CN116865944A - 一种基于国密算法与dna编码技术的多波段加密方法 - Google Patents

一种基于国密算法与dna编码技术的多波段加密方法 Download PDF

Info

Publication number
CN116865944A
CN116865944A CN202311126747.7A CN202311126747A CN116865944A CN 116865944 A CN116865944 A CN 116865944A CN 202311126747 A CN202311126747 A CN 202311126747A CN 116865944 A CN116865944 A CN 116865944A
Authority
CN
China
Prior art keywords
encryption
sequence
chaotic
dna
data
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202311126747.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN116865944B (zh
Inventor
刘新
刘亚亭
郭金运
赵相伟
刘智敏
丁裕容
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shandong University of Science and Technology
Original Assignee
Shandong University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shandong University of Science and Technology filed Critical Shandong University of Science and Technology
Priority to CN202311126747.7A priority Critical patent/CN116865944B/zh
Publication of CN116865944A publication Critical patent/CN116865944A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN116865944B publication Critical patent/CN116865944B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L9/00—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols
    • H04L9/001—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols using chaotic signals
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L9/00—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols
    • H04L9/002—Countermeasures against attacks on cryptographic mechanisms
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L9/00—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols
    • H04L9/06—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols the encryption apparatus using shift registers or memories for block-wise or stream coding, e.g. DES systems or RC4; Hash functions; Pseudorandom sequence generators
    • H04L9/0618—Block ciphers, i.e. encrypting groups of characters of a plain text message using fixed encryption transformation
    • H04L9/0631—Substitution permutation network [SPN], i.e. cipher composed of a number of stages or rounds each involving linear and nonlinear transformations, e.g. AES algorithms
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L9/00—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols
    • H04L9/06—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols the encryption apparatus using shift registers or memories for block-wise or stream coding, e.g. DES systems or RC4; Hash functions; Pseudorandom sequence generators
