嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)混沌加密算法研究

焦紅平，陳小惠，姬雷

(南京郵電大，南京 210003)

0 引言

在信息時代，我們經(jīng)常需要一種措施來保護我們的數(shù)據(jù)，防止被一些懷有不良用心的人所看到或者破壞。在嵌入式系統(tǒng)中，我們也同樣需要對一些機密數(shù)據(jù)進行加密，以防止數(shù)據(jù)在通信過程中被竊取。而嵌入式系統(tǒng)的處理速度相對與PC慢得多，因此，在客觀上就需要一種簡便而快捷的安全措施來保護機密數(shù)據(jù)不被竊取。本文實現(xiàn)了一種高效而簡便的混沌加密算法，能對嵌入式中的數(shù)據(jù)進行有效加密。

1 數(shù)據(jù)加密方法

所謂數(shù)據(jù)加密（Data Encryption）技術(shù)是指將一個信息（或稱明文，plain text）經(jīng)過加密鑰匙（Encryption key）及加密函數(shù)轉(zhuǎn)換，變成無意義的密文（cipher text），而接收方則將此密文經(jīng)過解密函數(shù) 解密鑰匙（Decryption key）還原成明文。加密技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)的基石。

加密算法主要分為對稱和非對稱算法。對稱算法采用相同的密鑰進行加密和解密。常用的對稱加密算法有AES、IDEA、RC2/RC4、Skpjack、DES等,其最大的困難是密鑰分發(fā)問題,必須當(dāng)面或在公共傳送系統(tǒng)(電話系統(tǒng)、郵政服務(wù))中無人偷聽偷看的情況下交換密鑰。非對稱算法,采用公鑰進行加密而利用私鑰進行解密。

公鑰是可以公開的,任何人都可以獲得,發(fā)信人用公鑰將數(shù)據(jù)加密后再傳給收信人,收信人用自己的私鑰解密。但非對稱加密的加密速度慢,對于大量數(shù)據(jù)的加密傳輸是不適合的。非對稱加密算法包括RSA、DH、EC、DSS等。

2 混沌理論

1972年12月29日，美國麻省理工學(xué)院教授、混沌學(xué)開創(chuàng)人之一E．N．洛倫茲發(fā)表了著名的論文《蝴蝶效應(yīng)》，開啟了混沌理論的大門。時至今日，伴隨計算機等技術(shù)的飛速進步，混沌學(xué)已發(fā)展成為一門影響深遠、發(fā)展迅速的前沿科學(xué)?；煦鐏碜杂诜蔷€性動力系統(tǒng)，而動力系統(tǒng)又描述的是任意隨時間發(fā)展變化的過程，并且這樣的系統(tǒng)產(chǎn)生于生活的各個方面。

舉個例子，生態(tài)學(xué)家對某物種的長期性態(tài)感興趣，給定一些觀察到的或?qū)嶒灥玫降淖兞浚ㄈ绮妒痴邆€數(shù)、氣候的惡劣性、食物的可獲性等等），建立數(shù)學(xué)模型來描述群體的增減。如果用Pn表示n代后該物種極限數(shù)目的百分比，則著名的“Logistic映射”：

Pn+1=kP(1-Pn）(其中k是依賴于生態(tài)條件的常數(shù)，“n+1”是腳標(biāo)）

可以用于在給定Po，k條件下，預(yù)報群體數(shù)的長期性態(tài)。如果將常數(shù)k處理成可變的參數(shù)k，則當(dāng)k值增大到一定值后，“Logistic映射”所構(gòu)成的動力系統(tǒng)就進入混沌狀態(tài)。

在一般情況下，Pn+1=kP(1-Pn）可以換成適當(dāng)?shù)姆蔷€性函數(shù)，以改進混沌的值域、遍歷行、偽隨機性等。

混沌方法具有初值敏感，參數(shù)可控性和偽隨機性，這些特性正好吻合數(shù)據(jù)加密的兩條原則：擴散和混亂，故混沌算法很適合用來進行數(shù)據(jù)加密。

3 BMP格式說明

BMP是bitmap的縮寫形式，bitmap顧名思義，就是位圖也即Windows位圖。它一般由4部分組成：文件頭信息塊、圖像描述信息塊、顏色表（在真彩色模式無顏色表）和圖像數(shù)據(jù)區(qū)組成。

3.1 文件頭信息塊

0002-0005：文件大小。

0006-0009：保留，每字節(jié)以“00”填寫。

000A-000D：記錄圖像數(shù)據(jù)區(qū)的起始位置。各字節(jié)的信息依次含義為：文件頭信息塊大小，圖像描述信息塊的大小，圖像顏色表的大小，保留（為01）。

