基于DSP的混沌語音加密解密系統(tǒng)

葛秀梅， 仲偉波， 李忠梅， 范東升

(江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

隨著Internet的普及及其傳輸速率的提升，網(wǎng)絡(luò)傳輸語音已成為可能，但I(xiàn)nternet的開放性對(duì)語音通信的安全提出了更高的挑戰(zhàn)。語音信號(hào)具有數(shù)據(jù)量大、能量分布不均勻、冗余性高的特點(diǎn)[1]，而混沌系統(tǒng)根據(jù)少量參數(shù)就可以產(chǎn)生滿足密碼學(xué)基本特性的混沌序列，且混沌序列具有短期內(nèi)可預(yù)測但長期不可預(yù)測的特點(diǎn)，非常適合作為加密密鑰并已引起諸多學(xué)者的關(guān)注[2]。雖然近年研究發(fā)現(xiàn)基于混沌流同步加密的方法存在安全方面的問題[3]，但混沌加、解密技術(shù)已成為目前加解密的應(yīng)用研究的熱點(diǎn)[4-5]，并被成功用于語音和圖像加解密中[6-12]。本文把混沌序列作為密鑰，利用其他加密算法對(duì)語音進(jìn)行加密以有效避免混沌流密鑰帶來的失密危險(xiǎn)。

TI的5509A DSP由于其低功耗和快速計(jì)算能力常被用于語音信號(hào)處理中,本文基于該芯片設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種混沌密鑰語音加密系統(tǒng)，發(fā)送端先由根密鑰產(chǎn)生混沌加密密鑰，然后根據(jù)約定的IDEA(International Data Encryption Algorithm)加密算法對(duì)語音數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，加密后的語音密文經(jīng)過傳輸?shù)竭_(dá)接收端。發(fā)送端同時(shí)也將根密鑰加密發(fā)送到接收端，接收端根據(jù)根密鑰和混沌系統(tǒng)自動(dòng)生成解密密鑰。接收端根據(jù)計(jì)算出來的解密密鑰對(duì)接收到的語音密文進(jìn)行解密得語音明文。經(jīng)測試，本文所給出的混沌語音加密系統(tǒng)具體較好的安全性和穩(wěn)定性，可用于語音保密通信中。

1 混沌密鑰及加密算法

系統(tǒng)中混沌語音加、解密可分為混沌密鑰產(chǎn)生和IDEA加解密算法兩部分?；煦缑荑€的產(chǎn)生是將Henon映射和改進(jìn)后的Logistic映射級(jí)聯(lián)生成初始混沌序列，然后對(duì)其進(jìn)行非線性變換得到IDEA加密算法所需的128 b加密密鑰。IDEA是James Massey和來學(xué)嘉提出的數(shù)據(jù)塊加密算法，數(shù)據(jù)塊長度為64 b，密鑰長度為128 b[13]。IDEA算法相對(duì)來說是一個(gè)比較新的算法，其安全性研究也在不斷進(jìn)行，雖然已發(fā)現(xiàn)IDEA也存在諸多弱點(diǎn)，但目前已在PGP，SSL等工程中大量應(yīng)用，仍不失為當(dāng)前最優(yōu)秀加解密算法之一[14]。

系統(tǒng)采用的Henon映射為：

(1)

其中：a=1.4；b=0.3。由于Henon序列取值在[-1.3,1.3]，在DSP的C代碼中采用double類型保存所得的映射序列。系統(tǒng)根據(jù)用戶輸入初值x0,y0進(jìn)行2 000次Henon映射迭代計(jì)算得到長度為2 000的迭代序列，將序列最后一個(gè)分別與第1 800個(gè)和第1 900個(gè)值相乘并取其小數(shù)部分，得到d1=(x1999*x1799)mod1，d2=(y1999*y1799)mod1，其中d1,d2∈(0,1)。

系統(tǒng)采用的改進(jìn)的Logistic映射為:

xn+2=rxn+1(1-xn+1)+(4-r)xn(1-xn)

(2)

