CN1431793A - 混沌加密与传统加密性能互补的级联信息加密系统 - Google Patents

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本发明是一种混沌加密与传统加密性能互补的级联信息加密系统，它由混沌加密级和传统加密级相互级联组成的信息发送器、信息传输通道、传统解密级和混沌解密级相互级联组成的信息接收器三部分共同构成。本发明以硬件实现的闭环混沌密钥发生器组成前级加密，并以传统加密级作为后级加密，所组成的信息加密系统利用了前者混沌密钥信号的不可预测性和后者的成熟密钥空间设计技术以及安全性较容易评估的特点，实现两种加密级的性能互补，可在一定程度上实现“一次一密密码”的目标，使其抗攻击能力明显高于其中的任一单独信息加密系统，整个系统不存在比穷举攻击更加有效的破译方法。

Description

混沌加密与传统加密性能互补的级联信息加密系统
(一)技术领域
本发明涉及信息加密技术领域，特别涉及混沌加密技术，具体是指一种混沌加密与传统加密性能互补的级联信息加密系统。
(二)背景技术
传统信息加密系统是基于传统密码学原理，以离散值—离散时间方式运行；系统的保密性不依赖于对加密体制或算法的保密，而依赖于密钥，一般采用伪随机数作为密钥；因其明文和密文的一对分组唯一对应，即密钥信号具有可预测性，这是它可能被破译的关键原因；但传统加密系统具有成熟的密钥空间设计技术，且其安全性较容易评估。混沌信息加密系统是采用不可预测的混沌信号的加密系统，通常以连续值—连续时间方式运行，不存在唯一对应的明文、密文对，而且密钥信号产生器是可以不公开的；但目前混沌加密系统没有解决密钥空间的设计问题，系统安全性只能依靠有限的数值仿真算法来检验。另外，利用混沌初始值确定的相轨演化作为加密算法的加密系统，属伪混沌加密系统，其可作为密钥参数的电路参数数目较少、容易被识别，是其系统安全性差的主要原因。真正含义上的混沌加密系统，利用不可预测的密钥信号时，这种初始值便不能利用作为密钥参数。
(三)发明内容
本发明的目的就是为了解决上述现有技术中存在的不足之处，提供一种混沌加密与传统加密性能互补的级联信息加密系统。该系统采取混沌加密系统和传统加密系统相结合的级联方案，使两者的优势均得以发挥，使整个加密系统具有足够大的密钥空间，使之不存在比穷举攻击更加有效的破译方法，明显提高抗攻击能力。
本发明所述一种混沌加密与传统加密性能互补的级联信息加密系统，其特征是，它由信息发送器、信息传输通道和信息接收器三部分相互连接组成；其中，信息发送器由混沌加密级和传统加密级相互级联组成，信息接收器由传统解密级和混沌解密级相互级联组成。
为了更好地实现本发明，所述混沌加密级由信息源、闭环混沌密钥发生器、混沌加密器、信息合成器、相图变换器共同组成，其中，信息源和闭环混沌密钥发生器通过输出信号线与混沌加密器相连接，闭环混沌密钥发生器同时通过同步信号线与信息合成器相连接，混沌加密器通过加密输出信号线与信息合成器相连接，信息合成器通过输出信号线与相图变换器相连接；所述传统加密级由A/D变换器、随机数密钥、传统加密器共同组成，其中，A/D变换器和随机数密钥分别通过输出信号线与传统加密器相连接；所述传统解密级由随机数密钥、传统解密器、D/A变换器共同组成，其中，随机数密钥与传统解密器相连接，传统解密器通过输出信号线与D/A变换器相连接；所述混沌解密级由相图变换器、信息分解器、闭环混沌密钥发生器、混沌解密器、信息源共同组成，其中，相图变换器通过输出信号线与信息分解器相连接，信息分解器通过输出信号线与混沌解密器相连接，同时通过同步信号线与闭环混沌密钥发生器相连接，闭环混沌密钥发生器也通过输出信号线与混沌解密器相连接，混沌解密器的输出信号为信息源；所述闭环混沌密钥发生器和混沌加密器可以组合在一起，由线性电路链、单向耦合器、非线性电路链共同连接组成，其中，线性电路链通过输出信号线与单向耦合器相连接，单向耦合器通过输出信号线与非线性电路链相连接，非线性电路链通过输出信号线再与线性电路链相连接。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1.本发明采用混沌加密和传统加密相结合的互补级联加密方案组成信息加密系统，由于两个子系统的优缺点互为补偿，克服了各自的不足，使双方的优势均得以发挥。
2.在本发明中，由硬件实现的闭环混沌密钥发生器产生不可预测的混沌密钥信号，在一定程度上达到“一次一密密码”的真正混沌加密的目标。
3.本发明解决了整个加密系统具有足够大的密钥空间的设计问题，
4.本发明的抗攻击能力明显高于其中的任一单独信息加密系统，而整个系统不存在比穷举攻击更加有效的破译方法。
(四)附图说明
图1是本发明的总结构图；
