CN1299201A - 一种用于信息安全的加/解密系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于信息安全的加/解密系统,该系统利用低维混沌动力系统进行迭代计算,并采用洗牌算法对码本进行动态变换,可直接在Internet网上或利用现场可编程门阵芯片等硬件实现本发明。本发明安全性高,使用简单方便,可运用于各种信息传输过程的保密处理,尤其是Internet上的数据传输的保密处理。

Description

一种用于信息安全的加/解密系统

本发明属于信息安全技术，具体地说涉及一种利用电子计算机技术、信息编码技术和网络技术实现的用于信息安全的加/解密系统。

现代信息技术运用越来越广泛，尤其是Internet的网上活动日益频繁，如网上交易的发展、金融行业和政府上网工程的实施等等，这些都使得Internet上的数据传输安全已经成为迫切需要解决的问题。

当前的Internet构筑在TCP/IP V4协议之上，V4以互通性、互操作性而著名，很快得到了用户的青睐并迅速地流行开来。TCP/IP设计者当初没有想到TCP/IP协议会如此流行，以至当前IP地址接近枯竭，而且他们没有考虑到信息安全的问题。在当时，异构网络如何互连、数据如何尽力向前传送是其解决的主要问题，而TCP/IP数据包中仅有的奇偶校验也是为了防止数据传输线路的不稳定而设计的。

World Wide Web是Internet上最为广泛的应用之一，它有着与TCP/IP相同的安全问题。在一个没有安全保护措施的Web站点上，所有的信息都通过明文传输，一个稍懂Internet知识的人很容易窥探到其中的信息，因此，如果在这样的网上传输一些敏感的信息(如银行帐号)则是极其危险的。电子商务、金融网络和政府敏感部门都需要考虑敏感数据在Internet上的安全传输问题。

TCP/IP协议的工作方式，使得人们要完全防止网络中传输的数据不被他人获取是不可能的，现在大量的解决方案在努力做到即使他人得到传输的数据，对他而言也是不可理解的，这就需要对传输的数据进行加密。

随着计算机计算速度的不断提高，以及分布处理技术的日益发展，原有的一些加密算法(如：DES，RSA算法)已被破解。目前，国内所采用的加密算法大都是国外将要淘汰的低强度加密算法。由此所带来的不安全因素已成为当前阻碍经济发展和威胁国家安全的一个重要问题。

最近几年，混沌开始被应用于加密通信领域，混沌是确定性系统中由于内在随机性而产生的外在复杂表现，是一种貌似随机的非随机运动。由于混沌信号具有遍历性、宽带性、类噪声、对初始条件的敏感性、快速衰减的自相关和微弱的互相关性等特点，从而为实现保密通信提供了丰富的机制和方法。

根据现代密码学中分组加密和序列加密的分类，混沌加密可以分为混沌逆系统方法和混沌伪随机序列方法。

目前提出的大部分混沌加密方案可以用混沌逆系统模型表示，而且混沌逆系统方法可以用直接逆和渐近逆两种方法实现。同步混沌系统在渐进逆混沌系统加密中主要采用混沌掩码(Chaotic masking)、混沌调制(Chaotic modulation)和混沌切换(Chaos shift keying)等多种形式。在基于混沌同步的渐进逆系统方法中，有学者已经提出了对混沌信号的重构攻击。嵌入理论指出，从某些同步混沌系统的一维驱动信号中，可以构建这样一个动力系统，利用它可以对驱动信号进行预测。此外，还有学者提出的基于非线性预测技术的解密方法可破译几乎所有基于混沌同步的加密技术。因此，基于低维混沌同步系统的加密技术不能满足高强度安全性的要求。