其中，xn∈0,1，當(dāng)r∈[0,1.284 9)∪(3.477 6,4]時(shí)除個(gè)別點(diǎn)外系統(tǒng)都處于混沌狀態(tài)，且迭代結(jié)果中不存在空白窗、穩(wěn)定窗以及(0,1)范圍分布不均勻等安全問題[15]。改進(jìn)的Logistic映射的初值x0=d1,x1=d2，經(jīng)過2 000次迭代后，將最后16個(gè)值保存在數(shù)組d[16]={x1984,x1985,…,x1999}中。

為得到IDEA加密算法所需的128 b二進(jìn)制密鑰，需將所得到的混沌序列d[16]作如下非線性變換：將區(qū)間[0,1]分成256個(gè)子區(qū)間，每個(gè)區(qū)間依次用0到255之間的整數(shù)表示，混沌序列d[16]中某元素落在第i個(gè)區(qū)間中，將其置換成整數(shù)i并標(biāo)識(shí)該區(qū)間；若落入的區(qū)間i已標(biāo)識(shí)過，則將i加1模256，直到得到新的整數(shù)為止。如此迭代，即可獲得一個(gè)有16個(gè)不重復(fù)的序列{a0,a1,…,a15}，其中ai∈{0,1,…,255}，將其中元素用二進(jìn)制數(shù)表示，即可得128 b二進(jìn)制密鑰。由于DSP的C語言規(guī)范中unsigned char數(shù)據(jù)類型長度為16 b，將上面得到的16個(gè)8 b密鑰合并組成{b0,b1,…,b7}，其中b0=a0?8+a1,…,b7=a14?8+a15。

IDEA算法是一個(gè)分組長度為64位，密鑰長度為128 b的分組加密算法，由于系統(tǒng)采用的5509A是16 b的定點(diǎn)處理器，為方便和效率考慮，將明文分成四個(gè)16 b的子分組：x1,x2,x3和x4并將其用unsigned short數(shù)據(jù)類型表示，這4個(gè)子分組作為第一輪的輸入并進(jìn)行運(yùn)算，每一輪的輸出作為下一輪的輸入，經(jīng)過8輪運(yùn)算之后，得到最終的輸出變換：y1,y2,y3,y4，將y2,y3兩組交換，得到最終的四個(gè)密文子分組，最后將這四個(gè)子分組重新連接到一起產(chǎn)生密文。IDEA解密過程和加密過程一樣，只是參與運(yùn)算的密鑰不同而已。IDEA具體每輪的計(jì)算過程如圖1所示。

圖1 IDEA加密流程圖

由IDEA加密算法可知，在整個(gè)加密運(yùn)算中總共需要52個(gè)16 b二進(jìn)制子密鑰，這52子密鑰是根據(jù)128 b二進(jìn)制混沌密鑰生成的。52個(gè)加密密鑰在DSP中實(shí)現(xiàn)過程如圖2所示。由IDEA算法可知其加密過程和解密過程相同，所不同的是參與運(yùn)算的密鑰，52個(gè)解密密鑰可由加密時(shí)所使用的52個(gè)加密子密鑰計(jì)算得到，在DSP中實(shí)現(xiàn)過程如圖3所示。其中inv()函數(shù)中要對(duì)65 537求余，因此該函數(shù)中所有變量的數(shù)據(jù)類型都為long，最后將inv()函數(shù)返回的數(shù)據(jù)強(qiáng)制轉(zhuǎn)換為unsigned short類型，由于返回?cái)?shù)據(jù)的取值在unsigned short類型表示的范圍，強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換不會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤。

2 語音加、解密的實(shí)現(xiàn)與測試

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的混沌語音加、解密系統(tǒng)以DSP5509A為核心，使用CCStudio和XDS100V2仿真器進(jìn)行開發(fā)調(diào)試。DSP5509A完成語音信號(hào)的加密解密算法并控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，音頻編解碼芯片TLV320AIC23用來完成語音數(shù)據(jù)的采集和回放，模擬語音信號(hào)經(jīng)過麥克風(fēng)輸入或線輸入，通過TLV320AIC23使之轉(zhuǎn)換為PCM碼，PCM編碼通過多通道緩沖串口McBsp進(jìn)入DSP5509A，并存儲(chǔ)在外擴(kuò)SDRAM中。DSP5509A對(duì)語音PCM碼數(shù)據(jù)進(jìn)行混沌加密并將其通過以太網(wǎng)發(fā)送出去。接收端通過以太網(wǎng)得到語音數(shù)據(jù)密文和混沌根密鑰，先根據(jù)混沌根密鑰計(jì)算出IDEA解密密鑰，然后把語音密文解密成明文。

