前沿密碼技術(shù)中的混沌保密技術(shù)

張雪鋒，范九倫

(西安郵電大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院,陜西 西安 710121)

隨著信息技術(shù)的發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)的普及，越來(lái)越多的數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上傳輸和存儲(chǔ)，由于互聯(lián)網(wǎng)具有的開放性、共享性等特點(diǎn)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)安全事件時(shí)有發(fā)生，使得人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)，尤其是圖像、視頻等流媒體數(shù)據(jù)的安全問題日益關(guān)注，如何保證網(wǎng)絡(luò)上流媒體信息的保密性、完整性和可用性已成為信息技術(shù)普及和發(fā)展面臨的一個(gè)重要問題。解決互聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)內(nèi)容安全的主要技術(shù)手段是密碼技術(shù)以及圍繞其所形成的各種安全協(xié)議和信任體系。

目前，廣泛使用的密碼技術(shù)分為流密碼技術(shù)和分組密碼技術(shù)。常見的分組密碼算法,如數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)(data encryption standard，DES)、高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(advanced encryption standard，AES)在加密數(shù)據(jù)時(shí)，均將明文數(shù)據(jù)當(dāng)作二進(jìn)制數(shù)據(jù)流來(lái)處理。雖然，這種加密方式利用了相關(guān)算法加密強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)達(dá)到了加密安全性高的要求，但是，同時(shí)帶來(lái)了運(yùn)算速度慢、難以滿足實(shí)時(shí)性要求的缺點(diǎn)。尤其對(duì)于網(wǎng)絡(luò)中傳輸和存儲(chǔ)的圖像、視頻等多媒體數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，采用上述算法的加密速度是難以容忍的。

混沌(Chaos)是非線性確定性系統(tǒng)中具有的內(nèi)在隨機(jī)現(xiàn)象，具有運(yùn)動(dòng)軌跡的不可預(yù)測(cè)性，對(duì)系統(tǒng)初值和控制參數(shù)的敏感性以及運(yùn)動(dòng)軌跡的遍歷特性等。而混沌系統(tǒng)所具有的初值敏感性、遍歷性、偽隨機(jī)性等特性與密碼學(xué)中的基本要求相似，密碼學(xué)的兩個(gè)基本原則，即混亂(Confusion)和擴(kuò)散(Diffusion)在混沌系統(tǒng)中都可以找到相應(yīng)的基本特性與之對(duì)應(yīng)?；煦绾兔艽a學(xué)之間所具有的這種天然聯(lián)系和結(jié)構(gòu)上的某種相似性，啟示人們把混沌理論應(yīng)用于密碼學(xué)領(lǐng)域?；煦缋碚摓槊艽a系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開拓了新思路，使得混沌密碼技術(shù)被列為現(xiàn)代密碼研究的重要前沿之一[1-4]。在信息安全中，混沌被用于圖像與視頻加密、分組密碼與流密碼算法、ash函數(shù)構(gòu)造、密鑰協(xié)議等方面[5-12]，并取得了一系列重要進(jìn)展，本文詳細(xì)地介紹近年來(lái)混沌數(shù)字圖像加密技術(shù)，在混沌偽隨機(jī)序列生成技術(shù)，混沌圖像加密技術(shù)，復(fù)合混沌序列生成技術(shù)復(fù)合混沌序列生成技術(shù)等研究方面取得重要的研究進(jìn)展、存在問題以及發(fā)展趨勢(shì)。

1 混沌偽隨機(jī)序列生成技術(shù)

