CN116455546B - 顾及全局要素的矢量地图dna动态编码加密方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种顾及全局要素的矢量地图DNA动态编码加密方法，包括：利用SHA‑512得到原始地图文件外部密钥，并作为四维超混沌系统的初始值；将计算得到4个混沌序列X、Y、Z、W按升序排列并表示为6组索引序列组合；根据索引序列组合将矢量地图数据坐标x,y利用DRPP进行双随机置换；对4个混沌序列做运算得到4个变量动态选取DNA编码规则；按选定的DNA编码规则对置乱数据再进行DNA编码运算；由DNA编码规则解码数据得到矢量地图数据的加密坐标；得到密文地图数据。该方法密钥空间足够大，密钥敏感性强，具有较高的安全级别，不仅能够解决现存方法无法加密矢量地图点图层数据的问题，还可以适用于各类矢量地图数据几何形态为线面的保护中。

Description

顾及全局要素的矢量地图DNA动态编码加密方法
技术领域
本发明涉及矢量地图数据的加密保护技术领域，更具体的说是涉及一种顾及全局要素的矢量地图DNA动态编码加密方法。
背景技术
矢量地图数据通常以电子数据形式传播和保存，这无疑增加了数据泄露的风险，保护矢量地图数据安全成为迫切需要解决的重要问题。矢量地图数据作为一类重要的数据，在国防、军事、应急等基础领域发挥着重要的作用，同时与人工智能、区块链、物联网、云计算等技术和人类生活发生不断的融合，这给矢量地图数据安全保护带来了巨大挑战。人们通常将矢量地图数据进行加密保护，以提高在传播使用过程中的安全性，寻找高效安全的矢量地图数据加密方法成为了热门的研究课题。
早期的矢量地图数据加密方法大多是对数据整体加密，没有考虑矢量空间要素的几何特点。例如：混沌加密、随机置换、不改变位置放大缩小置乱等。但是，这些方法并不完善，例如混沌加密受计算机字长限制的问题。于是，后人又提出了低维混沌加密和复杂混沌加密，以弥补算法的缺陷。但是，上述算法存在加密周期短，容易被攻击，计算复杂度高等问题。
因此，近几年来为了不受计算机字长限制的问题，人们开始选用其他加密方法，有学者提出现有的加密技术对数据的全部要素加密导致加密时间长，计算复杂度高，因此选择线面图层的重要对象进行加密，其解密过程是加密的一个逆过程，使用的密钥也是加密所用的密钥，故存在密钥分发与管理的困难。又有学者提出基于双随机位置排列的矢量数据加密方法，采用双随机位置排列对所有的矢量坐标进行加密，再根据向量映射结构对加密后的坐标进行重组，得到密码映射，虽然密码映射的配对无法获得置换密钥值，可以达到加密矢量地图数据，但是算法较为复杂，且不能适用于全局要素的各图层加密，存在一定的局限性。
因此，如何提供一种充分考虑矢量地图数据适用于不同图层加密的方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种顾及全局要素的矢量地图DNA动态编码加密方法，本方法系统与原始矢量地图数据相关联，达到“一次一密”的加密效果，密钥空间足够大，密钥敏感性强，复杂度适宜，具有较高的安全级别，不仅能够解决现存方法无法加密矢量地图点图层数据的问题，还可以适用于各类矢量地图数据几何形态为线面的保护中。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种顾及全局要素的矢量地图DNA动态编码加密方法，包括：
S1：利用SHA-512得到原始地图文件外部密钥，并作为四维超混沌系统的初始值；
S2：将计算得到4个混沌序列X、Y、Z、W按升序排列；
S3：将升序序列表示为索引序列，并将索引序列组合为6组；
S4：根据索引序列组合将矢量地图数据坐标x,y利用DRPP进行双随机置换操作；
S5：对4个混沌序列做运算得到4个变量，动态选取DNA编码规则；
S6：按选定的DNA编码规则对S4中的置乱数据再进行DNA编码运算；
S7：由DNA编码规则再解码数据得到矢量地图数据的加密坐标；
S8：得到密文地图数据。
优选的，在步骤S2中，利用四维超混沌系统得到4个混沌序列，并按升序排列。
优选的，在步骤S4中，将矢量地图数据坐标x,y利用DRPP进行双随机置换操作，得到置乱数据后，还包括：在得到的置乱数据基础上，进行S5～S7，根据4个混沌序列，动态选择DNA编码和解码的规则，对置乱的数据再进行DNA编码运算，最终得到密文地图数据。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种顾及全局要素的矢量地图DNA动态编码加密方法，该方法易于实现，本方法系统与原始矢量地图数据相关联，达到“一次一密”的加密效果，密钥空间足够大，密钥敏感性强，复杂度适宜，具有较高的安全级别，不仅能够解决现存方法无法加密矢量地图点图层数据的问题，还可以适用于各类矢量地图数据几何形态为线面的保护中。
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地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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为本发明提供的顾及全局要素的矢量地图DNA动态编码加密方法的流程图；
图2为本发明提供的矢量地图点图层数据示意图；
图3为本发明提供的矢量地图点图层数据的加密点数据效果图；
图4为本发明提供的矢量地图点图层数据的解密点数据效果图；
图5为本发明提供的矢量地图线图层数据示意图；
图6为本发明提供的矢量地图线图层数据的加密线数据效果图；
图7为本发明提供的矢量地图线图层数据的解密线数据效果图；
图8为本发明提供的矢量地图面图层数据示意图；
图9为本发明提供的矢量地图面图层数据的加密面数据效果图，对于矢量面数据可以将面数据看作是具有方向性，且首尾闭合的线数据组合，因此可在处理面数据前，将面数据在Arcgis中处理为首尾开合的线数据，然后对其线数据进行加解密处理，对于解密后的线数据再经过Arcgis处理为首尾闭合的线数据组合，形成面数据，从而实现本发明中面数据的加解密操作；
图10为本发明提供的矢量地图面图层数据的解密面数据效果图。
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。
参见附图1，本发明实施例公开了一种顾及全局要素的矢量地图DNA动态编码加密方法，包括：
S1：利用SHA-512得到原始地图文件外部密钥，并作为四维超混沌系统的初始值；
S2：将计算得到4个混沌序列X、Y、Z、W按升序排列；
S3：将升序序列表示为索引序列，并将索引序列组合为6组；
S4：根据索引序列组合将矢量地图数据坐标x,y利用DRPP进行双随机置换操作；
S5：对4个混沌序列做运算得到4个变量，动态选取DNA编码规则；
S6：按选定的DNA编码规则对S4中的置乱数据再进行DNA编码运算；
S7：由DNA编码规则再解码数据得到矢量地图数据的加密坐标；
S8：得到密文地图数据。
为了进一步优化上述技术方案，在步骤S2中，利用四维超混沌系统得到4个混沌序列，并按升序排列。
为了进一步优化上述技术方案，在步骤S4中，将矢量地图数据坐标x,y利用DRPP进行双随机置换操作，得到置乱数据后，还包括：在得到的置乱数据基础上，进行S5～S7，根据4个混沌序列，动态选择DNA编码和解码的规则，对置乱的数据再进行DNA编码运算，最终得到密文地图数据。
下面对本发明中涉及到的方法做进一步说明。
本发明选择双随机位置换方法(DRPP)，四维超混沌系统产生两个具有高度随机性的双随机位置换索引序列D1和D2，对数据元素进行置乱操作，利用D1从原始数据中选择要置乱的元素，然后再使用索引序列D2规则将其映射到另一个随机位置，将整个数据中的元素全部进行DRPP操作，得到整个数据的置乱加密，这不仅降低了数据元素位置间的相关性，同时增强了数据元素加密的安全性。
利用SHA-512得到外部密钥Uk，其中Ux0，Uy0，Uz0，Uw0，作为四维超混沌系统的初始值，进行迭代t0+L_num次，其中，L_num表示各要素下顶点数量之和。避免混沌系统的周期性影响，去除t0前的值，得到长度为L_num的四个混沌序列X,Y,Z,W，并将其按升序排列表示为X1,Y1,Z1,W1。通过下式(1)得到对应的索引序列DX,DY,DZ,DW：
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，各自是：A1＝(DX,DY),A2＝(DX,DZ),A3＝(DX,DW),A4＝(DY,DZ),A5＝(DY,DW),A6＝(DZ,DW)。
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。如下(2)式所示：
Hx_index＝mod(H_sum,6)+1, Hx_index∈[1,6] (2)
对于Hy_index，先通过下式(3)得参数r1,r2,r3,r4，其中，以下均表示为hk1和hk2等的位异或运算，sum(hk17,hk18,hk19,…,hk32)是hk17,hk18,hk19,…,hk32的和函数，max(hk17,hk18,hk19,…,hk32)是hk17,hk18,hk19,…,k32中的最大值，L_num是所有要素顶点数量之和。再通过式(4)计算可得Hy_index：
选择一组索引序列，按照Hx_index(或Hy_index)＝i的规则，选择Ai组的索引序列。
矢量地图数据x,y的坐标值xi,j，yi,j分别根据不同的Ai组利用DRPP进行置换操作，所得到的置乱序列则为S_xi,j和S_yi,j。以索引序列组合A1组和A2组为例，其中DX(i)表示利用A1组的索引从xi,j中选择要置乱的元素，将其将其存储至C_xi,j中，完成DRPP置换的第一步；第二步，利用索引序列A1组合中的DY(i)将C_xi,j随机映射到S_xi,j，完成xi,j的DRPP置换。同理，y坐标的DRPP置换按照索引序列组合A2组进行,得到S_yi,j，i∈[1,L_num]。遍历整个矢量数据的xi,j，yi,j，置换操作如下式(5,6)所示：
C_xi,j＝xi,j(DX(i)), S_xi,j(DY(i))＝C_xi,j (5)
C_yi,j＝yi,j(DX(i)), S_yi,j(DZ(i))＝C_yi,j (6)
传统的异或运算是两个维度上的二值异或运算(非0即1)，而DNA编码后的异或运算是四个维度上的异或运算(是ATCG四个的异或运算)，提升异或运算的敏感性，增强编码的不可预测性，进而达到提高加密算法安全性的目的。DNA加密是通过对四个混沌序列X,Y,Z,W做运算，得到四个变量，然后可以根据变量对应的DNA编码规则对完成DRPP置换的矢量数据再进行DNA编码加密。通过混沌序列来选择DNA编码规则，安全性更高，不易被破解。具体的步骤如下所述：
Step1：由上文可知Ux0，Uy0，Uz0，Uw0，作为四维超混沌系统的初始值，进行迭代t0+L_num次，其中，L_num表示各要素下顶点数量之和。避免混沌系统的周期性影响，去除t0前的值，得到长度为L_num的四个混沌序列X,Y,Z,W。
Step2：根据公式(7)—(10)与X,Y,Z,W中的每个元素做运算，得到四个变量Rx(i),Ry(i),Rz(i)和R(i)。
Rx(i)＝floor(mod(X(i)×108,8))+1 (7)
Ry(i)＝floor(mod(Y(i)×108,8))+1 (8)
Rz(i)＝floor(mod(Z(i)×108,8))+1 (9)
R(i)＝mod(W(i)×108,|L_num) (10)
其中，X(i),Y(i),Z(i)和W(i)是X,Y,Z,W的第i个元素，i∈[1，|L_num|]，mod(x,y)是x和y的模运算。
Step3：根据Rz(i)对应的DNA编码规则，R(i)被DNA编码得到DNA_R(i)。与此同时，根据Ry(i)对应的DNA编码规则，S_xi,j和S_yi,j被DNA编码得到DNA_S(xi,j)和DNA_S(yi,j)。然后，New_S(xi,j)和New_S(yi,j)通过式(14)和(15)计算所得。
表示的是a与b做异或运算。
Step4：根据Rx(i)对应的DNA编码规则，New_S(xi,j)和New_S(yi,j)被解码得到加密的坐标值C_New_S(xi,j)和C_New_S(yi,j)。
Step5：循环Step3-4，直到所有的坐标点全部被加密。
使用上述方法主要是通过SHA-512得到原始矢量地图数据的哈希密钥，四维超混沌系统得到的混沌序列X,Y,Z,W构成索引序列组合对矢量地图数据坐标x,y进行双随机位置乱加密，同时混沌序列X,Y,Z,W做运算，得到的四个变量动态的决定了DNA编解码的方式和运算规则，完成对DRPP置换的数据再进行DNA编码加密，最终得到加密矢量地图数据。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
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，本文中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本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (1)

1.一种顾及全局要素的矢量地图DNA动态编码加密方法，其特征在于，包括：
S1：将矢量地图数据输入到SHA-512中，得到原始矢量地图的哈希密钥，并将哈希密钥作为四维超混沌系统的初始值；
S2：将所述四维超混沌系统的初始值进行迭代t0+L_num次，去除t0前的值，计算得到4个混沌序列X、Y、Z、W并按升序排列；
S3：将升序序列表示为索引序列，并将索引序列两两一组的形式组合为6组；
S4：根据索引序列组合将矢量地图数据坐标x,y利用DRPP进行双随机置换操作；
S5：对4个混沌序列做运算得到4个变量，动态选取DNA编码规则；
S6：按选定的DNA编码规则对S4中的置乱数据再进行DNA编码运算；
S7：由DNA编码规则再解码数据得到矢量地图数据的加密坐标；
S8：得到密文地图数据；
所述S5、S6的具体过程为：
Step1:根据四维超混沌系统的初始值，进行迭代t0+L_num次，去除t0前的值,得到长度为L_num的四个混沌序列X,Y,Z,W，其中L_num表示各要素下顶点数量之和；
Step2:根据下列公式与X，Y，Z，W中的每个元素做运算，得到四个变量RX(i)，RY(i)，RZ(i)，R(i)；
RX(i)＝floor(mod(X(i)×108，8))+1；
RY(i)＝floor(mod(Y(i)×108，8))+1；
RZ(i)＝floor(mod(Z(i)×108，8))+1；
R(i)＝mod(W(i)×108，|L_num|)；
其中X(i)，Y(i)，Z(i)和W(i)是X，Y，Z，W的第i个元素,i∈[1,|L_num|]，mod(x,y)是x和y的模运算；
Step3:根据RZ(i)对应的DNA编码规则，R(i)被DNA编码得到DNA_R(i)，与此同时，根据RY(i)对应的DNA编码规则，S_xi,j和S_yi,j,被DNA编码得到DNA_S(xi,j)和DNA_S(yi,j)；然后，New_S(xi,j)和New_S(yi,j)通过下列公式计算所得；
其中，S_xi,j和S_yi,j是利用DRPP进行置换操作后得到的置换序列，xi,j和yi,j分别是矢量地图数据x和y的坐标值，a⊕b表示的是a与b做异或运算；
Step4:根据RX(i)对应的DNA编码规则，New_S(xi,j)和New_S(yi,j)被解码得到加密的坐标值C_New_S(xi,j)和C_New_S(yi,j)；
Step5:循环Step3-4，直到所有的坐标点全部被加密。
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