混沌伪随机序列密码的根本任务是寻找具有较好密码学特性的混沌序列。Matthews首先在1989年提出了用Logistic混沌映射改进成的迭代混沌系统，在随后的几年中，另外一些混沌系统也被用于产生密码序列，其中包括一阶非均匀采样数字锁相环系统(DPLL)等。实验结果表明，混沌密码序列具有较好的遍历性和难以预测性。但是仍存在一些重要的基本问题尚待解决，第一，混沌序列的生成都是在计算机或其它有限精度的器件上实现的。这样，任何混沌序列生成器都可归结为有限自动机来描述，在这种条件下所生成的混沌序列表现出短周期、强相关以及小线性复杂度等不良性质。尽管有人指出增加精度可以减小这一问题所造成的后果，但其代价显然是非常大的。第二现有的混沌序列的研究对所生成序列的周期性、伪随机性、复杂性等的估计都是建立在统计分析之上或通过实验测试给出的。因此，难以保证其每一实现序列的周期足够大，复杂性足够高，也难以设计出满足密码学要求的理想混沌序列。

遍历性是混沌的一个重要而有用的性质。利用低维混沌动力学系统的遍历性特点，通过混沌系统的当前初值和迭代次数对组成明文的基元符号进行加密是一种用低维混沌动力系统实现较高强度加密通信的方法。(见Baptista,M.S.,Cryptography with chaos,Phys.Lett.,A240,1998,50-54.)_但该方法的保密强度仍然不够高，因为其码本是固定的，如果其控制参数μ和初始条件x¹ ₀被获取，已加密的传输信息就易于解密：并且加密后的密文与明文相比，增加的数据量较大，从而降低了信道的传输效率；其加/解密时间较长。

本发明的目的是提供一种用于信息安全的加/解密系统，该方法也采用低维混沌动力系统进行迭代计算，利用混沌动力系统的遍历性对数据进行加/解密。但该方法采用动态码本，即使控制参数μ和初始条件x¹ ₀被获取也难以解密；并且加密后的密文与明文相比，增加的数据量较小；其加/解密时间较短。

为实现上述发明目的，本发明包括软、硬件系统，其特征在于：加/解密过程是采用下列步骤进行的：

①．将选定的混沌系统的混沌吸引域或其子域划分为m=2ⁱ个ε-区间(i为基元比特数)，每一个ε-区间与基元集中的每一基元一一对应，按基元所对应十进制数的大小，从小到大与ε-区间顺序对应，构成通信双方的原始码本；

②．收、发双方初始化：首先，呼叫方设置混沌系统的控制参数μ、初始条件x¹ ₀、相空间轨迹采样点(N⁰ _c，N¹ _c，N² _c)和对原始码本进行变换的指令编码，并根据该指令编码对原始码本进行变换，构成呼叫方的初始码本；然后，将混沌系统的控制参数μ、初始条件x¹ ₀、相空间轨迹采样点(N⁰ _c，N¹ _c，N² _c)以及对原始码本进行变换的指令编码组成一帧，并对其加密之后，传给被叫方；被叫方对传送过来的该密文数据进行解密之后，即可获得与呼叫方相同的混沌系统的控制参数μ、初始条件x¹ ₀、相空间轨迹采样点(N⁰ _c，N¹ _c，N² _c)和对原始码本进行变换的指令编码。然后，根据该指令编码对原始码本进行变换，形成被叫方的初始码本；

③．在加密方，将待加密的二进制数据流按i比特的长度划分成基元；在解密方，将待解密的二进制数据流按拟定的通信协议划分成基元；

④．从明文基元序列中顺序取出一个待加密基元，或从密文基元序列中顺序取出一个待解密基元，确定该基元所在ε-区间；

⑤．在加密方，从初值x^k ₀出发，使混沌系统的相空间轨迹抵达当前码本B_p中待加密明文基元所在的ε-区间，其所需要的迭代次数N_c就是加密该明文基元的密文基元。并且将此时的迭代值 作为对明文基元序列中下一个基元进行加密时的初值x^k+1 ₀；在解密方，从从初值x^k ₀出发，计算混沌系统的第N_c次迭代值