    • H04L9/065—Encryption by serially and continuously modifying data stream elements, e.g. stream cipher systems, RC4, SEAL or A5/3
    • H04L9/0656—Pseudorandom key sequence combined element-for-element with data sequence, e.g. one-time-pad [OTP] or Vernam's cipher
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L9/00—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols
    • H04L9/08—Key distribution or management, e.g. generation, sharing or updating, of cryptographic keys or passwords
    • H04L9/0861—Generation of secret information including derivation or calculation of cryptographic keys or passwords
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N1/00—Scanning, transmission or reproduction of documents or the like, e.g. facsimile transmission; Details thereof
    • H04N1/32—Circuits or arrangements for control or supervision between transmitter and receiver or between image input and image output device, e.g. between a still-image camera and its memory or between a still-image camera and a printer device
    • H04N1/32101—Display, printing, storage or transmission of additional information, e.g. ID code, date and time or title
    • H04N1/32144—Display, printing, storage or transmission of additional information, e.g. ID code, date and time or title embedded in the image data, i.e. enclosed or integrated in the image, e.g. watermark, super-imposed logo or stamp
    • H04N1/32149—Methods relating to embedding, encoding, decoding, detection or retrieval operations
    • H04N1/32267—Methods relating to embedding, encoding, decoding, detection or retrieval operations combined with processing of the image
    • H04N1/32272—Encryption or ciphering
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L2209/00—Additional information or applications relating to cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communication H04L9/00
    • H04L2209/34—Encoding or coding, e.g. Huffman coding or error correction

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Security & Cryptography (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Facsimile Transmission Control (AREA)
  • Image Processing (AREA)

Abstract

本发明提供了一种基于国密算法与DNA编码技术的多波段加密方法，属于图像加密技术领域。具体包括如下步骤：输入明文栅格数据，解析栅格数据的像素和地理空间属性信息。输入密钥，利用四维Lorenz混沌系统产生混沌序列，并将其转化为用于DNA编码的索引序列、DNA解码的索引序列、SM4算法扩散加密密钥流和像素置乱所需要的密钥流。将待加密的像素信息和属性信息按位分解并进行DNA编码。对数据进行SM4算法扩散加密和像素置乱。对数据进行DNA解码操作，按位还原得到密文栅格数据。本发明的技术方案克服现有技术中图像加密技术安全性不高、抵抗能力较差的问题。