混沌系統(tǒng)采用浮點(diǎn)運(yùn)算，經(jīng)過迭代計(jì)算可以生成實(shí)值序列，根據(jù)混沌系統(tǒng)具有的初值敏感性等性質(zhì)，得到的實(shí)值序列在理論上是沒有周期的不可測(cè)序列。但是，在應(yīng)用中，由于采用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)迭代計(jì)算過程，考慮到有限精度效應(yīng)，得到的序列必然退化為周期序列?？朔煦缦到y(tǒng)由于有限精度實(shí)現(xiàn)而引發(fā)的有限精度效應(yīng)，成為混沌密碼學(xué)的一個(gè)研究重點(diǎn)。Borcherds等人指出，由于有限精度效應(yīng)而導(dǎo)致混沌系統(tǒng)出現(xiàn)的短周期行為難以進(jìn)行精確的理論分析。Joseph L.McCauley進(jìn)一步指出，計(jì)算精度、硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)所采用的算法、軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)所采用的機(jī)器、實(shí)現(xiàn)時(shí)編程所用的語(yǔ)言種類以及編譯器都會(huì)影響有限精度混沌系統(tǒng)的最終結(jié)果。到目前為止，還缺乏系統(tǒng)的理論工具對(duì)這種有限精度效應(yīng)進(jìn)行分析和克服。為了解決這些問題，研究者給出了多種改進(jìn)的密鑰流生成器設(shè)計(jì)方案，例如組合混沌系統(tǒng)、分段混沌系統(tǒng)等，其中，基于混沌系統(tǒng)自身的特點(diǎn)研究設(shè)計(jì)性能優(yōu)良、安全性高的偽隨機(jī)序列生成技術(shù)是目前的一個(gè)主要研究方向。

1.1 分段混沌映射

Tent混沌映射是一種逐段線性的混沌映射，Tent混沌映射[13]定義為

(1)

其中α∈(0,1)。該映射具有均勻的分布函數(shù)，用該映射產(chǎn)生的混沌序列具有良好的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)。常見的Tent混沌映射取參數(shù)α=0.5，相應(yīng)的迭代公式為

(2)

對(duì)于式(2)，相應(yīng)的分段Tent混沌映射表示為

(3)

以上所定義的Tent混沌映射和分段Tent混沌映射在理論上能夠產(chǎn)生具有良好隨機(jī)性能的混沌序列。但是，在計(jì)算計(jì)實(shí)現(xiàn)以上迭代過程時(shí)，由于計(jì)算機(jī)的有限精度效應(yīng)，產(chǎn)生的序列會(huì)退化為周期序列。

可以證明，計(jì)算機(jī)有限精度問題會(huì)導(dǎo)致Tent混沌映射和分段Tent混沌映射產(chǎn)生的序列退化為0序列的現(xiàn)象[14-15]。

鑒于Tent混沌映射與Logistic混沌映射之間存在的拓?fù)涔曹楆P(guān)系，人們已經(jīng)將Tent混沌映射擴(kuò)展成分段Tent混沌映射，并且得到了較好的效果，一個(gè)自然的想法是定義出與分段Tent混沌映射對(duì)應(yīng)的分段Logistic混沌映射。分段Logistic混沌映射是一種非線性映射，與已有的對(duì)分段線性函數(shù)加擾動(dòng)的方法相比，分段Logistic混沌映射在生成混沌序列的過程中不需要增加相應(yīng)的擾動(dòng)過程，從而能夠有效提高算法的效率。

Logistic映射定義為

xn+1=f(xn)=μxn(1-xn)，

(4)

其中，x0∈(0,1)；系統(tǒng)參數(shù)μ∈[0,4]。當(dāng)3.5699…<μ≤4時(shí)，式(4)定義的混沌映射處于穩(wěn)定的混沌狀態(tài)。

Logistic由于定義形式簡(jiǎn)單，迭代計(jì)算過程容易實(shí)現(xiàn)，已被廣泛應(yīng)用于混沌保密技術(shù)的很多領(lǐng)域。但是當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)μ取值發(fā)生變化時(shí)，式(4)所定義的混沌映射將不再具有遍歷性，其具體結(jié)論見下述定理2。

根據(jù)以上分析，為了有效改善Logistic映射的相關(guān)性能，可以借鑒分段Tent映射的思想，設(shè)計(jì)了分段Logistic映射。理論分析和仿真結(jié)果表明，分段Logistic混沌映射具有更好的遍歷性、初值敏感性等相關(guān)性能。

下面給出一種分段Logistic混沌映射定義，即

其中，3.569946…≤μ≤4，且x0∈(0,1)。

Logistic混沌映射和分段Logistic混沌映射的函數(shù)曲線如圖1所示，其中u=4。

圖1 兩種映射的函數(shù)曲線

改進(jìn)的分段Logistic映射具有更好的遍歷性，具體結(jié)論見定理3。

定理3式(5)定義的分段Logistic映射的相空間為(0,1)。

定理3的結(jié)論表明，改進(jìn)的分段Logistic映射在相空間為(0,1)，保證了應(yīng)用公式進(jìn)行迭代計(jì)算時(shí)，生成序列在(0,1)上具有良好的遍歷性。