，根据当前码本B_p ^k中 所在的ε-区间获得对应的明文基元，并以此次的迭代值 作为对下一密文基元解密时的初值X^k+1 ₀。

⑥．通信双方根据与混沌系统相空间轨迹取样点(N⁰ _c，N¹ _c，N² _c)上的迭代值

所对应的码字 所给出的译码指令，应用洗牌算法分别对通信双方的当前码本B_p ^k进行变换，所获得新的码本作为对下一个明文基元加/解密时的码本B_p ^k+1；

⑦．重复步骤4-6直至串结束符则结束加/解密。

上述系统中的硬件可以是计算机网络系统和现场可编程门阵芯片等，该加/解密系统可以作成加/解密装置。

本发明利用低维混沌动力系统进行迭代计算，达到了加/解密的实时性，采用洗牌算法对码本进行动态变换，实现了高强度的加密，并可直接在Internet网上或利用现场可编程门阵芯片等硬件使用本发明的应用软件实现。本发明安全性高，使用简单方便，可运用于各种信息传输过程的保密处理，尤其是Internet上的数据传输的保密处理。总之，本发明采用洗牌算法对码本进行动态变换达到了高强度的加密，并可利用硬件或软件系统实现。

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明：

图1为加密算法的流程框图；

图2为图1中虚线框A所包含的流程；

图3为解密算法的流程框图；

图4为加密通信系统的网络结构图。

在本发明中，待加密信息是由二进制数据流构成的。将该数据流按ibit的长度分组成信息单元。所有互异信息单元的有限集合被称为基元集B(｜B｜=2ⁱ，i为构成一信息单元的比特数。i可以取8、16…，本发明以i=8为例，)。因此，二进制数据可用信息单元序列或取自B的基元序列来描述。同时，与对比文献相类似，本发明也将混沌吸引域A或其一部分[X_min,X_max]

A划分成m=｜B｜个等间隔的ε-区间，每一ε-区间与明文基元集中的每一基元一一对应，从而形成码本。

本例中使用简单一维logistic映射

x_n+1=μx_n(1-x_n)    (1)

式中x_n∈[x_min，x_max]

[0,1].当μ∈(3.57,4.0]时，映射(1)的轨迹表现出混沌行为。在信息发送端(即加密端)，从初始条件x¹ ₀出发，使该映射轨迹抵达码本中当前加密基元所在的ε-区间(ε=(x_max-x_min)/m)，其所需要的迭代次数N₁就是加密该明文基元的密文基元。并且将此时的迭代值

作为对明文基元序列中下一个基元加密时的初始值x² ₀(即 $x_0^2=x_{N_1}$ )。因此，既不需要使用同步混沌系统，也不使用混沌控制和寻的技术，而只利用混沌系统的遍历特性和ε-区间与明文基元之间的一一对应关系就可根据明文基元序列获得相应的密文。在信息接收端(即解密端)，从与信息发送端(即加密端)相同的初值x¹ ₀出发，计算映射(1)的第N₁次的迭代值

，然后根据码本中

所在的ε-区间求出对应的明文基元。并且以此时迭代值 作为对下一密文基元解密时的初值x² ₀(即

)。因此，根据迭代次数(密文)和m+2个密钥：m个ε-区间与m个明文基元之间的一一对应关系，第一个初始条件x¹ ₀和混沌映射(1)的控制参数μ就可译出相应的明文。

但是，为了提高加密强度，本发明在对明文基元序列中的每一基元加密之后，使用本发明提出的“洗牌算法”对当前码本(即m个ε-区间与m个明文基元之间的一一对应关系)进行动态修改，从而形成动态码本。