Description

一种基于国密算法与DNA编码技术的多波段加密方法
技术领域
本发明涉及图像加密技术领域，具体涉及一种基于国密算法与DNA编码技术的多波段加密方法。
背景技术
随着社会对于测绘地理信息安全防护意识的不断增强，以及人们对于测绘地理信息的应用需求越来越高，安全技术也在不断发展，使得测绘地理信息安全技术及其应用有了很大的发展。
栅格数据具有数字图像的特征和数据量大的特点，栅格数据加密与图像加密技术相似，所以一般情况下图像加密领域的相关技术可以直接引入到栅格数据加密领域。图像加密技术主要包括：基于现代密码学体制的加密技术、混沌加密技术、DNA编码技术、光学加密技术、压缩感知加密技术、图像隐藏技术等。
随着新型高性能传感器的研制开发水平和环境资源遥感对高精度遥感数据需求的增加，高空间和高光谱分辨率已是卫星遥感影像技术发展的总趋势。因此，只对单波段和三波段栅格数据加密的方法不能完全适用于卫星遥感影像数据。现代密码学体系的加密技术能够达到保护文本数据，让其不被非法窃取和篡改的目的，然而这类方法加密效率低，因此，针对具有冗余度高的数字图像而言，效果并不理想。与单一的现代密码学体制的图像加密技术相比，基于混沌系统的图像加密方法在安全性、复杂度和运算能力等方面有明显的优势。部分DNA编码加密技术的编码规则是固定静态的，即对所有像素编码使用一种编码规则，算法安全性不高，易被暴力攻击破解。
因此，现需要一种拥有较大的密钥空间，对统计攻击、差分攻击和穷举攻击等有较强的抵抗能力，加密性能良好的基于国密算法与DNA编码技术的多波段加密方法。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于国密算法与DNA编码技术的多波段加密方法，以解决现有技术中图像加密技术安全性不高、抵抗能力较差的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于国密算法与DNA编码技术的多波段加密方法，具体包括如下步骤：
S1，输入明文栅格数据，解析栅格数据的像素和地理空间属性信息。
S2，输入密钥，利用四维Lorenz混沌系统产生混沌序列，并将其转化为用于DNA编码的索引序列、DNA解码的索引序列、SM4算法扩散加密密钥流和像素置乱所需要的密钥流。
S3，将待加密的像素信息和属性信息按位分解并进行DNA编码。
S4，对数据进行SM4算法扩散加密和像素置乱。
S5，对数据进行DNA解码操作，按位还原得到密文栅格数据。
进一步地，步骤S2包括如下步骤：
S2.1，初始密钥(x0、y0、z0、w0)作为四维Lorenz混沌系统初始参数，迭代四维Lorenz混沌系统n0+M+4N+16(n0≥1000)次，抛弃序列前n0项，得到四个长度为M+4N+16的混沌序列X、Y、Z、W。
S2.2，取四个混沌序列X、Y、Z、W的后16项，按顺序拼接得到混沌序列k，其长度为 64，对混沌序列k用公式（1）计算得到SM4加密的密钥流；
（1）；
式中，；是取模运算。
S2.3，将混沌序列X、Y的前4N项用如公式（2）、公式（3）量化到1-8的值，1-8值对应 有效的8种DNA编码技术，得到伪随机序列，分别用于DNA编码过程和DNA解码过程。
（2）；
（3）；
式中，。
S2.4，取混沌序列Z前M项用如下式子更新，得到长度为M的伪随机序列用于行像 素置乱操作，取混沌序列W前4N项用公式（4）、公式（5）更新，得到长度为4N的伪随机序列 用于列像素置乱操作。
（4）；
（5）；
式中，，。
进一步地，步骤S3包括如下步骤：
S3.1，将明文数据P记作矩阵H0(M，N)，并转化为对应的二进制矩阵H1(M，8N)。
S3.2，将H1(M，8N)转换成DNA编码矩阵H2(M，4N)，对H1(M，8N)中每一对比特转换为 DNA的A，G，C，T，编码规则由伪随机序列中的值来决定。
进一步地，步骤S4具体为：
S4.1，随机序列为SM4算法的加密密钥和初始化向量，对矩阵H2(M，4N)进行扩散 操作，得到扩散后的矩阵H3(M，4N)。
S4.2，对H3(M，4N)矩阵进行置乱，利用伪随机序列、用如公式（6）、公式（7）完 成行、列像素置乱，得到矩阵H4(M，4N)。
；
；
式中，，；表示矩阵中第i行全部列；表 示矩阵中第j列全部行。
进一步地，步骤S5具体为：
将加密后的DNA矩阵H4(M，4N)转化为二进制形式，编码规则对应于伪随机序列 中给出的值，进一步扩散和置乱，得到密文栅格数据。
进一步地，步骤S2.1中的四维Lorenz混沌系统的构建具体为：
在三维Lorenz混沌系统的基础上引入非线性控制器w，令w的变化率为，则产生新的四维超混沌Lorenz混沌系统，方程如下：
。
其中当，，，并且初始值在一定的取值范 围内，即，，，时，系统进入到超混沌系 统状态。
本发明具有如下有益效果：
本发明提出了国产商用密码算法与混沌系统、DNA编码技术集成的比特级加密方法。在混沌系统参与密钥生成过程的基础上，集成DNA编码技术实现任意像素数据类型和波段数的比特级加密操作。首先，采用四维Lorenz混沌系统生成一串混沌序列，将部分混沌序列更新后用作SM4算法的密钥和初始化向量，部分混沌序列用于栅格数据的置乱操作。对明文数据先进行DNA编码得到比特矩阵，再使用SM4算法实现扩散，然后使用混沌序列进行比特级置乱，并利用DNA解码实现进一步扩散。结果和安全分析表明，该方法拥有较大的密钥空间，对统计攻击、差分攻击和穷举攻击等有较强的抵抗能力，安全性较高，加密性能良好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1示出了本发明的一种基于国密算法与DNA编码技术的多波段加密方法的流程图。
图2示出了本发明的四维Lorenz混沌系统的x-y-z方向的系统吸引子图。