Logistic混沌映射經(jīng)過合理分段后能夠優(yōu)化Logistic混沌映射的混沌性能，為此，可以進(jìn)一步定義了一種參數(shù)化分段Logistic映射。參數(shù)化Logistic映射的形式為

(6)

式中，3.569946…≤μ≤4，x∈(0,1)。

式(6)中定義的分段區(qū)間數(shù)目t=2s(其中s=1,2,3,…)，k=0,1,2,…,(t-1)是子區(qū)間索引變量。特別地，當(dāng)s=0即子區(qū)間數(shù)目t=1時(shí)，式(6)退化為傳統(tǒng)Logistic混沌映射的定義。

可以證明，式(6)定義的參數(shù)化分段Logistic映射生成序列的相空間滿足下述定理4。

定理4當(dāng)分段區(qū)間數(shù)目t≥2時(shí)，式(6)定義的參數(shù)化分段Logistic混沌映射的相空間為(0,1)。

為了有效評(píng)價(jià)混沌映射的初值敏感性，引入分叉迭代次數(shù)，作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，即

定義1設(shè)混沌系統(tǒng)為an+1=f(an)，該映射對(duì)應(yīng)兩個(gè)不同的初始條件a0和b0產(chǎn)生的混沌序列分別為{a1,a2,…}和{b1,b2,…}，給定分叉判定閾值δ，定義Ω=min{i‖ai-bi|>δ}，則稱Ω為混沌映射an+1=f(an)對(duì)應(yīng)初始條件為a0和b0時(shí)的分叉迭代次數(shù)。

1.2 組合混沌系統(tǒng)

為了提高混沌系統(tǒng)的復(fù)雜度，除了增加系統(tǒng)維度外，通常將傳統(tǒng)混沌映射進(jìn)行組合級(jí)聯(lián)、串聯(lián)等操作，構(gòu)造相應(yīng)的組合混沌系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的混沌映射相比，組合混沌映射具有更復(fù)雜的混沌特性，可以應(yīng)用于設(shè)計(jì)具有更好安全性等性能的密碼算法。

下面，給出一種新的線性反饋移位寄存器(linear feedback Shift register ，LFSR)和混沌系統(tǒng)相結(jié)合的偽隨機(jī)序列生成方法，該方法采用LFSR產(chǎn)生選擇函數(shù)來(lái)確定混沌系統(tǒng)，通過循環(huán)迭代結(jié)構(gòu)生成相應(yīng)的偽隨機(jī)序列。鑒于LFSR和混沌系統(tǒng)相結(jié)合具有較大的密鑰空間，采用LFSR產(chǎn)生選擇函數(shù)來(lái)確定混沌系統(tǒng)的方式增加了密碼分析攻擊的難度。在設(shè)計(jì)中，通過將LFSR的反饋值和生成的二進(jìn)制序列反饋值進(jìn)行異或運(yùn)算的方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)LFSR的隨機(jī)擾動(dòng)，使得生成序列具有良好的安全性和隨機(jī)性。

在上文所給算法中選用了兩種常用的混沌映射——Logistic混沌映射和立方映射，這兩種映射計(jì)算簡(jiǎn)單，被廣泛應(yīng)用于加密算法、混沌優(yōu)化等方面。Logistic映射定義為

(7)

式中，x0∈(-1,1)。當(dāng)1.401155…<μ≤2時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入混沌狀態(tài)。

立方映射定義為

(8)

其中，x0∈(-1,1)。Logistic映射和立方映射的函數(shù)曲線如圖2所示。

圖2 混沌映射函數(shù)曲線

當(dāng)μ=2時(shí)，這兩種映射產(chǎn)生的混沌序列取值區(qū)間均為(-1,1)，該性質(zhì)能夠保證在上述兩種混沌系統(tǒng)之間進(jìn)行混合迭代計(jì)算時(shí)，運(yùn)算結(jié)果具有封閉性。

