CN114598444A - 基于sm4和动态s盒的音频加密方法 - Google Patents

基于sm4和动态s盒的音频加密方法 Download PDF

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Abstract

一种基于SM4和动态S盒的音频加密方法。目前，人们越来越依赖手机等工具进行通信，音频数据安全问题也日趋于严重，为保证音频网络传输的安全性，提出了一种基于SM4和动态S盒的音频加密方法。首先，将音素整数化，通过Logistic映射产生的混沌序列进行置乱；其次，利用陈混沌生成动态S盒；再次，利用改进的SM4算法对音素矩阵进行扩散；最后，将音素小数化。方法分析和实验结果表明：新方法的安全性较高，能够抵抗统计攻击、差分攻击和穷举攻击等常见攻击。

Description

基于SM4和动态S盒的音频加密方法
技术领域
本发明涉及一种信息加密技术，特别是涉及一种音频加密方法。
背景技术
在如今信息飞速发展的时代，人们越来越依赖手机等工具进行通信，音频数据安全问题也日趋于严重。然而，由于互联网本身的开放性与共享性，音频在互联网上的传输依然面临着被非法窃取传播，泄露个人隐私的问题。音频信息传输和存储的安全问题受到人们的普遍关注与重视。
音频加密主要包括音素置乱和音素扩散，置乱可打乱音素所在的位置，扩散则是改变音素的值。为提高音频加密的安全性，保证音频高效传输，将SM4和混沌相结合，产生了动态S盒，提出了一种基于SM4和动态S盒的音频加密方法，其解密过程是无损的。同时，利用混沌系统生成的动态S盒，对初值敏感，可靠性强，更好提升了方法的动态性。
发明内容
本发明的目的：针对现有的音频加密方法存在密钥空间小、加密过程有损或安全性弱等问题，提出一种基于SM4和动态S盒的音频加密方法。
本发明的技术方案：为实现上述发明目的，采用的技术方案为基于SM4和动态S盒的音频加密方法，其加密步骤详述如下：
步骤1：音素整数化：令原始音频为P 1，其大小为k×1，P 1中元素的取值范围为[-1,1]，对其进行取整操作：
P 2=floor((P 1+1)×128)， （1）
其中， floor(·)为向下取整的函数，根据公式可以得到整数音素序列P 2，P 2中的元素取值范围为[0, 256]；
步骤2：生成混沌序列：陈混沌系统为：
Figure DEST_PATH_1
， （2）
其中，当控制参数a=35，b=3和c=28时，系统处于混沌状态；随机选取陈混沌系统的初始值x 0, y 0, z 0，根据公式（1）迭代356次，可生成3个长度均为356的混沌序列X 1, Y 1, Z 1，去除X 1, Y 1, Z 1的前100个值，可得3个长度均为256的新序列X 2, Y 2, Z 2；Logstic映射为：
x n+1=μx n(1+ x n)，n=0, 1, …, k， （3）
其中，μ∈[3.57, 4)是控制参数，x 0∈(0, 1)，随机选取μ和初始值x 0，对公式（3）迭代k次，可得一个长度为k的混沌序列Q 1，对Q 1进行升序排列，可得一个新的混沌序列Q 2；
步骤3：音频置乱：利用Q 1与Q 2元素位置的对应关系对P 2进行置乱，可得置乱矩阵P 3；
步骤4：混沌序列整数化：计算：
X 3 = uint8((X 2 -min(X 2))/ (max(X 2)-min(X 2))×255)， （4）
Y 3 =uint8((Y 2 -min(Y 2))/(max(Y 2) -min(Y 2))×255)， （5）
Z 3 = uint8((Z 2 -min(Z 2))/(max(Z 2)-min(Z 2))×255)， （6）
其中，unit8(·)为将双精度变量转换为8位无符号整数函数，max(·)为访问数组最大元素的函数，min(·)为访问数组最小元素的函数，X 3, Y 3, Z 3为整数混沌序列；
步骤5：生成动态S盒：计算：
S X = reshape(X 3, 16, 16)， （7）
S Y = reshape(Y 3, 16, 16)， （8）
S Z =reshape ( Z 3, 16, 16)， （9）
其中，S X , S Y , S Z 为产生的3个大小均为16×16的动态S盒，reshape(·)为重构数组函数，表1为SM4算法的原静态S盒So，
计算：
S d 1=So⊕S X ， （10）
S d 2=So⊕S Y ， （11）
S d 3=So⊕S Z ， （12）
其中，⊕为异或运算，可得3个大小均为16×16的动态S盒S d 1, S d 2, S d 3；
步骤6：SM4算法改进：令明文数据U 1为128位，将U 1分割成32位的4等份X 0, X 1, X 2,X 3，即U 1=(X 0, X 1, X 2, X 3)；计算：
A=X i+1 ⊕X i+2 ⊕X i+3 ⊕R i ，i=0, 1, …, 31， （13）