图3示出了本发明的四维Lorenz混沌系统的x-y-w方向的系统吸引子图。
图4示出了本发明的四维Lorenz混沌系统的x-z-w方向的系统吸引子图。
图5示出了本发明的四维Lorenz混沌系统的y-z-w方向的系统吸引子图。
图6示出了像素矩阵的高、宽、波段数量和通道大小为1071×1390×1×8的栅格图像。
图7示出了像素矩阵的高、宽、波段数量和通道大小为1071×1390×1×32的栅格图像。
图8示出了像素矩阵的高、宽、波段数量和通道大小为1071×1390×1×64的栅格图像。
图9示出了像素矩阵的高、宽、波段数量和通道大小为2997×2163×3×8的栅格图像。
图10示出了像素矩阵的高、宽、波段数量和通道大小为7621×7751×1×16的栅格图像。
图11示出了像素矩阵的高、宽、波段数量和通道大小为7621×7751×5×16的栅格图像。
图12示出了利用本发明提供的方法对图6进行加密后的栅格图像。
图13示出了利用本发明提供的方法对图7进行加密后的栅格图像。
图14示出了利用本发明提供的方法对图8进行加密后的栅格图像。
图15示出了利用本发明提供的方法对图9进行加密后的栅格图像。
图16示出了利用本发明提供的方法对图10进行加密后的栅格图像。
图17示出了利用本发明提供的方法对图11进行加密后的栅格图像。
图18示出了利用本发明提供的方法对图12进行解密后的栅格图像。
图19示出了利用本发明提供的方法对图13进行解密后的栅格图像。
图20示出了利用本发明提供的方法对图14进行解密后的栅格图像。
图21示出了利用本发明提供的方法对图15进行解密后的栅格图像。
图22示出了利用本发明提供的方法对图16进行解密后的栅格图像。
图23示出了利用本发明提供的方法对图17进行解密后的栅格图像。
图24示出了栅格数据7621×7751的属性信息。
图25示出了利用本发明提供的方法进行加密后的属性信息。
图26示出了利用本发明提供的方法进行解密后的属性信息。
图27示出了利用正确密钥对本发明提供的方法进行加密后的栅格图形进行解密后的正确密钥解密结果图。
图28示出了密钥为x(0)+10-14 ，对本发明提供的方法进行加密后的栅格图形进行解密后的栅格图像。
图29示出了密钥为y(0)+10-14 ，对本发明提供的方法进行加密后的栅格图形进行解密后的栅格图像。
图30示出了密钥为z(0)+10-14，对本发明提供的方法进行加密后的栅格图形进行解密后的栅格图像。
图31示出了密钥为w(0)+10-14 ，对本发明提供的方法进行加密后的栅格图形进行解密后的栅格图像。
图32示出了像素矩阵的高、宽、波段数量为2997×2163×3原图R分量直方图。
图33示出了像素矩阵的高、宽、波段数量为2997×2163×3原图G分量直方图。
图34示出了像素矩阵的高、宽、波段数量为2997×2163×3原图B分量直方图。
图35示出了像素矩阵的高、宽、波段数量为2997×2163×3密文R分量直方图。
图36示出了像素矩阵的高、宽、波段数量为2997×2163×3密文G分量直方图。
图37示出了像素矩阵的高、宽、波段数量为2997×2163×3密文B分量直方图。
图38示出了像素矩阵的高、宽和波段数为2997×2163×3的明文R分量水平方向。
图39示出了像素矩阵的高、宽和波段数为2997×2163×3的密文R分量水平方向。
图40示出了像素矩阵的高、宽和波段数为2997×2163×3的明文R分量垂直方向。
图41示出了像素矩阵的高、宽和波段数为2997×2163×3的密文R分量垂直方向。
图42示出了像素矩阵的高、宽和波段数为2997×2163×3的明文R分量对角线方向。
图43示出了像素矩阵的高、宽和波段数为2997×2163×3的密文R分量对角线方向。
图44示出了像素矩阵的高、宽和波段数为2997×2163×3的明文G分量水平方向。
图45示出了像素矩阵的高、宽和波段数为2997×2163×3的密文G分量水平方向。
图46示出了像素矩阵的高、宽和波段数为2997×2163×3的明文G分量垂直方向。
图47示出了像素矩阵的高、宽和波段数为2997×2163×3的密文G分量垂直方向。
图48示出了像素矩阵的高、宽和波段数为2997×2163×3的明文G分量对角线方向。
图49示出了像素矩阵的高、宽和波段数为2997×2163×3的密文G分量对角线方向。
图50示出了像素矩阵的高、宽和波段数为2997×2163×3的明文B分量水平方向。
图51示出了像素矩阵的高、宽和波段数为2997×2163×3的密文B分量水平方向。
图52示出了像素矩阵的高、宽和波段数为2997×2163×3的密文B分量垂直方向。
图53示出了像素矩阵的高、宽和波段数为2997×2163×3的密文B分量垂直方向。
图54示出了像素矩阵的高、宽和波段数为2997×2163×3的密文B分量对角线方向。
图55示出了像素矩阵的高、宽和波段数为2997×2163×3的密文B分量对角线方向。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
如图1所示的一种基于国密算法与DNA编码技术的多波段加密方法，具体包括如下步骤：
S1，输入明文栅格数据，解析栅格数据的像素和地理空间属性信息。
S2，输入密钥，利用四维Lorenz混沌系统（即四维劳伦兹混沌系统）产生混沌序列，并将其转化为用于DNA编码的索引序列、DNA解码的索引序列、SM4算法扩散加密密钥流和像素置乱所需要的密钥流。
S3，将待加密的像素信息和属性信息按位分解并进行DNA编码。
S4，对数据进行SM4算法扩散加密和像素置乱。
S5，对数据进行DNA解码操作，按位还原得到密文栅格数据。
由于本发明剔除的加密方法是对称加密系统，因此，解密过程是加密过程的逆过程，不再赘述。
具体地，步骤S2包括如下步骤：