1.2.1 二值偽隨機(jī)序列生成方法

下面，將給出二種偽隨機(jī)序列生成方法，一種是生成二值偽隨機(jī)序列，另一種是生成實(shí)值偽隨機(jī)序列。其實(shí)現(xiàn)過程采用LFSR與混沌系統(tǒng)相結(jié)合的方式和循環(huán)迭代結(jié)構(gòu)，具體過程分別如圖3和圖4。

二值序列生成的基本過程[16]如圖3所示。

圖3 二值序列生成過程

生成二值偽隨機(jī)序列的具體過程如下。

首先，根據(jù)LFSR的計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生相應(yīng)的選擇函數(shù)，通過選擇函數(shù)確定當(dāng)前迭代計(jì)算使用的混沌系統(tǒng)，依據(jù)選擇的混沌系統(tǒng)進(jìn)行迭代計(jì)算，產(chǎn)生相應(yīng)的偽隨機(jī)序列。

其次，將生成的偽隨機(jī)序列根據(jù)加密算法的需要進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)制轉(zhuǎn)換，得到的二進(jìn)制值作為最終產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列輸出。

在將生成的二值序列輸出的同時(shí)，將其作為反饋值與LFSR的反饋值進(jìn)行異或運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果作為L(zhǎng)FSR的最終反饋值，該過程實(shí)現(xiàn)了對(duì)LFSR生成序列的隨機(jī)擾動(dòng)。

計(jì)算過程中的數(shù)制轉(zhuǎn)換過程采用多電平量化法，該方法先將生成的混沌序列中的值x歸一化到區(qū)間[0,1]上，并記為x′，再將x′表示成二進(jìn)制形式，即

舍棄x′的前M位，取其隨后的L位，則有

采用上述方法生成二值偽隨機(jī)序列，具有以下優(yōu)點(diǎn)。

1)通過LFSR產(chǎn)生選擇函數(shù)來(lái)確定混沌系統(tǒng)的方式增加了密碼分析攻擊的難度，使得生成的偽隨機(jī)序列具有良好的安全性。

2)采用混沌系統(tǒng)進(jìn)行迭代計(jì)算能夠保證該方法具有較大的密鑰空間。

3)計(jì)算過程可以根據(jù)實(shí)際加密過程的需要，在數(shù)制轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)經(jīng)過一次迭代計(jì)算產(chǎn)生多位二進(jìn)制序列值，能夠有效保證產(chǎn)生偽隨機(jī)序列的速度。

4)計(jì)算過程中可以應(yīng)用多個(gè)簡(jiǎn)單混沌系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一的循環(huán)迭代計(jì)算，降低了計(jì)算過程的復(fù)雜性。

1.2.2 實(shí)值偽隨機(jī)序列生成方法

實(shí)值偽隨機(jī)序列在優(yōu)化計(jì)算、數(shù)據(jù)加密等方面有著廣泛的應(yīng)用。為此，在二值偽隨機(jī)序列生成方法的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步給出一種LFSR和混沌系統(tǒng)相結(jié)合的實(shí)值偽隨機(jī)序列生成方法。實(shí)值偽隨機(jī)序列生成的基本過程[16]如圖4所示。

圖4 實(shí)值序列生成過程

生成實(shí)值偽隨機(jī)序列的具體過程如下。

根據(jù)LFSR的計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生選擇函數(shù)，通過選擇函數(shù)確定當(dāng)前迭代計(jì)算使用的混沌系統(tǒng)。

應(yīng)用選擇的混沌系統(tǒng)進(jìn)行迭代計(jì)算產(chǎn)生相應(yīng)的偽隨機(jī)序列，將其作為實(shí)值偽隨機(jī)序列輸出。

將生成的偽隨機(jī)序列進(jìn)行數(shù)制轉(zhuǎn)換，生成的二值序列與LFSR的反饋值進(jìn)行異或運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果作為L(zhǎng)FSR的最終反饋值，該過程實(shí)現(xiàn)對(duì)LFSR生成序列的隨機(jī)擾動(dòng)。

以上迭代計(jì)算過程中，反饋機(jī)制二值化過程可以采用二值量化法來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于混沌序列{xi}，i=1,2,…,N。定義二值化結(jié)果為

(9)

