應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的信息加解密系統(tǒng)設(shè)計

郭晟南+蔣學(xué)勤

摘 要： 針對傳統(tǒng)應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)中信息加密處理的問題，提出一種應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的信息加解密系統(tǒng)設(shè)計。采用HIE算法對數(shù)據(jù)信息進行混亂處理，處理后的數(shù)據(jù)信息即使被泄露在沒有解譯編碼的情況下也無法進行讀取，同時使用超混沌計算處理，保證了數(shù)據(jù)加密的嚴謹性，避免信息通過概率破譯的可能性。為了驗證設(shè)計的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的信息加解密系統(tǒng)的有效性，設(shè)計了對比仿真實驗，實驗數(shù)據(jù)表明，設(shè)計的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的信息加解密系統(tǒng)能夠有效地對信息數(shù)據(jù)進行加密。

關(guān)鍵詞： 應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)； 信息加解密系統(tǒng)； HIE算法； 超混沌計算

中圖分類號： TN92?34 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）17?0094?04

Design of information encryption and decryption system

for emergency communication network

GUO Shengnan1， JIANG Xueqin2

（1. School of Electrical and Information Engineering， Guizhou Institute of Technology， Guiyang 550003， China；

2. Guizhou Institute of Technology， Guiyang 550003， China）

Abstract： In order to solve the problem of information encryption in traditional emergency communication network， a design of information encryption and decryption system for emergency communication network is proposed. HIE algorithm is used to perform the chaos processing for data information. The processed data information without decoding can′t be read， even if it is leaked. The hyperchaos calculation processing is adopted to guarantee the rigor of data encryption， and avoid the possibility of information decoding by means of probability. In order to verify the effectiveness of the information encryption and decryption system for emergency communication network， the contrast and simulation experiment was designed. The experimental data shows that the information encryption and decryption system of emergency communication network can encrypt the information data effectively.

Keywords： emergency communication network； information encryption and decryption system； HIE algorithm； hyperchaos calculation

0 引 言

應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)是針對發(fā)生緊急事故時使用的通信網(wǎng)絡(luò)裝置，是保證事故能夠進行緊急連接的應(yīng)急裝置。通過不同的信息技術(shù)手段，運用一定的信息安全技術(shù)條例以及信息傳輸加密措施對需要進行傳輸?shù)男畔⑦M行快速傳輸，應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)是保證出現(xiàn)事故時能夠進行應(yīng)急通信的主要手段[1?2]。在使用相應(yīng)的傳輸技術(shù)手段進行信息應(yīng)急傳輸?shù)那闆r下，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息加密通過加密信息的手段進行加密，在很大程度上容易出現(xiàn)概率破譯的情況[3?4]。針對上述情況，本文設(shè)計了一種應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的信息加解密系統(tǒng)，使用HIE計算方法進行數(shù)據(jù)信息的混亂編碼，經(jīng)過混亂編碼過后的信息數(shù)據(jù)在沒有翻譯編碼的情況下很難被破譯，極大地保證了數(shù)據(jù)信息的安全性。運用超混沌系統(tǒng)對翻譯過后的數(shù)據(jù)信息進行混沌計算，計算過程對不同類型的信息形式進行混沌處理，保證數(shù)據(jù)信息能夠快速準(zhǔn)確的進行翻譯和加密，并且通過混沌處理的信息能夠消耗較小的能量進行傳輸，非常適用于應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)。傳統(tǒng)的保密通信適用的信道需要非常高的要求，使用本文的設(shè)計方法能夠在極小的信道上進行傳輸，有效地保證了信息的傳輸概率，同時通過HIE計算過后的信息屬性發(fā)生了改變，能夠進行斷續(xù)傳輸，如果出現(xiàn)信號中斷的情況，發(fā)送的信息會自動編碼為未讀信息，當(dāng)通信無阻時，重新進行依附發(fā)送。為了保證本文設(shè)計的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的信息加解密系統(tǒng)具有一定的可靠性，設(shè)計了對比仿真實驗，通過實驗數(shù)據(jù)表明，本文設(shè)計的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)信息加解密系統(tǒng)能夠有效地進行數(shù)據(jù)的加密傳輸。

1 應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的信息加解密系統(tǒng)設(shè)計方案

1.1 硬件設(shè)計

應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的信息加解密系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備的核心是網(wǎng)絡(luò)前端芯片[5?6]。另外，系統(tǒng)還包括TPM安全芯片控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換連接端口、信息編輯模塊、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、時間顯示系統(tǒng)、串行通信接口、聯(lián)絡(luò)端網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急接口、以太網(wǎng)、備用電力系統(tǒng)等[7]。該系統(tǒng)前端設(shè)備的內(nèi)部各模塊結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。endprint

1.2 使用HIE算法進行信息混亂處理

HIE算法主要是對傳輸?shù)男畔?shù)據(jù)進行擴散和混亂處理，這樣可以保證本文設(shè)計的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的信息加解密系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)能夠進行有效加密。

HIE算法的擴散加密過程如下：

設(shè)為需要進行加密的數(shù)據(jù)，加密程度矩陣記為在HIE算法中，首先利用Logistic映射進行數(shù)據(jù)擴散，過程為：

（1）

式中：表示信息單元的擴散能力；表示信息數(shù)據(jù)的大小；表示擴散的匹配系數(shù)；是對應(yīng)的信息擴散轉(zhuǎn)變過程的信息差量；表示信息數(shù)據(jù)擴散過程中出現(xiàn)的焓值差。通過式（1）可以把多元信息轉(zhuǎn)變成為單元信息進行處理。HIE算法擴散計算公式為：