S2.1，初始密钥(x0、y0、z0、w0)作为四维Lorenz混沌系统初始参数，迭代四维Lorenz混沌系统n0+M+4N+16(n0≥1000)次，为了消除暂态效应，抛弃序列前n0项，得到四个长度为M+4N+16的混沌序列X、Y、Z、W。
S2.2，取四个混沌序列X、Y、Z、W的后16项，按顺序拼接得到混沌序列k，其长度为 64，对混沌序列k用公式（1）计算得到SM4加密的密钥流；
（1）；
式中，；是取模运算。
S2.3，将混沌序列X、Y的前4N项用如公式（2）、公式（3）量化到1-8的值，1-8值对应 有效的8种DNA编码技术，得到伪随机序列，分别用于DNA编码过程和DNA解码过程。
（2）；
（3）；
式中，。
S2.4，取混沌序列Z前M项用如下式子更新，得到长度为M的伪随机序列用于行像 素置乱操作，取混沌序列W前4N项用公式（4）、公式（5）更新，得到长度为4N的伪随机序列 用于列像素置乱操作。
（4）；
（5）；
式中，，。
具体地，步骤S3包括如下步骤：
S3.1，将明文数据P记作矩阵H0(M，N)，并转化为对应的二进制矩阵H1(M，8N)。
S3.2，将H1(M，8N)转换成DNA编码矩阵H2(M，4N)，对H1(M，8N)中每一对比特转换为 DNA的A，G，C，T，即DNA序列由4个脱氧核苷酸的含氮碱基A、G、C和T组成，分别与腺嘌呤、鸟嘌 呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶相对应。编码规则由伪随机序列中的值来决定。
具体地，步骤S4具体为：
S4.1，随机序列（即：SM4加密的密钥流)为SM4算法的加密密钥和初始化向量，对 矩阵H2(M，4N)进行扩散操作，得到扩散后的矩阵H3(M，4N)。
S4.2，对H3(M，4N)矩阵进行置乱，利用伪随机序列、用如公式（6）、公式（7）完 成行、列像素置乱，得到矩阵H4(M，4N)。
；
；
式中，，；表示矩阵中第i行全部列；表 示矩阵中第j列全部行。
具体地，步骤S5具体为：
将加密后的DNA矩阵H4(M，4N)转化为二进制形式，编码规则对应于伪随机序列 中给出的值，具体扩散和置乱，得到密文栅格数据。
具体地，图2、图3、图4和图5示出了四维混沌系统在初始值为(1.1, 2.2, 3.3, 4.4)和控制参数条件下的系统吸引子图，步骤S2.1中的四维Lorenz混沌系统的构建 具体为：
在三维Lorenz混沌系统的基础上引入非线性控制器w，令w的变化率为，则产生新的四维超混沌Lorenz混沌系统，方程如下：
。
其中当，，，并且初始值在一定的取值范 围内，即，，，时，系统进入到超混沌系 统状态。
下面对本发明提供的基于国密算法与DNA编码技术的多波段加密方法GCD的正确性和安全性进行测试。
选用6幅栅格图像，如图6、图7、图8、图9、图10和图11所示，分别为1071×1390×1×8、1071×1390×1×32、1071×1390×1×64、2997×2163×3×8、7621×7751×1×16、7621×7751×5×16。数据代号中的元素依次分别表示像素矩阵的高宽、波段数量和通道大小，实验数据包括通道大小为8位、16位、32位、64位，分别对应char、short、float、double基本数据类型。设置加密密钥如下：x0=1.264818、y0=2.736291、z0=3.489287、w0=4.635207。利用本发明提供的GCD加密方法对测试数据加密得到的结果如图12、图13、图14、图15、图16和图17所示。从加密结果来看，密文图像无法识别出任何有意义的信息，满足了图像加密的基本要求。如图18、图19、图20、图21、图22和图23所示，密文数据被成功解密，对比解密后数据和明文数据的字节数，结果表明GCD加密未对明文数据造成任何破坏。栅格数据7621×7751的属性信息如图24所示；加密后的属性信息失去可读性，如图25所示；解密后的属性信息完全恢复出原始的属性信息，如图26所示。
下一步从密钥空间、密钥敏感性、抗差分攻击、直方图、像素相关性和其他安全方面对GCD加密方法进行全面分析。
（1）密钥空间分析
对于本发明的GCD加密方法，有4个参数用于组成密钥，即四维Lorenz的初始条件x(0)、y(0)、z(0)、w(0)，这四个参数以64位精度使用，因此本发明所提方法的密钥空间大小为264×4=2256。如表2所示，该方法的密钥空间远大于2100，故此密码系统可以抵御暴力攻击，并且比其他方法具有更大的密钥空间。
表2 GCD方法：密钥空间分析
其中文献1：Mohamed F K. A parallel block-based encryption schema fordigital images using reversible cellular automata[J]. Engineering Science andTechnology, an International Journal, 2014, 17(2): 85-94.
文献2：Bakhshandeh A, Eslami Z. An authenticated image encryptionscheme based on chaotic maps and memory cellular automata[J]. Optics andLasers in Engineering, 2013, 51(6): 665-673.
文献3：George S N, Augustine N, Pattathil D P. Audio security throughcompressive sampling and cellular automata[J]. Multimedia Tools andApplications, 2015, 74: 10393-10417.