其中，R i 为轮密钥，A为32位的二进制数，将A拆分为8位的四等份a 0, a 1, a 2, a 3，即A=(a 0, a 1, a 2, a 3)；计算：
B=t(A)=(Sbox(a 0), Sbox(a 1), Sbox(a 2), Sbox(a 3))， （14）
其中，Sbox(·)为S盒变换，t(·)为非线性变换，本质是并行S盒变换；S盒变换是把输入的8位字节的前2位与后2位组合形成的值转换成十六进制数为S盒的行，中间的4位形成的值转换成的十六进制数为S盒的列，根据行、列确定的S盒中的数为S盒变换的输出；此处S盒为随机选取S d 1，S d 2或S d 3中的一个，对a 0, a 1, a 2, a 3分别进行S盒变换，可生成8位二进制数b 0, b 1, b 2, b 3，即B= (b 0, b 1, b 2, b 3)；
L(B)=B⊕(B<<2)⊕(B<<10)⊕(B<<18)⊕(B<<24)， （15）
其中，L(·)为线性变换，<<为位左移运算；将L(·)的输出与X i 异或，完成一轮迭代，
X i+4=X i ⊕T(A)，i=0, 1, …, 31， （16）
其中，T(·)= L(t(·))为由t(·)和L(·)构成的复合函数；经过共计32轮迭代，可得输出结果依次为：X 4, X 5, …, X 35；U 2= (X 35, X 34, X 33, X 32)为密文数据；
表1 SM4算法的原静态S盒So：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
步骤7：音频扩散：按照一定的方式，将P 3分成128长度的分组，采用步骤6中的算法，对分组数据进行扩散操作，得到扩散后的序列P 4，P 4中的元素取值范围为[0, 256]；
步骤8：音素小数化：计算：
P 5=P 4/128-1， （17）
可得加密音频P 5。
解密过程是加密过程的逆过程。在解密过程中，利用陈混沌产生相同的混沌序列，可解密出原始音频。
有益效果：（1）利用陈混沌系统生成了三个动态S盒，提出了一种SM4的改进方法；（2）提出了一种基于SM4和动态S盒的音频加密方法；（3）方法分析和实验结果表明：提出的新方法具有良好的安全性和加密效率。
附图说明
图1：基于SM4和动态S盒的音频加密流程图；
图2：原始音频直方图
图3：加密音频直方图。
具体实施方式
下面结合具体附图和实例对本发明的实施方式进行进一步详细说明。
采用的编程软件为Matlab R2019b，对选定音频进行加密。采用提出的基于SM4和动态S盒的音频加密方法，加密过程详述如下。
步骤1：音素整数化：令原始音频为P 1，其大小为73113×1，P 1中元素的取值范围为[-1, 1]；根据公式（1）对P 1整数化，得到整数音素序列P 2，P 2中的元素取值范围为[0, 256]；
步骤2：生成混沌序列：选取陈混沌系统的初始值x 0=2，y 0=1，z 0=3和控制参数a=35，b=3和c=28，根据公式（2）迭代356次，可生成3个长度均为1×356的混沌序列X 1, Y 1, Z 1，去除X 1, Y 1, Z 1的前100个值，可得3个长度均为256的新序列X 2, Y 2, Z 2；选取μ=3.80204630113246和初始值x 0=0.603652021432561，对公式（3）迭代73113次，可得一个长度为73113的混沌序列Q 1，对Q 1进行升序排列，可得一个新的混沌序列Q 2；
步骤3：音频置乱：利用Q 1与Q 2元素位置的对应关系对P 2进行置乱，可得置乱矩阵P 3；
步骤4：混沌序列整数化：按公式（4）—（6）对X 2, Y 2, Z 2进行计算，产生3个长度为1×256的整数混沌序列X 3, Y 3, Z 3；
步骤5：生成动态S盒：按公式（7）—（9）产生3个大小均为16×16的动态S盒S X , S Y ,S Z ，与上表给定的动态S盒进行异或运算后，可得3个大小均为16×16的动态S盒S d 1, S d 2,S d 3；
步骤6：SM4算法改进：令明文数据U 1为128位，将U 1分割成32位的4等份X 0, X 1, X 2,X 3；按照公式（13）计算出32位的二进制数A，将A拆分为8位的四等份a 0, a 1, a 2, a 3，按照公式（14）对a 0, a 1, a 2, a 3分别进行S盒变换，可生成8位二进制数b 0, b 1, b 2, b 3；根据公式（15）进行线性变换后，通过公式（16）进行迭代，经过共计32轮迭代，可得输出结果依次为：X 4, X 5, …, X 35；U 2= (X 35, X 34, X 33, X 32)为密文数据；
步骤7：音频扩散：按照一定的方式，将P 3分成128长度的分组，采用步骤6中的算法，对分组数据进行扩散操作，得到扩散后的序列P 4，P 4中的元素取值范围为[0, 256]；
步骤8：音素小数化：根据上述公式（17）对P 4进行小数化，可得加密音频P 5。
解密过程是加密过程的逆过程。在解密过程中，利用陈混沌产生相同的混沌序列，可解密出原始音频。