（2）

式中：分別為擴散前與擴散后的信息，在計算中要保證-0.7≤≤0.7。分解計算如下：

（3）

（4）

式中：表示信息傳輸取絕對值；表示擴散權(quán)值；表示信息能夠依附的信道寬度。通過擴散計算便可以進行擴散加密處理，過程如下：

（5）

式中：為數(shù)據(jù)信息進行擴散加密的三要素，分別表示信道參數(shù)值域、極限依附值、極限擴展值；Length為信息數(shù)據(jù)參數(shù)擴散熵；為匹配函數(shù)值；表示移動需要進行次迭代處理；表示異或數(shù)據(jù)值；表示通過處理后的加密值。為了方便數(shù)據(jù)信息的解密，設(shè)置解密過程與加密過程相似：

（6）

經(jīng)過擴散加密后的信息數(shù)據(jù)的安全性還不是很高，使用對應(yīng)的傳輸密鑰就可以進行破解，同時，在傳輸過程中也無法適用于本文設(shè)計的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的信息加解密系統(tǒng)，因此還需要使用HIE算法進行混亂處理，假設(shè)信息為三組明文矩陣和分別可表示為：

（7）

根據(jù)HIE加密算法中的混亂度計算，得到明文矩陣和對應(yīng)的密文矩陣和如下：

（8）

式中為明文矩陣經(jīng)過倒敘排列混合后的矩陣。如果想要破譯混亂矩陣必須經(jīng)過以下的三個步驟。假設(shè)三組信息對應(yīng)的矩陣為：

（9）

經(jīng)過密文分類后，可以得到對應(yīng)的解密密文矩陣：

（10）

經(jīng)過密鑰分解后的可以得到原矩陣中的相關(guān)矩陣信息：

（11）

得到就能夠進行信息識別：

（12）

HIE算法的密鑰不變，所以每次進行加密的過程是一樣的，因此解碼的過程也相同。經(jīng)過HIE處理加密的數(shù)據(jù)信息能夠適用于設(shè)計的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的信息加解密系統(tǒng)，同時加密程度也顯著提高。但是通過概率計算還是可以進行破譯的，因此本文還對信息進行超混沌加密。

1.3 超混沌計算加密

根據(jù)傳輸信息的特點進行數(shù)據(jù)的超混沌計算，保證本文設(shè)計的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的信息加解密系統(tǒng)能夠?qū)?shù)據(jù)信息進行深度加密，超混沌計算預(yù)處理如下：

（13）

式中：分別為數(shù)據(jù)信息對應(yīng)的跳頻極限上值、下值、寬度值、前行值；表示數(shù)據(jù)信息的律動性。經(jīng)過預(yù)處理的數(shù)據(jù)便可以進行超混沌加密，過程為：

（14）

（15）

式中：分別為混沌密鑰的計算極限值，可以對信息的搭配混亂度以及有序性進行調(diào)整；為數(shù)據(jù)加密過程的適應(yīng)度；為原始數(shù)據(jù)的適應(yīng)度。經(jīng)過混沌處理過后的數(shù)據(jù)能夠保持較高的加密性，進行解碼的公式如下：

（16）

綜上所述，本文設(shè)計的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的信息加解密系統(tǒng)運用HIE計算方法進行系統(tǒng)的信息加密，還使用了超混沌計算加密的方式，通過超混沌計算加密能夠使數(shù)據(jù)達到高級的加密程度，有效地防止概率破譯的發(fā)生。

2 仿真實驗分析

為了測試本文設(shè)計的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的信息加解密系統(tǒng)能夠?qū)?yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)中的信息進行加密，設(shè)計了對比仿真實驗。在應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)中使用傳統(tǒng)的方法進行加密，同時使用本文設(shè)計的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的信息加解密系統(tǒng)進行加密，然后使用對應(yīng)的破譯方法進行破譯，為了驗證實驗的有效性，同時進行加密傳輸。

2.1 參數(shù)設(shè)定

為了保證設(shè)計的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的信息加解密系統(tǒng)能夠有效的對時局進行加密，設(shè)置明文矩陣經(jīng)過倒敘排列混合后的矩陣在[100 350]值域內(nèi)；設(shè)置信息數(shù)據(jù)參數(shù)擴散熵為5.4；保證使信息能夠依附的信道寬度在適用范圍之內(nèi)。根據(jù)上述仿真設(shè)定的參量以及環(huán)境設(shè)定進行實驗，結(jié)果如下。

2.2 結(jié)果分析

傳統(tǒng)加密方法的數(shù)據(jù)破譯概率如圖2所示。分析圖2結(jié)果得知，傳統(tǒng)的加密方法破譯率很高，通過圖像可以看出，信息進行傳輸?shù)倪^程中就可以被破譯出來，破譯率超過5以上說明基本已經(jīng)被破譯。

本文系統(tǒng)的數(shù)據(jù)波動結(jié)果如圖3所示。分析圖3結(jié)果得知，本文設(shè)計的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的信息加解密系統(tǒng)在圖像上的所有點都沒有超過5的范圍，即使有一定程度上的破譯，但是很難得知信息的具體情況。

綜上所述，本文設(shè)計的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的信息加解密系統(tǒng)能夠有效地對應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)中的信息進行加密，即使使用對應(yīng)的破譯系統(tǒng)都無法進行破譯，說明能夠達到較高的加密程度。

3 結(jié) 語

本文設(shè)計了一種應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的信息加解密系統(tǒng)，運用HIE計算方法對傳輸信息進行加密，通過HIE加密的數(shù)據(jù)信息能夠有效達到中度加密，為了防止使用概率破譯，本文還使用了超混沌計算加密的方式，通過超混沌計算加密能夠把中度加密數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到高度加密的程度，有效地防止了破譯概率的發(fā)生。

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