（2）密钥敏感性分析
用正确密钥解密的结果如图27所示。为了检验加密方法的密钥敏感性，分别对组成密钥的4个参数增加一个微小变量10-14，用修改后的密钥对加密数据进行解密，解密结果如图28、图29、图30和图31所示。可以看出，虽然密钥只有轻微的变动，但是密文无法被正确解密，说明该方法的密钥敏感性很强。
（3）随机特性分析
使用NIST SP 800-22测试套件包检测四维超混沌Lorenz系统产生混沌序列的随机性。NIST SP800-22包含15个测试项，包括频率（Frequency）检验、块内频率（BlockFrequency）检验、游程（Runs）检验、块内最长游程（Longest Run）检验、二进制矩阵秩（Rank）检验、离散傅里叶变换（FFT）检验、非重叠模块匹配（Non-overlapping template）检验、重叠模块匹配（Overlapping template）检验、Maurer的通用统计（Universal）检验、线性复杂度（Linear complexity）检验、序列（Serial）检验、近似熵（Approximate Entropy）检验、累加和（Cumulative sums）检验、随机游动（Random excursions）检验和随机游动状态频数（Random excursions Variant）检验。混沌序列NIST测试结果如表3所示，从表中可以看出全部测试项的P值均大于0.01，其中Cumulative sums、Non-overlapping template、Universal和Serial项的值超过了0.9，Block frequency项最低，但也接近0.3，这意味着混沌序列具有良好的随机特性。
表3 四维Lorenz混沌系统生成的随机序列NIST测试结果
（4）直方图分析
图32、图33和图34分别是2997×2163明文数据在红绿蓝三波段的直方图，图35、图36和图37分别是2997×2163密文数据在红绿蓝三波段的直方图。从图32-37可知，明文和密文数据的分布具有显著差异。因明文数据中包含真实的地物、地类等信息，所以像素值的分布具有数理统计特性，故其直方图表现出高低起伏有一定规律。而密文数据的直方图起伏波动极小，各灰度值的数量近似一致，很好地隐蔽了密文数据统计特性，证明GCD加密方法能有效地抵抗统计分析攻击。
（5）相邻像素相关性分析
为进行相邻像素相关性分析，从明文数据和密文数据中随机选取同样位置处的5000个像素对，计算相邻像素相关系数。以2997×2163×3为例，图38~图55展示了测试数据和GCD加密后的数据在水平、垂直和对角线上的相邻像素相关性分布图。通过观察图38~图55，可知明文数据的相邻像素整体呈线性分布，而GCD加密后的数据相邻像素点均匀平铺在二维平面上。表4展示了测试数据和GCD加密数据在各个波段三个方向上的相邻像素相关系数。
表4 GCD方法：加密前后数据的像素相关系数
从表4中可以看出，在三个方向上测试数据的相邻像素相关系数在0.99以上，都趋近于1，而GCD加密后的数据相邻像素相关系数最大在-0.002以上，最小可达到-0.0005，都趋近于0。通过分析相关性分布图和相关系数，本章的GCD加密方法可以有效地消除数据中相邻像素间的相关性，具有良好的加密效果。
（6）信息熵分析
计算2997×2163×3明文数据和密文数据的信息熵，结果见表5。表中显示，用本文的加密方法加密后的数据信息熵平均值为7.9687，接近理论值8。因此可以得出结论，本文的GCD加密方法具有较强的抵抗信息熵攻击的能力。与GC加密方法对同一数据处理的结果相比，GCD方法在R、G通道的密文信息熵更接近理论值，B通道更远离理论值。
表5 GCD方法：加密前后的信息熵
（7）抗差分攻击分析
分析GCD加密方法抵抗差分攻击的能力。表6所示为2997×2163×3数据的两个密文数据计算得到NPCR和UACI值。从表6中可知，GCD加密方法计算得到的NPCR均值为99.6114%，UACI均值为33.4588%，十分接近理想值99.6094%和33.4635%。因此，本文所提的GCD加密方法对明文数据变化非常敏感，具备抵抗差分攻击的能力。与GC方法对同一数据处理的结果对比，对于NPCR，GC方法更接近理想值，而对于UACI，GCD方法更具优势。
表6 GCD方法：NPCR和UACI值
本发明提供的方法将明文数据按位分解并按照随机编码索引编码得到DNA编码矩阵，再在矩阵上进行比特级SM4扩散加密和行列置乱加密，然后再按照随机解码索引解码，用于进一步数据比特级置乱。测试结果和安全分析表明，该方法拥有较大的密钥空间，对统计攻击、差分攻击和穷举攻击等有较强的抵抗能力，安全性较高，加密性能良好。相较于GC加密方法，GCD方法的密钥敏感性较高，可以应用于任意波段数和数据类型的数据加密中。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于国密算法与DNA编码技术的多波段加密方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
S1，输入明文栅格数据，解析栅格数据的像素和地理空间属性信息；
S2，输入密钥，利用四维Lorenz混沌系统产生混沌序列，并将其转化为用于DNA编码的索引序列、DNA解码的索引序列、SM4算法扩散加密密钥流和像素置乱所需要的密钥流；
S3，将待加密的像素信息和属性信息按位分解并进行DNA编码；
S4，对数据进行SM4算法扩散加密和像素置乱；
S5，对数据进行DNA解码操作，按位还原得到密文栅格数据。
2.根据权利要求1所述的一种基于国密算法与DNA编码技术的多波段加密方法，其特征在于，步骤S2包括如下步骤：
S2.1，初始密钥(x0、y0、z0、w0)作为四维Lorenz混沌系统初始参数，迭代四维Lorenz混沌系统n0+M+4N+16(n0≥1000)次，抛弃序列前n0项，得到四个长度为M+4N+16的混沌序列X、Y、Z、W；