圖3和圖4的迭代計(jì)算過程可以通過多個(gè)不同的簡(jiǎn)單混沌系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。需要強(qiáng)調(diào)的是迭代計(jì)算過程中所選擇的混沌系統(tǒng)必須具有相同的相空間，這樣才能保證應(yīng)用選擇機(jī)制實(shí)現(xiàn)在不同混沌系統(tǒng)之間進(jìn)行迭代計(jì)算時(shí)，運(yùn)算過程的封閉性。

2 混沌圖像加密技術(shù)

2.1 基于灰度替換的圖像加密技術(shù)

考慮到應(yīng)用混沌系統(tǒng)進(jìn)行迭代計(jì)算生成的序列具有良好的隨機(jī)性能，1990年，Matthews給出了一種基于一維Logistic混沌映射的圖像加密算法，該算法應(yīng)用Logistic映射設(shè)定不同的初始條件生成混沌序列，采用流密碼結(jié)構(gòu)對(duì)數(shù)字圖像的像素灰度值進(jìn)行替換操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字圖像的加密[17]。1991年，Habutsu等人對(duì)Matthews的算法進(jìn)行了改進(jìn)[18]，給出了一種基于一維Logistic混沌系統(tǒng)和異或運(yùn)算的圖像加密算法，該方法將Logistic映射的初始參數(shù)作為加密密鑰，利用Logistic映射進(jìn)行循環(huán)迭代計(jì)算產(chǎn)生實(shí)數(shù)序列，該序列被轉(zhuǎn)換成二值序列與待加密的明文進(jìn)行簡(jiǎn)單的異或運(yùn)算，得到加密后的密文信息。其中實(shí)數(shù)序列的二值轉(zhuǎn)換方法是對(duì)生成序列的相空間進(jìn)行簡(jiǎn)單劃分，根據(jù)生成序列值對(duì)應(yīng)的區(qū)間將其離散化為0或1，從而得到相應(yīng)的二值序列。Habutsu等人提出的基于灰度替換操作的圖像加密實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。圖6給出了這類基于像素灰度替換設(shè)計(jì)的加密算法基本加密過程。

圖5 灰度替換圖像加密結(jié)果

圖6 灰度替換圖像加密基本過程

這類基于像素灰度替換操作設(shè)計(jì)的圖像加密算法存在的二個(gè)主要問題，首先，當(dāng)使用計(jì)算機(jī)根據(jù)混沌映射通過迭代計(jì)算生成混沌序列時(shí)，由于計(jì)算機(jī)存在有限精度效應(yīng)，產(chǎn)生的混沌序列最終都將退化成周期序列，而且序列的周期一般較小，導(dǎo)致加密算法本身存在安全問題；其次，設(shè)計(jì)的流密碼結(jié)構(gòu)的圖像加密過程是一種線性操作，不能抵御已知明文攻擊和選擇明文攻擊。

基于以上原因，單獨(dú)通過像素灰度替換操作來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像加密的過程并不能保證加密算法的安全性。但是，像素灰度替換操作能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)圖像像素灰度統(tǒng)計(jì)信息的改變，加密結(jié)果圖像能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)原始圖像像素灰度混亂的目的，因此，該加密操作可以作為圖像加密的一個(gè)基本操作來(lái)設(shè)計(jì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的圖像加密算法[19-22]。

2.2 基于像素置亂的圖像加密技術(shù)

密碼技術(shù)中涉及二個(gè)基本操作，即替換和置亂。對(duì)于圖像加密技術(shù)，典型的基于置亂操作的加密技術(shù)是基于Arnold映射的置亂加密。Arnold混沌映射也稱貓映射，是V.I.Arnold在研究環(huán)面上的自同態(tài)問題時(shí)提出的[23]，由于二維Arnold混沌映射原理簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便，后來(lái)被廣泛應(yīng)用于數(shù)字圖像的保護(hù)技術(shù)。二維Arnold混沌映射定義為

(10)

其中：mod1表示只取數(shù)字的小數(shù)部分，即xmod 1=x-[x]。因此(xn,yn)的相空間限制在單位正方形[0,1]×[0,1]內(nèi)，將式(10)表示成矩陣形式為

圖7 Arnold映射的拉伸和折疊原理示意圖

齊東旭等人基于Arnold混沌系統(tǒng)提出了一種基于位置置亂的圖像加密算法，該算法基于二維Arnold映射產(chǎn)生相應(yīng)的置亂矩陣，通過置亂矩陣對(duì)圖像的灰度矩陣進(jìn)行置亂變換，實(shí)現(xiàn)對(duì)灰度圖像的置亂加密[24-25]。在此基礎(chǔ)上，馬在光等人[26]進(jìn)一步給出了二維Arnold映射的整數(shù)推廣形式，所提出的廣義Arnold映射定義為

(13)

廣義Arnold映射能夠在N×N的二維空間內(nèi)進(jìn)行保面積映射，而且置換過程中各系數(shù)均為整數(shù)，所以，整個(gè)運(yùn)算過程中不會(huì)引入誤差。根據(jù)Arnold映射設(shè)計(jì)的圖像加密算法通過置亂矩陣對(duì)圖像的灰度矩陣進(jìn)行置亂，實(shí)現(xiàn)灰度圖像的加密過程，該操作后來(lái)被廣泛應(yīng)用于圖像加密算法的設(shè)計(jì)中[27-29]。圖8所示為基于Arnold映射和像素置亂操作的圖像加密實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖示結(jié)果表明，隨著加密次數(shù)的增加，加密效果越來(lái)越好。

圖8 像素置亂圖像加密結(jié)果

這類基于像素位置置亂操作設(shè)計(jì)的圖像加密算法存在二個(gè)主要問題是[30-31]。首先是置亂變換均存在周期性，導(dǎo)致加密算法的安全性無(wú)法有效保障；其次是設(shè)計(jì)的基于置亂操作的圖像加密過程也是一種線性操作，不能抵御已知明文攻擊和選擇明文攻擊。

2.3 循環(huán)迭代結(jié)構(gòu)的圖像加密技術(shù)

在密碼學(xué)中，加密算法的安全問題始終是需要解決的主要問題。1949年，Shannon在他的研究論文CommunicationTheoryofSecrecySystems中明確了實(shí)現(xiàn)密碼算法安全性的基本原則是混亂和擴(kuò)散。現(xiàn)代密碼算法，如：DES，AES的設(shè)計(jì)均遵循這一原則，加密流程的設(shè)計(jì)均采用循環(huán)迭代結(jié)構(gòu)，每輪加密過程中均涉及替換和置亂的基本操作。

基于灰度替換或者基于像素置亂的加密模式雖然無(wú)法保證設(shè)計(jì)的加密算法的安全性，但是，這二個(gè)加密模式分別對(duì)應(yīng)替換和置亂二個(gè)基本操作，這二個(gè)基本操作是實(shí)現(xiàn)混亂和擴(kuò)散的基本方式，每輪加密過程中均涉及替換和置亂的基本操作。借鑒分組密碼體制設(shè)計(jì)采用的循環(huán)迭代結(jié)構(gòu)，研究者提出了多種基于不同混沌系統(tǒng)的循環(huán)迭代結(jié)構(gòu)圖像加密算法[32-35]，其基本結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 循環(huán)迭代結(jié)構(gòu)圖像加密算法的基本過程

采用循環(huán)迭代結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖像加密算法需要解決的關(guān)鍵問題包括以下幾個(gè)方面。

1)輪密鑰生成技術(shù)。采用循環(huán)迭代結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的加密算法需要進(jìn)行多輪加密，每輪加密也需要用到多個(gè)不同的子密鑰。因此，如何結(jié)合混沌系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有良好隨機(jī)性能的輪密鑰是設(shè)計(jì)加密算法首先要解決的問題。目前，研究者提出了多種不同的輪密鑰生成機(jī)制，如基于循環(huán)移位操作的輪密鑰生成機(jī)制，基于混沌系統(tǒng)和迭代計(jì)算的輪密鑰生成機(jī)制等。

2)混沌偽隨機(jī)序列生成技術(shù)。在當(dāng)前設(shè)計(jì)的加密算法中，像素灰度替換操作和像素位置置亂操作均基于偽隨機(jī)序列來(lái)實(shí)現(xiàn)，生成性能良好的偽隨機(jī)序列是實(shí)現(xiàn)加密算法安全的前提。當(dāng)前，考慮到應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行迭代計(jì)算時(shí)有限精度效應(yīng)的影響，產(chǎn)生的混度序列最終都將退化為周期序列，為了有效解決這一問題，研究者已提出了多種不同的解決方案，如基于隨機(jī)擾動(dòng)的偽隨機(jī)序列生成算法，基于分段結(jié)構(gòu)的偽隨機(jī)序列生成算法，基于復(fù)合混沌系統(tǒng)的偽隨機(jī)序列生成算法，結(jié)合LFSR和混沌系統(tǒng)的偽隨機(jī)序列生成算法等，這些算法均較有效地改進(jìn)了生成序列的相關(guān)性能。