Claims (1)

1.基于SM4和动态S盒的音频加密方法，其特征在于，加密过程包括如下步骤：
步骤1：音素整数化：令原始音频为P 1，其大小为k×1，P 1中元素的取值范围为[-1, 1]，对其进行取整操作：
P 2=floor((P 1+1)×128)， （1）
其中， floor(·)为向下取整的函数，得到整数音素序列P 2，P 2中的元素取值范围为[0,256]；
步骤2：生成混沌序列：陈混沌系统为：
Figure 1
， （2）
其中，当控制参数a=35，b=3和c=28时，系统处于混沌状态；随机选取陈混沌系统的初始值x 0, y 0, z 0，根据公式（1）迭代356次，可生成3个长度均为356的混沌序列X 1, Y 1, Z 1，去除X 1, Y 1, Z 1的前100个值，可得3个长度均为256的新序列X 2, Y 2, Z 2；Logistic映射为：
x n+1=μx n(1+ x n)，n=0, 1, …, k， （3）
其中，μ∈[3.57, 4)是控制参数，x 0∈(0, 1)，随机选取μ和初始值x 0，对公式（3）迭代k次，可得一个长度为k的混沌序列Q 1，对Q 1进行升序排列，可得一个新的混沌序列Q 2；
步骤3：音频置乱：利用Q 1与Q 2元素位置的对应关系对P 2进行置乱，可得置乱矩阵P 3；
步骤4：混沌序列整数化：计算：
X 3 = uint8((X 2 -min(X 2))/ (max(X 2)-min(X 2))×255)， （4）
Y 3 =uint8((Y 2 -min(Y 2))/(max(Y 2) -min(Y 2))×255)， （5）
Z 3 = uint8((Z 2 -min(Z 2))/(max(Z 2)-min(Z 2))×255)， （6）
其中，unit8(·)为将双精度变量转换为8位无符号整数函数，max(·)为访问数组最大元素的函数，min(·)为访问数组最小元素的函数，X 3, Y 3, Z 3为整数混沌序列；
步骤5：生成动态S盒：计算：
S X = reshape(X 3, 16, 16)， （7）
S Y = reshape(Y 3, 16, 16)， （8）
S Z =reshape ( Z 3, 16, 16)， （9）
其中，S X , S Y , S Z 为产生的3个大小均为16×16的动态S盒，reshape(·)为重构数组函数，下表为SM4算法的原静态S盒So，
Figure 822256DEST_PATH_IMAGE002
计算：
S d 1=So⊕S X ，（10）
S d 2=So⊕S Y ， （11）
S d 3=So⊕S Z ， （12）
其中，⊕为异或运算，可得3个大小均为16×16的动态S盒S d 1, S d 2, S d 3；
步骤6：SM4算法改进：令明文数据U 1为128位，将U 1分割成32位的4等份X 0, X 1, X 2, X 3，即U 1=(X 0, X 1, X 2, X 3)；计算：
A=X i+1 ⊕X i+2 ⊕X i+3 ⊕R i ，i=0, 1, …, 31， （13）
其中，R i 为轮密钥，A为32位的二进制数，将A拆分为8位的四等份a 0, a 1, a 2, a 3，即A=(a 0, a 1, a 2, a 3)；计算：
B=t(A)=(Sbox(a 0), Sbox(a 1), Sbox(a 2), Sbox(a 3))， （14）
其中，Sbox(·)为S盒变换，t(·)为非线性变换，本质是并行S盒变换；S盒变换是把输入的8位字节的前2位与后2位组合形成的值转换成十六进制数为S盒的行，中间的4位形成的值转换成的十六进制数为S盒的列，根据行、列确定的S盒中的数为S盒变换的输出；此处S盒为随机选取S d 1，S d 2或S d 3中的一个，对a 0, a 1, a 2, a 3分别进行S盒变换，可生成8位二进制数b 0, b 1, b 2, b 3，即B= (b 0, b 1, b 2, b 3)；
L(B)=B⊕(B<<2)⊕(B<<10)⊕(B<<18)⊕(B<<24)， （15）
其中，L(·)为线性变换，<<为位左移运算；将L(·)的输出与X i 异或，完成一轮迭代，
X i+4=X i ⊕T(A)，i=0, 1, …, 31， （16）
其中，T(·)= L(t(·))为由t(·)和L(·)构成的复合函数；经过共计32轮迭代，可得输出结果依次为：X 4, X 5, …, X 35；U 2= (X 35, X 34, X 33, X 32)为密文数据；
步骤7：音频扩散：按照一定的方式，将P 3分成128长度的分组，采用步骤6中的算法，对分组数据进行扩散操作，得到扩散后的序列P 4，P 4中的元素取值范围为[0, 256]；
步骤8：音素小数化：计算：
P 5=P 4/128-1， （17）
可得加密音频P 5。
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