在此，先介绍洗牌算法：

标准纸牌自1872年起源于美国以来，经历了一个多世纪的演变与发展，早已在全球范围内得到非常广泛的普及。它不仅流行于各种民间娱乐活动(包括赌博和占卜)中，而且也已出现在世界性的正式竞技比赛项目——桥牌之中。为了保证这些娱乐活动和比赛的公平与可信，就必须使经过洗牌之后的每张纸牌的排列顺序具有良好的“随机性”。根据达尔文的进化理论，历经100多年漫长时间的“演化”和“选择”，从而形成的洗牌方法无疑是满足上述要求的有效方法。受此启发，本发明提出了对上述码本进行动态修改的“洗牌”算法。

1．弹洗算法S_cb(p,q)

先将序列0,1,2,…,254,255等分成两子序列0,1，…,126,127和128,129,…254,255，然后将两子序列按q间距交叉重组p次构成新的序列。若最后剩下的元素不足q个时，则只要将剩余部分进行直接交叉。例如S_cb(2,3)操作的第一次变换结果是：

0,1,2,128,129,130,3,4,5,131,132,133,…,123,124,125,251,252,253,126,127,254,255。

然后对此新的序列同前一次一样再弹洗一次即可。

2．抽洗算法D_cb(p,q)

以p、q为前、后边界，从序列0,1,…,p-1,p,…,q,q+1,…,255之中，将其部分抽取出，然后将该部分放回到原序列的头部。完成算法D_cb(p,q)后的结果序列为：

p,…,q,0,1,,…,p-1,q+1,…255

若q＜p时，则以q、p为前、后边界，从序列0,1,…,q-1,q,…,p,p+1,…,255之中将其部分抽出，然后将该部放回到原序列的头部。

3．切牌算法T_cb(p)

以p为边界将序列0,1,…,p-1,p,p+1,…,255前后交叉。完成算法T_cb(p)后的结果序列为：

p+1,…,255,0,1,…,p-1,p

显然，当q=255(或p=255,q＜p)时，抽洗算法D_cb(p,255)实质上就是切牌算法T_cb(p)，因此，切牌算法是抽洗算法的特例。

必须指出：为了叙述方便，在此不失一般性地将初始序列设定为按自然顺序排列的序列，即0,1,…,254,255。显然，对不同的初始序列都可做同样的处理。

码本的动态修改算法如下：

设当前码本B_p和明文基元U_p，由此可计算出相应的密文基元N_c，对加密U_p时的映射轨迹分别进行三次取样，取样点的迭代次数分别为N_c ⁰,N_c ¹,N_c ²，此时对应的迭代值分别为

，与这些迭代值在码本B_p中所在ε-区间相对应的基元分别称为码字

，码位b_k ^j∈{0,1},k=0,1,A,i-l)。并且对应于码字的十进制数值 $D_{N_c^j}=\underset{k=0}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}{b}_k^j\×2^k--j=\mathrm{0,1,2}$ 本发明是以i=8为例。根据取样点N_c ⁰,N_c ¹和N_c ²所对应的码字

和

，在对明文基元序列中的下一明文基元加密之前，使用表1中所定义的洗牌指令对当前码本B_p依 和

次序分别逐一进行变换。

表1由码字所给的码本变换指令集

表中u=mod((j+1),3)，v=mod((j+2),3)，j=0,1,2，算法S_cb(p,q)，D_cb(p,q)和T_cb(p)中的参数p和q是指码本B_p中ε-区间的序号。

下面以具体实例结合附图来说明本方法的实现过程：

在信息发送端(即加密端)，加密算法如图1、图2所示。将混沌吸引子的一部分(0.2,0.8)，划分为2⁸=256个等间隔的ε-区间，每一子域的大小ε=0.00234375。每一ε-区间与明文基元集中的每一基元一一对应，形成码本B_p。当对一明文基元U_p加密时，先查到其在当前码本中所对应的ε-区间，然后以初始值x¹ ₀迭代N⁰ _c次，得迭代值 ，若 落在区间(0.2,0.8)之外，则继续迭代，直到迭代值落于区间(0.2,0.8)。在当前码本中，查到与之对应的码字 。然后，继续迭代N¹ _c次，得迭代值 (若 落在区间(0.2,0.8)之外，则继续迭代，直到迭代值落于区间(0.2,0.8))又可从当前码本中，查到与之对应的码字