圖2 加密密鑰求解流程圖

圖3 解密密鑰求解流程圖

系統(tǒng)首先是初始化CSL庫，設(shè)置系統(tǒng)DSP的工作頻率為144 MHz，然后初始化IIC，主要包括設(shè)置地址模式為7 b地址模式、IIC傳輸速率為84 MHz、傳輸字節(jié)中包含16 b及打開數(shù)據(jù)環(huán)路模式，通過IIC對(duì)AIC23進(jìn)行配置和管理，AIC23復(fù)位后設(shè)置AIC23的采樣率為44.1 kHz。配置EMIF為全EMIF接口模式，并初始化DSP的外部SDRAM。對(duì)McBsp0的初始化后，打開McBsp0與AIC23進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的語音加、解密方案的可行性和代碼的正確性與可靠性，先在CCS上進(jìn)行算法的調(diào)試驗(yàn)證，采集從PC播放的音樂數(shù)據(jù)，隨機(jī)保存200個(gè)連續(xù)數(shù)據(jù)，如圖4(a)所示，對(duì)其進(jìn)行混沌加密，加密結(jié)果如圖4(b)所示，此次加密中使用的混沌根密鑰，也即Henon映射的初值為0。將加密密文和根密鑰通過以太網(wǎng)發(fā)送到接收板，接收板根據(jù)根密鑰計(jì)算出解密密鑰并對(duì)數(shù)據(jù)密文進(jìn)行解密，解密后結(jié)果如圖4(c)所示，解密結(jié)果與其明文完全一致。若在解密過程中使用的根密鑰與加密根密鑰不一致，解密結(jié)果則與原明文相差甚遠(yuǎn)，如圖4(d)所示。

圖4(a) 原始語音信號(hào)

圖4(b) 加密語音信號(hào)

圖4(c) 解密語音信號(hào) 圖4(d) 錯(cuò)誤解密語音信號(hào)

從以上結(jié)果可知，本文給出的基于混沌密鑰的IDEA加解密方法適合網(wǎng)絡(luò)語音加、解密，加密后的語音數(shù)據(jù)量不變，但數(shù)據(jù)本身變化很大，對(duì)語音網(wǎng)絡(luò)傳輸不會(huì)造成帶寬上的壓力，同時(shí)也證明了本文給出的基于混沌密鑰的語音加、解密算法對(duì)密鑰的敏感性和有效性。

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的語音混沌加、解密系統(tǒng)實(shí)物圖如圖5所示。圖中左邊的DSP板卡是加密端，右邊的板卡是解密端，從PC機(jī)播放的wav格式的語音通過線輸入傳送到DSP板卡進(jìn)行加密處理后，加密后的數(shù)據(jù)包經(jīng)過以太網(wǎng)傳送到另一端，另一端對(duì)語音包和根密鑰包進(jìn)行解密，由線輸出連接到音響。

圖5 混沌語音加解密系統(tǒng)實(shí)物圖

3 結(jié) 語

本文中將混沌密鑰和IDEA加密算法相結(jié)合進(jìn)行語音加、解密處理以提供網(wǎng)絡(luò)語音的安全性，混沌密鑰的生成采用了Henon映射和改進(jìn)的Logistic映射兩種混沌映射級(jí)聯(lián)迭代，將迭代結(jié)果經(jīng)過非線性替換形成IDEA加密密鑰，采用IDEA加密算法對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行了加解密。經(jīng)多次加、解密測試表明，本文中設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的混沌加密系統(tǒng)能夠滿足語音傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求，使得該系統(tǒng)具有一定的民用價(jià)值和軍用價(jià)值，尤其在物聯(lián)網(wǎng)、海上捕魚漁船之間的通信、多媒體通信等方面有著廣泛的應(yīng)用。但在語音傳輸?shù)倪^程中，語音會(huì)出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，說明該系統(tǒng)還有待進(jìn)一步優(yōu)化，才能達(dá)到更好的加密效果。

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