3)加密反饋機(jī)制。在循環(huán)迭代結(jié)構(gòu)的圖像加密算法的加密流程中，像素灰度替換和位置置亂操作在本質(zhì)上均是線性運(yùn)算，單純依靠這二個(gè)基本操作設(shè)計(jì)的加密算法，將無(wú)法抵御已知明文攻擊和選擇明文攻擊，而且加密算法的初值敏感性、雪崩效應(yīng)等性能也較差。因此，在加密過程中，需要采用反饋機(jī)制，是明文消息對(duì)加密結(jié)果產(chǎn)生反饋，這樣既能保證設(shè)計(jì)的算法對(duì)明文消息具有敏感性，也能得到更好的雪崩效應(yīng)和安全性。同時(shí)，在設(shè)計(jì)反饋模式時(shí)，不僅需要考慮加密結(jié)果的安全性，還需要考慮解密過程的有效性和對(duì)稱性。

3 研究展望

基于混沌的圖像加密技術(shù)的相關(guān)性能與加密算法的具體流程、設(shè)計(jì)的混沌系統(tǒng)及生成序列的性能、迭代反饋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)等密切相關(guān)。當(dāng)前，該領(lǐng)域亟待解決和研究的熱點(diǎn)問題包括以下幾個(gè)問題。

3.1 復(fù)合混沌序列生成技術(shù)

基于混沌的密碼算法的安全性與其產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列的性能緊密相關(guān)，但在實(shí)際的使用中存在的問題是混沌系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)上的實(shí)現(xiàn)面臨有限精度效應(yīng)現(xiàn)象。如何克服混沌系統(tǒng)由于有限精度實(shí)現(xiàn)而引發(fā)的有限精度效應(yīng)，已成為混沌密碼學(xué)的一個(gè)研究重點(diǎn)。Borcherds等人指出[36]，由于有限精度效應(yīng)而導(dǎo)致混沌系統(tǒng)出現(xiàn)的短周期行為難以進(jìn)行精確的理論分析。Joseph L.McCauley進(jìn)一步指出[36]，計(jì)算精度、硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)所采用的算法、軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)所采用的機(jī)器、實(shí)現(xiàn)時(shí)編程所用的語(yǔ)言種類以及編譯器都會(huì)影響有限精度混沌系統(tǒng)的最終結(jié)果。到目前為止，仍然缺乏系統(tǒng)的理論工具對(duì)這種有限精度效應(yīng)進(jìn)行分析和克服。

混沌理論研究的發(fā)展為混沌密碼學(xué)的應(yīng)用提供了良好的理論基礎(chǔ)，尤其是對(duì)密鑰空間大小、隨機(jī)性能良好的復(fù)合混沌系統(tǒng)的研究，已經(jīng)成為當(dāng)前眾多研究者關(guān)注的重點(diǎn)。目前已經(jīng)提出了多種不同的復(fù)合混沌系統(tǒng)，包括復(fù)合離散混沌系統(tǒng)、復(fù)合混沌動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)、單向耦合映射格等，這些復(fù)合混沌系統(tǒng)均是將多個(gè)不同的混沌系統(tǒng)進(jìn)行組合，通過控制系數(shù)實(shí)現(xiàn)在多個(gè)混沌系統(tǒng)之間的切換，同時(shí)，保證了生成的序列具有較好的相關(guān)性能。但是，這些復(fù)合混沌系統(tǒng)在應(yīng)用過程中存在著計(jì)算復(fù)雜，難以通過硬件實(shí)現(xiàn)等缺點(diǎn)，因此，結(jié)合密碼學(xué)中的偽隨機(jī)序列生成技術(shù)，設(shè)計(jì)性能良好并且便于硬件實(shí)現(xiàn)的偽隨機(jī)序列生成方法的研究也將成為今后研究的一個(gè)方向[30-32]。

3.2 混沌序列性能評(píng)價(jià)

現(xiàn)有的混沌系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)包括分岔圖、Lyapunov指數(shù)、Hausdoff維數(shù)、Kolmogorov熵等[37-44]，這些評(píng)價(jià)方法均具有良好的物理學(xué)含義，而且計(jì)算簡(jiǎn)單，結(jié)果明確。由于計(jì)算機(jī)存在的有限精度效應(yīng)，當(dāng)應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真實(shí)現(xiàn)混沌系統(tǒng)時(shí)，計(jì)算得到的混沌序列與混沌序列的理論取值存在截?cái)嗾`差，這必然將導(dǎo)致生成的混沌序列最終退化為周期序列，因此，在對(duì)混沌系統(tǒng)進(jìn)行量化評(píng)價(jià)和判斷的基礎(chǔ)上，還需要研究相應(yīng)的混沌序列相關(guān)性能的評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)?；煦缧蛄邢嚓P(guān)性能的評(píng)價(jià)，既要充分考慮混沌信號(hào)的不可預(yù)測(cè)性、初值和系統(tǒng)參數(shù)的敏感性對(duì)密碼系統(tǒng)的安全作用，還要考慮到有限精度實(shí)驗(yàn)條件下，生成序列的性能評(píng)價(jià)問題。目前被廣泛采用的隨機(jī)序列檢驗(yàn)準(zhǔn)則，均是基于Golomb提出的三個(gè)隨機(jī)性假設(shè)而構(gòu)造的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，如頻率檢驗(yàn)、序列檢驗(yàn)、撲克測(cè)試、自相關(guān)檢驗(yàn)和游程檢驗(yàn)等序列隨機(jī)性檢驗(yàn)指標(biāo)，以及反映序列不可預(yù)測(cè)性的復(fù)雜度測(cè)試等密鑰流序列評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，這些研究成果為一維密鑰流序列的安全性評(píng)價(jià)提供了較完善的理論依據(jù)和檢驗(yàn)方法。而對(duì)于適用于圖像和視頻加密的高維混沌序列，現(xiàn)有的Lyapunov指數(shù)、功率譜等評(píng)價(jià)指標(biāo)只是對(duì)映射的混沌性能進(jìn)行判斷，無(wú)法評(píng)價(jià)高維混沌序列的隨機(jī)性等相關(guān)性能。因此，如何客觀量化評(píng)價(jià)一維序列的隨機(jī)性能，如何解決高維隨機(jī)序列的性能評(píng)價(jià)等問題還有待進(jìn)一步研究[45-46]。

3.3 圖像保護(hù)技術(shù)

自從1989年混沌理論被應(yīng)用于圖像加密以來(lái)，基于混沌理論的數(shù)字圖像保護(hù)技術(shù)的研究取得了豐碩的研究成果，新的基于混沌理論的圖像加密、圖像隱藏算法和利用混沌系統(tǒng)相關(guān)理論的攻擊算法相繼提出[47-48]。以基于混沌理論的數(shù)字圖像加密技術(shù)為例，當(dāng)前，單一的基于灰度變化或者位置置亂的圖像加密算法已經(jīng)不能滿足算法的安全性要求，為此，人們借鑒密碼學(xué)中的Feistel型分組密碼結(jié)構(gòu)，提出了多種將灰度變化和位置置亂相結(jié)合的混合迭代結(jié)構(gòu)數(shù)字圖像加密算法，圖像加密算法的安全性得到很大提高，但是，相應(yīng)的加密效果卻有所降低，尤其是考慮到網(wǎng)絡(luò)中實(shí)時(shí)加密的要求，使得這些算法的實(shí)用性并不好。因此，如何實(shí)現(xiàn)加密算法的效率和安全性平衡，如何設(shè)計(jì)具有良好實(shí)時(shí)性的分組密碼結(jié)構(gòu)的數(shù)字圖像加密算法，如何結(jié)合基于混沌的偽隨機(jī)序列生成技術(shù)設(shè)計(jì)流密碼結(jié)構(gòu)的數(shù)字圖像加密算法，以及圖像加密效果的量化評(píng)價(jià)問題，仍將是今后該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。