。继续迭代N² _c次，得迭代值 (若

落在区间(0.2,0.8)之外，则继续迭代，直到迭代值落于区间(0.2,0.8))又可从当前码本中，查到与之对应的码字 。之后继续迭代，直到迭代轨迹抵达基元U_p所对应的ε-区间，记录总的迭代次数N，此即是所求的密文单元。在完成对每一明文基元加密之后，需要根据对应于取样点(N_c ⁰,N_c ¹和N_c ²)的码字( 和 )所 给出的译码指令，对当前码本B_p进行变换，由此所获得新的码本就是对下一个明文基元加密时的码本。

为了节约加密时间，本发明希望对任一基元加密时，迭代次数N不能太大。由于混沌系统具有固有的稠密特性，抵达同一个ε-区间的轨道有无数多个，其中有的相对较短，有的较长。本发明可以选择一些比较短的轨道，这样N就不会太大，从而不会消耗太多的时间。本发明设定迭代次数N≤65532例如本发明可以选择如下初始值x0和系统控制参数μ：0.43203125000000,3.78)，(0.2323230000000,3.8)，(0.65476546500000,3.8)。为保证精度，迭代值保留小数点后14位。

加密所生成的密文以二进制格式传送。但每一密文单元的长度都不相等，收方难以确定多少个比特为一个密文单元。因为迭代次数N的大小在1至65532之间，要用1至16个比特来表示，本发明可以在每个密文单元前加字头L，L占4比特，L的值表示其后多少个比特为一个密文单元。格式如下：

L

N

4bit    变长(小于等于16bit)

在信息接收端(即解密端)，解密算法如图3所示，其中1a表示该帧含有的密文单元数。收方在解密时，先取前面的4个比特，得到L，再取其后的L比特，就可以得到真正的密文N，以相应的初始值迭代N次，得到

，在当前码本中查到

所在区间对应的明文基元U_p。在完成对每一密文基元的解密之后，需要根据对应于取样点(N_c ⁰,N_c ¹和N_c ²)的码字( 和

)所给出的译码指令，对当前码本B_p进行相应的变换，由此得到对一下密文基元解密时的新码本。因此，根据迭代次数N_c和m+5个密钥：——动态码本B_p(m个ε-区间与m个明文基元之间的一一对应的动态关系)及三个取样点(N_c ⁰,N_c ¹和N_c ²)，第一个初始条件x¹ ₀和混沌映射(1)的控制参数μ就可译出相应的明文。

本加密与解密算法所用的密钥是x₀、μ、N⁰ _c,N¹ _c,N² _c以及初始码本，密钥的传输可以采用动态密码系统，动态密码系统可以使收、发方产生同步的动态密码。可以采用动态密码与发方选择的x₀、μ、N⁰ _c，N¹ _c，N² _c以及编码C作异或运算，然后发送到对方。收方用同样的动态密码与收到的数据作异或运算，就可以解出x₀、μ、N⁰ _c,N¹ _c,N² _c以及编码C，C是由发方给收方发送一个经过加密的原始码本修改编码。这样，发方在每次加密通信前将所用的x₀、μ、N⁰ _c,N¹ _c,N² _c以及编码C经加密后传送给收方：收方收到这些信息后，解密就可得到所需的x₀、μ、N⁰ _c,N¹ _c,N² _c以及编码C，然后收方对原始码本(原始码本都依基元二进制数的大小顺序排列)按编码C进行修改就可得到解密所用的初始码本。

加密通信系统的网络结构可采用如图4所示的层次结构，网络中心的网络为主干网，通过Cisco 6506千兆以太交换机，连接三台HP LH-3/450三台服务器和一台网管工作站，二级别的交换机使用的是Cisco Catalyst 2000，在各个二级单位工作站采用的是联想奔月2000(PⅡ 350 4.3G内存64M)。路由器通过网络中心的主要交换机出本地网络，路由器采用Cisco 2500。各个交换机的端口采用的是以太网络接口，网卡采用10/100M网卡。在服务器上运行的是WindowsNT+SP4，在普通工作站上运行的是Windows 9X。