图2是本发明的基带系统方框图；
图3是本发明中由硬件实现的组合的闭环混沌密钥发生器和混沌加密器电路方框图；
图4是本发明实施例中组合的闭环混沌密钥发生器和混沌加密器的电路原理图。
(五)具体实施方式
如图1所示，本发明由混沌加密级1和传统加密级2相互级联组成的信息发送器、信息传输通道3、传统解密级4和混沌解密级5相互级联组成的信息接收器三部分共同构成。
如图2所示，信息源6和闭环混沌密钥发生器7的输出信号送到混沌加密器8，闭环混沌密钥发生器7同时产生的同步信号9和混沌加密器8输出的加密信号送到信息合成器10，信息合成器10的输出信号送到相图变换器11，相图变换器11的输出信号送到A/D变换器12，A/D变换器12的输出信号和随机数密钥13分别送到传统加密器14；传统加密器14的输出信号通过信息传输通道3，并且和随机数密钥16一起送到传统解密器15，传统解密器15的输出信号送到D/A变换器17，D/A变换器17的输出信号送到相图变换器18，相图变换器18的输出信号送到信息分解器19，信息分解器19的输出信号送到混沌解密器22，同时输出同步信号20送到闭环混沌密钥发生器21，闭环混沌密钥发生器21的输出信号也送到混沌解密器22，混沌解密器22的输出信号为信息源23。
如图3所示，在组合的闭环混沌密钥发生器和混沌加密器中，线性电路链24的输出信号送到单向耦合器25，单向耦合器25的输出信号送到非线性电路链26，非线性电路链26的输出信号再回送到线性电路链24。
如图4所示，线性电路链24由电压跟随器A1、电阻R1、电感L、电感的损耗电阻R、电容C1共同电气连接构成；单向耦合器25由电压跟随器A2组成；非线性电路链26由加法器M、传输系数K、电压跟随器A3、电阻R2、非线性负阻NR和电容C2共同电气连接构成。
本发明的工作原理为：未加密的信息源6和闭环混沌密钥发生器7产生的密钥信号一起送到混沌加密器8进行加密处理，闭环混沌密钥发生器7同时产生同步信号9，同步信号9和混沌加密器8的输出信号经过一种具有单刀双掷定时开关功能的信息合成器10进行调制编辑，输出连续性混沌加密信号，经后续的相图变换器11处理，使混沌加密信号具有更强的随机性；连续性混沌加密信号送到传统加密级中的A/D变换器12进行离散数字化处理，变成混沌加密的数字信号，用作传统加密器14的信息源，和随机数密钥13一起在传统加密器14中进行传统加密处理，其输出作为信息发送器的加密信号，经信息传输通道3传送到信息接收器，用作传统解密器15的待解密信息源，并与随机数密钥16一起在传统解密器15中进行解密处理，得到只含混沌加密的离散数字信号，经D/A变换器17还原为连续性混沌加密信号，再经相图变换器18进行随机性解密逆处理，然后送到信息分解器19进行信号分解处理，其输出信号一方面送到混沌解密器22，另一方面分解出的同步信号20则送到闭环混沌密钥发生器21，使之产生混沌密钥信号并送到混沌解密器22，经混沌解密器22解密处理，还原出已解密的信息源23。
在本发明中，组合的闭环混沌密钥发生器和混沌加密器的电路工作原理是：电感L、电感的损耗电阻R、电容C1组成的振荡电路通过电压跟随器A2的单向耦合作用，与电阻R2、电容C2组成阻尼振荡器，其振荡电压施加到压控的非线性负阻NR上，在相应的参数区段产生混沌振荡信号，该信号通过电压跟随器A1、电阻R1的闭环反馈，作为新的输入再回送到上述的电感L振荡槽路，结果是混沌吸引子的振荡周期轨道不可预测；电阻R1、R2独立可调其中的分岔参数，而传输系数K取值小于1而可控制电路的状态和模式，产生的是双涡卷混沌信号，电压跟随器A1～A3起到提高输入阻抗和降低输出阻抗的作用；本电路利用单向耦合和闭环相结合的方法，未加密的信息源S(t)经加法器M接入，实现对信息的混沌调制，混沌加密信号可从电阻R2和非线性负阻NR之间的节点处引出。本改进的硬件闭环蔡氏电路也可按需要扩展到两级闭环级联的应用之中。
发明人经过研究试验，认为实现本发明的优选方式可为：(1)按图1和2所示结构关系考虑和设计基带系统各部件，其中，信息合成器、信息分解器采用集成电路4051型，A/D变换器用ADS8322型，D/A变换器用DAC7641型，传统加密器、传统解密器可用典型的分组密码DES算法实现，相图变换器采用n级移位运算非线性函数实现，用p(t)表示有用信息，k(t)表示密钥信息，则变换关系为逆变换关系为
Figure A0214979300071
(2)作为本发明实施例的组合闭环混纯密钥发生器和混沌加密器，如图3和4所示，制作电路板，并筛选元器件，例如，电压跟随随器A1～A3可用TL082型，加法器M可用AD712型运放，传输系数K可用分压电阻，NR为蔡氏二极管；按图4所示连接关系进行电路板安装连接，并进行加电调试和测试，便能较好地实施本发明。