3.2 圖像描述信息塊

000E-0011：圖像描述信息塊的大小，常為28H。

0012-0015：圖像寬度。0016-0019：圖像高度。

001A-001B：圖像的plane總數(shù)（恒為1）。

001C-001D：記錄像素的位數(shù)，很重要的數(shù)值，圖像的顏色數(shù)由該值決定。

001E-0021：數(shù)據(jù)壓縮方式（數(shù)值位0：不壓縮；1：8位壓縮；2：4位壓縮）。

0022-0025：圖像區(qū)數(shù)據(jù)的大小。

0026-0029：水平每米有多少像素。002A-002D：垂直每米有多少像素。

002E-0031：此圖像所用的顏色數(shù)，如值為0，表示所有顏色一樣重要。

4 混沌加密算法

4.1 混沌算法簡單舉例

本文采用了一種有效而簡便的加密算法對文件進行加密。加密算法如圖1所示。

圖1 加密算法框圖

該算法將前面的密文和后面的明文一起進行加密，通過對密文進行非線性運算，而達到混沌的效果。當(dāng)然，對于文件的開始，需要設(shè)置初始密文，即加密密碼。該算法的核心是選取合適的非線性函數(shù)，使得算法復(fù)雜度小，且加密效果高效。下面以二次方函數(shù)為例,對lena圖進行數(shù)字加密：

所采用非線性函數(shù)：Y=X^2

則加密算法為：Yn+1=[Yn^2-p]%256;（Yn+1為加密后數(shù)據(jù)，Yn為上一次的加密數(shù)據(jù)，p為原始數(shù)據(jù)。）

加密效果如圖2所示。

圖2 加密前后對比

由圖2可以看出，經(jīng)過相對簡單的二次方函數(shù)加密圖像已被混沌掩蓋，但還有一些輪廓顯現(xiàn)，可以通過改進加密函數(shù)，提高圖像加密效果。

4.2 改進后的算法

改 進 后 的 算 法 為 ：Yn+1=[Yn*（Yn%pwe）-p]%256;（Yn+1為加密后數(shù)據(jù)，Yn為上一次的加密數(shù)據(jù)，p為原始數(shù)據(jù)，pwe為加密密碼。）

加密效果如圖3所示。

圖3 改進后的加密效果

如圖中可以看出，圖像的加密效果得到大大改進。圖像已完全被混沌掩蓋。

對圖像進行灰度分析，如圖4所示。

圖4 灰度分析

由色彩分布直方圖分析，可以看出圖像灰度均衡，加密效果明顯。

5 算法程序?qū)崿F(xiàn)

通過以上分析，可以得出結(jié)論：此算法簡單高效，加密性高。將此算法應(yīng)用于文件，可對一些數(shù)據(jù)文件進行簡單加密，適合嵌入式系統(tǒng)以及Windows系統(tǒng)的PC實現(xiàn)簡易加密。在Windows下的MFC實現(xiàn)界面如圖5所示。

圖5 MFC界面

界面中，左邊為加密，郵編為解密。加密時，打開文件，輸入0-256之間的密碼，加密或解密后文件以“e_”或“d_”開頭。

核心程序源代碼如下：

int encode()

{

int filesize,flag;

int i,x,y,p;

FILE*fp,*fp2;

//*******************讀取源文件大小

if ((fp=fopen(pathName1,"rb"))==NULL) /*打開原始文件是否正確*/

{

//MessageBox("打開文件失敗！","提示");

return 0;

}

fseek(fp,0L,SEEK_END);

filesize=ftell(fp);

if ((fp2=fopen(saveName1,"wb"))==NULL) /*新建加密文件是否正確*/

{

//MessageBox("打開文件失敗！","提示");

return 0;

}

rewind(fp);

rewind(fp2);

///****************文件加密************

x=pwe;

for(i=0;i＜filesize;i++)

{

flag=i;

fseek(fp,flag,SEEK_SET);

p=fgetc(fp);

y=unsigned char((x*x+(i%pwe)*(i%pwe)+3*x)-p);//

fseek(fp2,flag,SEEK_SET);

fputc(y,fp2);

x=y;

}

fclose(fp);

fclose(fp2);

return 1;

}

6 改進和總結(jié)

（1）可以考慮根據(jù)硬件條件使用更復(fù)雜的加密函數(shù)，已達到更假的加密效果

（2）可以先對數(shù)據(jù)順序進行打亂重排，在進行加密。

（3）可以考慮使用相同的方法進行多次加密。

（4）可以考慮將數(shù)據(jù)進行多級級聯(lián)，算法中關(guān)聯(lián)到前2個或兩個以上數(shù)據(jù)，提高加密性能。

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