S2.2，取四个混沌序列X、Y、Z、W的后16项，按顺序拼接得到混沌序列k，其长度为64，对混沌序列k用公式（1）计算得到SM4加密的密钥流；
（1）；
式中，；/>是取模运算；
S2.3，将混沌序列X、Y的前4N项用如公式（2）、公式（3）量化到1-8的值，1-8值对应有效的8种DNA编码技术，得到伪随机序列，/>分别用于DNA编码过程和DNA解码过程；
（2）；
（3）；
式中，；
S2.4，取混沌序列Z前M项用如下式子更新，得到长度为M的伪随机序列用于行像素置乱操作，取混沌序列W前4N项用公式（4）、公式（5）更新，得到长度为4N的伪随机序列/>用于列像素置乱操作；
（4）；
（5）；
式中，，/>。
3.根据权利要求1所述的一种基于国密算法与DNA编码技术的多波段加密方法，其特征在于，步骤S3包括如下步骤：
S3.1，将明文数据P记作矩阵H0(M，N)，并转化为对应的二进制矩阵H1(M，8N)；
S3.2，将H1(M，8N)转换成DNA编码矩阵H2(M，4N)，对H1(M，8N)中每一对比特转换为DNA的A，G，C，T，编码规则由伪随机序列中的值来决定。
4.根据权利要求1所述的一种基于国密算法与DNA编码技术的多波段加密方法，其特征在于，步骤S4具体为：
S4.1，随机序列为SM4算法的加密密钥和初始化向量，对矩阵H2(M，4N)进行扩散操作，得到扩散后的矩阵H3(M，4N)；
S4.2，对H3(M，4N)矩阵进行置乱，利用伪随机序列、/>用如公式（6）、公式（7）完成行、列像素置乱，得到矩阵H4(M，4N)；
；
；
式中，，/>；/>表示矩阵/>中第i行全部列；/>表示矩阵/>中第j列全部行。
5.根据权利要求1所述的一种基于国密算法与DNA编码技术的多波段加密方法，其特征在于，步骤S5具体为：
将加密后的DNA矩阵H4(M，4N)转化为二进制形式，编码规则对应于伪随机序列中给出的值，进一步扩散和置乱，得到密文栅格数据。
6.根据权利要求2所述的一种基于国密算法与DNA编码技术的多波段加密方法，其特征在于，步骤S2.1中的四维Lorenz混沌系统的构建具体为：
在三维Lorenz混沌系统的基础上引入非线性控制器w，令w的变化率为，则产生新的四维超混沌Lorenz混沌系统，方程如下：
；
其中当，/>，/>，/>并且初始值在一定的取值范围内，即/>，/>，/>，/>时，系统进入到超混沌系统状态。
CN202311126747.7A 2023-09-04 2023-09-04 一种基于国密算法与dna编码技术的多波段加密方法 Active CN116865944B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311126747.7A CN116865944B (zh) 2023-09-04 2023-09-04 一种基于国密算法与dna编码技术的多波段加密方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311126747.7A CN116865944B (zh) 2023-09-04 2023-09-04 一种基于国密算法与dna编码技术的多波段加密方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN116865944A true CN116865944A (zh) 2023-10-10
CN116865944B CN116865944B (zh) 2023-11-21

Family

ID=88236301

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202311126747.7A Active CN116865944B (zh) 2023-09-04 2023-09-04 一种基于国密算法与dna编码技术的多波段加密方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116865944B (zh)

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20020024998A (ko) * 2000-09-27 2002-04-03 정성용 카오스 신호를 이용하여 정보를 암호화 하고 복호화하는방법 및 그 장치
US20110311042A1 (en) * 2008-10-23 2011-12-22 University Of Ulster Encryption method
CN108365947A (zh) * 2018-03-05 2018-08-03 郑州轻工业学院 一种基于Feistel网络与动态DNA编码的图像加密方法
CN112422271A (zh) * 2021-01-21 2021-02-26 湖北鑫英泰系统技术股份有限公司 一种基于混沌序列与国密算法的电力数据加密方法与装置
CN114362915A (zh) * 2021-12-15 2022-04-15 华南理工大学 一种基于dna编码技术和超混沌系统的图像加密方法
CN115643015A (zh) * 2022-10-24 2023-01-24 桂林电子科技大学 数字水印溯源方法
CN115883052A (zh) * 2022-10-24 2023-03-31 鼎铉商用密码测评技术(深圳)有限公司 数据加密方法、数据解密方法、设备及存储介质
CN116318890A (zh) * 2023-02-22 2023-06-23 河南大学 基于国产密码和加强密钥分散遥感仿真平台加密技术方法
CN116582623A (zh) * 2023-05-30 2023-08-11 宁夏大学 基于混沌系统及dna动态编码的彩色图像加密方法