Claims (6)

1.一种混沌加密与传统加密性能互补的级联信息加密系统，其特征是，它由信息发送器、信息传输通道和信息接收器三部分相互连接组成；其中，信息发送器由混沌加密级和传统加密级相互级联组成，信息接收器由传统解密级和混沌解密级相互级联组成。
2.根据权利要求1所述的一种混沌加密与传统加密性能互补的级联信息加密系统，其特征是，所述混沌加密级由信息源、闭环混沌密钥发生器、混沌加密器、信息合成器、相图变换器共同组成，其中，信息源和闭环混沌密钥发生器通过输出信号线与混沌加密器相连接，闭环混沌密钥发生器同时通过同步信号线与信息合成器相连接，混沌加密器通过加密输出信号线与信息合成器相连接，信息合成器通过输出信号线与相图变换器相连接。
3.根据权利要求1所述的一种混沌加密与传统加密性能互补的级联信息加密系统，其特征是，所述传统加密级由A/D变换器、随机数密钥、传统加密器共同组成，其中，A/D变换器和随机数密钥分别通过输出信号线与传统加密器相连接。
4.根据权利要求1所述的一种混沌加密与传统加密性能互补的级联信息加密系统，其特征是，所述传统解密级由随机数密钥、传统解密器、D/A变换器共同组成，其中，随机数密钥与传统解密器相连接，传统解密器通过输出信号线与D/A变换器相连接。
5.根据权利要求1所述的一种混沌加密与传统加密性能互补的级联信息加密系统，其特征是，所述混沌解密级由相图变换器、信息分解器、闭环混沌密钥发生器、混沌解密器、信息源共同组成，其中，相图变换器通过输出信号线与信息分解器相连接，信息分解器通过输出信号线与混沌解密器相连接，同时通过同步信号线与闭环混沌密钥发生器相连接，闭环混沌密钥发生器也通过输出信号线与混沌解密器相连接，混沌解密器的输出信号为信息源。
6.根据权利要求2所述的一种混沌加密与传统加密性能互补的级联信息加密系统，其特征是，所述闭环混沌密钥发生器和混沌加密器可以组合在一起，由线性电路链、单向耦合器、非线性电路链共同连接组成，其中，线性电路链通过输出信号线与单向耦合器相连接，单向耦合器通过输出信号线与非线性电路链相连接，非线性电路链通过输出信号线再与线性电路链相连接。
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