由图4可以看出，加密通信系统对现有网络系统的改造并不大，仅仅只是在每个终端上加上加/解密装置而已，其中的加/解密装置可以是采用上述加/解密算法的，并利用FPGA技术实现的硬件系统，本发明采用XILINX公司的FPGA芯片XC4052XL-PG411C，实现FPGA的开发采用带有LogiCORE DS库的Foundation标准系统。其中的加/解密系统还可以是在计算机上运行的软件程序。

本加/解密装置不仅可以用于网络系统，还可用于电话和有线电视的信息安全保护，仅需在加/解密系统的前端加上模/数转换，并在后端加上数/模转换即可。

Claims (2)

1．一种用于信息安全的加/解密系统，它包括软、硬件系统，其特征在于：加/解密过程是采用下列步骤进行的：

①．将选定的混沌系统的混沌吸引域或其子域划分为m=2ⁱ个ε-区间(i为基元比特数)，每一个ε-区间与基元集中的每一基元一一对应，按基元所对应十进制数的大小，从小到大与ε-区间顺序对应，构成通信双方的原始码本；

②．收、发双方初始化：首先，呼叫方设置混沌系统的控制参数μ、初始条件x¹ ₀、相空间轨迹采样点(N⁰ _c，N¹ _c，N² _c)和对原始码本进行变换的指令编码，并根据该指令编码对原始码本进行变换，构成呼叫方的初始码本；然后，将混沌系统的控制参数μ、初始条件x¹ ₀、相空间轨迹采样点(N⁰ _c，N¹ _c，N² _c)以及对原始码本进行变换的指令编码组成一帧，并对其加密之后，传给被叫方；被叫方对传送过来的该密文数据进行解密之后，即可获得与呼叫方相同的混沌系统的控制参数μ、初始条件x¹ ₀、相空间轨迹采样点(N⁰ _c，N¹ _c，N² _c)和对原始码本进行变换的指令编码；然后，根据该指令编码对原始码本进行变换，形成被叫方的初始码本；

③．在加密方，将待加密的二进制数据流按i比特的长度划分成基元；在解密方，将待解密的二进制数据流按拟定的通信协议划分成基元；

④．从明文基元序列中顺序取出一个待加密基元，或从密文基元序列中顺序取出一个待解密基元，确定该基元所在ε-区间；

⑤．在加密方，从初值x^k ₀出发，使混沌系统的相空间轨迹抵达当前码本B_p中待加密明文基元所在的ε-区间，其所需要的迭代次数N_c就是加密该明文基元的密文基元；并且将此时的迭代值

作 为对明文基元序列中下一个基元进行加密时的初值x^k+1 ₀；在解密方，从初值x^k ₀出发，计算混沌系统的第N_c次迭代值

，根据当前码本B^k _p中

所在的ε-区间获得对应的明文基元，并以此次的迭代值

作为对下一密文基元解密时的初值x^k+1 ₀；

⑥．通信双方根据与混沌系统相空间轨迹取样点(N⁰ _c，N¹ _c，N² _c)上的迭代值 所对应的码字

所给出的译码指令，应用洗2q牌算法分别对通信双方的当前码本B_p ^k进行变换，所获得新的码本作为对下一个明文基元加/解密时的码本B_p ^k+1；

⑦．重复步骤4-6直至串结束符则结束加/解密。

2、根据权利要求1所述的加/解密系统，其特征在于：该加/解密系统为加/解密装置，其输入端与原有通讯系统的输出端相连接；其输出端直接与通讯线路相连接；若原有的通讯系统传输的信息是模拟信号，则在加/解密装置的前端加上模/数转换接口，在后端加上数/模转换接口。

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