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20020024998A (ko) * 2000-09-27 2002-04-03 정성용 카오스 신호를 이용하여 정보를 암호화 하고 복호화하는방법 및 그 장치
US20110311042A1 (en) * 2008-10-23 2011-12-22 University Of Ulster Encryption method
CN108365947A (zh) * 2018-03-05 2018-08-03 郑州轻工业学院 一种基于Feistel网络与动态DNA编码的图像加密方法
CN112422271A (zh) * 2021-01-21 2021-02-26 湖北鑫英泰系统技术股份有限公司 一种基于混沌序列与国密算法的电力数据加密方法与装置
CN114362915A (zh) * 2021-12-15 2022-04-15 华南理工大学 一种基于dna编码技术和超混沌系统的图像加密方法
CN115643015A (zh) * 2022-10-24 2023-01-24 桂林电子科技大学 数字水印溯源方法
CN115883052A (zh) * 2022-10-24 2023-03-31 鼎铉商用密码测评技术(深圳)有限公司 数据加密方法、数据解密方法、设备及存储介质
CN116318890A (zh) * 2023-02-22 2023-06-23 河南大学 基于国产密码和加强密钥分散遥感仿真平台加密技术方法
CN116582623A (zh) * 2023-05-30 2023-08-11 宁夏大学 基于混沌系统及dna动态编码的彩色图像加密方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ZHANG CONG: "Research on vector data encryption method based on SM4 algorithm", 2022 3RD INTERNATIONAL CONFERENCE ON ELECTRONICS, COMMUNICATIONS AND INFORMATION TECHNOLOGY (CECIT) *
孙乾峰: "基于混沌系统和DNA编码的统一图像密码系统", 中国优秀硕士学位论文全文数据库 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN116865944B (zh) 2023-11-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN112637441B (zh) 一种基于压缩感知的彩色图像压缩加密方法
CN101706946B (zh) 基于dna序列与多混沌映射的数字图像加密方法
Fu et al. A novel chaos-based bit-level permutation scheme for digital image encryption
Huang et al. Meaningful image encryption algorithm based on compressive sensing and integer wavelet transform
Zhu et al. A chaos-based symmetric image encryption scheme using a bit-level permutation
CN110570344B (zh) 基于随机数嵌入和dna动态编码的图像加密方法
CN109889686B (zh) 基于h分形结构和动态自可逆矩阵的图像加密方法
CN113225449A (zh) 一种基于混沌序列和dna编码的图像加密方法
CN110139000B (zh) 基于压缩感知和生命游戏置乱的图像压缩加密方法
CN101702240B (zh) 基于dna子序列运算的图像加密方法
CN109660696B (zh) 一种新的图像加密方法
CN107094072B (zh) 一种基于广义Henon映射的混合混沌加密方法
CN109756322B (zh) 基于des结构与dna编码的数字图像加密方法
CN107330338B (zh) 基于双混沌交叉扩散的彩色图像加密和解密方法及系统
CN105631796A (zh) 基于比特置乱的量子混沌图像加密方法
CN113129196B (zh) 一种基于dna序列和忆阻混沌的图像加密方法
CN105447396A (zh) 基于Arnold变换和复合混沌的分数域图像加密方法
CN111008383B (zh) 一种基于多方向扩散和dna编码的图像加密方法
CN113556223A (zh) 基于分数阶驱动响应系统有限时间同步的图像加密方法
Fu et al. A symmetric image encryption scheme using chaotic baker map and Lorenz system
CN113077373A (zh) 一种基于混沌映射与双向操作Feistel结构的图像加密方法
CN115311118A (zh) 一种基于二维离散忆阻超混沌映射的遥感图像加密方法
Shakir et al. A new four-dimensional hyper-chaotic system for image encryption
CN103310157B (zh) 基于rt-dna元胞自动机的图像加密方法
CN116886270B (zh) 一种基于国密算法与双混沌系统的三波段加密方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant