位作为列数，查找S盒的数值进行替换。

在本发明的另一个具体实施例中，一个长度为8位的混沌序列{0.4578，0.1236，0.7896，0.2345，0.3356，0.6632，0.9981，0.8801}，该序列的索引为{1，2，3，4，5，6，7，8}。经过排序后的序列为{0.1236，0.2345，0.3356，0.4578，0.6632，0.7896，0.8801，0.9981}，排序后的索引{2，4，5，1，6，8，7}。该混沌序列对应的具体字节替换过程如下：

假如S盒矩阵为：

一个明文分组为{1011}，把该字节的高2位作为行值，低2位作为列值，取出S盒中对应的元素作为输出。在该实施例中，10对应行数，11为列数，就是第2行第3列，得到数值7，对应二进制为0111，这就是加密序列。

其次，从根据公式(2)和公式(3)得到的保守混沌序列{z_n}中随机选取4个数字分别对应第一状态矩阵中每一行左移的位数，左移结束后的数据重新组合得到第二状态矩阵，完成行位移步骤(见图5)。

再次，从根据公式(2)和公式(3)得到的保守混沌序列{x_n}中随机选取16个数字组成列混合矩阵，然后将第二状态矩阵与该列混合矩阵相乘得到第三状态矩阵，完成列位移步骤。两个矩阵的相乘过程可用下式表示：

式中：

S’表示第二状态矩阵，

S”表示第三状态矩阵，

x表示列混合矩阵。

最后，从根据公式(2)和公式(3)得到的保守混沌序列{y_n}中随机选取16个数字组成轮密钥加矩阵，然后将该轮密钥加矩阵与第一状态矩阵中的数据进行逐个异或操作，得到第四状态矩阵，完成轮密钥加步骤。两个矩阵的异或操作过程可用下式表示：

式中：

S’表示第一状态矩阵，

S”表示第四状态矩阵，

y表示轮密钥加矩阵。

在完成一轮AES加密过程后，进入迭代过程，根据密钥的长度选择相应的加密轮数。迭代结束，生成与每组明文对应的密文矩阵。密钥的长度根据具体明文的实际情况进行选择，密钥的长度越长，加密伦次越多，相应密文的安全性越高。图6示出了采用本发明加密的图像与原始图像对比效果。本发明对电网传输过程中的图像进行了加密处理，合法用户可以无失真的恢复图像。但非法用户无法正确的恢复原始图像，同时恢复的图像完全失真。因此，本发明的加密方法具有较好的置乱效果。

为了使本领域的技术人员更好的理解本发明的加密方法，发明人对明文加密和密文解密过程中的数据传输进行了清晰的描述(见图7)。该数据传输流程包括了明文的AES加密过程和密文的AES解密过程。密文的AES解密过程为加密过程的逆操作。

另外，本发明的加密方法可应用于OFDM系统中进行数据加密，在发射端中，将原始数据经过混沌AES加密系统进行加密后传输，加密数据进行串并转换，将串行序列变换成并行序列，然后将转换为并行序列的序列以四位为一组转换为十六进制数，之后进行16-QAM中进行映射调制，转换为QAM符号，然后进行OFDM信号调制，在加入高斯白噪声的信道中传输。在接收端，进行OFDM信号解调，然后利用密钥进行解密。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

一、本发明采用保守混沌系统，现有的OFDM-PON加密方案都是基于耗散型的数字混沌序列。而耗散混沌系统由其自身动力学特性会形成混沌吸引子。窃密者容易进行混沌系统的相空间重构，这在一定程度上降低基于数字耗散混沌序列的加密系统的保密性。而保守混沌系统不存在耗散混沌的吸引子，涉及的相空间范围更大，并且随机性更强，目前针对耗散混沌系统的预测手段均无效，因此保守混沌系统具有更好的安全性。

二、由于物联网系统的节点动态特性以及不同路径上的信道特性具有独特性、随机性而难以被模仿和破解。本发明利用物理层信道动态性以及信道特性生成动态密钥。利用动态密钥进行信息加密从而提高通信系统的安全性能。

三、本发明采用混沌AES的数据加密方案，利用保守混沌序列分别控制S盒的生成、行位移和列位移的移动位数。利用该方案对数据的内容进行加密处理予以保护，还可以与上层加密方案相结合强化物理层数据安全。

以上所述仅为本发明的实施例，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 (6)

1.一种动态的AES物理层数据加密方法，用于基于5G的物联网系统，其包括以下步骤：

步骤1，根据5G通信信道的信道特征矩阵生成动态密钥；

步骤2，将所述动态密钥用于保守数字混沌系统，生成混沌序列；保守数字混沌系统以如下的公式表示，

式中：

x，y，z分别表示生成的保守混沌序列，

dx，dy，dz分别表示对x，y，z的微分，

A表示控制参数，且A∈[-5000,5000]，

所述保守数字混沌系统的初始值为所述动态密钥；

步骤3，采用所述混沌序列对AES物理层数据进行加密；选取所述保守数字混沌系统的初始值，将所述保守数字混沌系统进行预设的步长的四阶龙格-库塔迭代运算，生成三组混沌序列{x_n}，{y_n}，{z_n}，n＝1,2,3,…,n，n为迭代次数；包括以下子步骤：

步骤3-1，使用所述{x_n}、所述{y_n}和所述{z_n}中的任意一组，生成与明文分组大小相等的S盒中的数据，然后使用所述S盒中的数据替换明文矩阵的数据，得到第一状态矩阵；

步骤3-2，使用行位移序列控制每行数据左移的位数，将所述第一状态矩阵中的数据进行行移位，得到第二状态矩阵；

步骤3-3，将所述第二状态矩阵与列混合矩阵相乘进行列混合变换，得到第三状态矩阵；

步骤3-4，将所述第一状态矩阵中的数据与轮密钥加矩阵进行逐位异或运算，得到第四状态矩阵；

步骤3-5，将所述第四状态矩阵中的数据进行迭代，获得密文矩阵。

2.根据权利要求1所述的动态的AES物理层数据加密方法，其特征在于：

通过测量所述5G通信信道，获得所述信道特征矩阵。

3.根据权利要求2所述的动态的AES物理层数据加密方法，其特征在于：

在采集信道特征时，根据发送端和接收端之间的随机信号对信道进行测量，且信号的收发时间间隔小于等于信道的相关时间间隔，信道测量采用的公式如下，

y＝H×x

式中：

x表示发送信号向量，

y表示接收信号向量，

H表示信道特征矩阵。

4.根据权利要求3所述的动态的AES物理层数据加密方法，其特征在于：

通过计算所述信道特征矩阵的范数值生成保守数字混沌系统的初始值，计算表达式如下：

式中：

x₀为保守数字混沌系统的初始值，

H为信道特征矩阵，

m表示H中的行，

n表示H中的列，

H_ij表示H中第i行第j列的元素。

5.根据权利要求4所述的动态的AES物理层数据加密方法，其特征在于：

所述步长＝0.002，所述四阶龙格-库塔迭代次数为10000。

6.根据权利要求5所述的动态的AES物理层数据加密方法，其特征在于：

从所述{z_n}中随机选取4个数字组成所述行位移序列，从所述{x_n}中随机选取16个数字组成所述列混合矩阵，从所述{y_n}中随机选取16个数字组成所述轮密钥加矩阵。

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