基于組合混沌的多精度流加密方案*

周宇，李巧，劉靜，王駿超

（1.中國(guó)信息通信研究院西部分院，重慶 401336；2.聯(lián)合微電子中心有限責(zé)任公司，重慶 401332；3.重慶大學(xué)微電子與通信工程學(xué)院，重慶 400044）

1 引言

混沌是一種具有內(nèi)在隨機(jī)性的非線性動(dòng)力系統(tǒng)，具有對(duì)初始值敏感性、遍歷性、偽隨機(jī)性、軌道不可預(yù)測(cè)性的特點(diǎn)[1]，常作為偽隨機(jī)序列發(fā)生器應(yīng)用于密碼系統(tǒng)中。但是，在計(jì)算機(jī)有限精度下實(shí)現(xiàn)混沌系統(tǒng)得到的序列隨機(jī)性下降，抗干擾、抗截獲的能力不高[2]。浮點(diǎn)系統(tǒng)可以保留混沌特性，但增加了系統(tǒng)的計(jì)算量與硬件開銷，而定點(diǎn)混沌系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)退化效應(yīng)目前沒有衡量指標(biāo)，應(yīng)對(duì)混沌動(dòng)力學(xué)退化的方案有添加隨機(jī)擾動(dòng)、提高數(shù)據(jù)精度等[3]。添加隨機(jī)擾動(dòng)在具體應(yīng)用過(guò)程中實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單，有利于提高動(dòng)力學(xué)特性[4-8]。

文獻(xiàn)[9]將多個(gè)混沌塊級(jí)聯(lián)在一起，以產(chǎn)生具有更好隨機(jī)性的偽隨機(jī)數(shù)。中南大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)詳細(xì)研究了混沌序列復(fù)雜性的分析方法，比較了近似熵、譜熵、樣本熵和強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)復(fù)雜度等算法，這些方法可以為混沌在有限精度條件下的應(yīng)用提供相關(guān)理論依據(jù)[10-11]。本文提出了基于組合混沌的多精度流加密方案，并用譜熵作為定點(diǎn)混沌的混沌評(píng)判方法。

2 混沌系統(tǒng)

2.1 Logistic 映射

Logistic 映射是一個(gè)被廣泛研究的一維離散映射，也稱為蟲口模型，其表達(dá)式是一個(gè)簡(jiǎn)單的非線性迭代方程[12],通過(guò)向下取整可以保留有限精度，其定義為：

式中O 代表選擇的數(shù)據(jù)進(jìn)制，這里為二進(jìn)制，c 為數(shù)據(jù)精度，此處為常數(shù)，可取定點(diǎn)32 位、24 位、16 位、12位，n 為迭代次數(shù)。結(jié)構(gòu)參數(shù)μ∈[3.569,4]時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入混沌狀態(tài)。此時(shí)系統(tǒng)迭代產(chǎn)生的序列是非周期且不收斂的偽隨機(jī)序列。μ 越趨近于4，迭代產(chǎn)生的值在區(qū)間[0,1]內(nèi)越接近均勻分布。

2.2 Tent 映射

Tent 映射是分段的二維混沌映射，與Logistic 映射互為拓?fù)涔曹椨成洌鋺?yīng)用比較廣泛[13]，取整后的表達(dá)式為：

式中結(jié)構(gòu)參數(shù)α∈[0,1]，yn∈[0,1]，當(dāng)α=0.5 時(shí)，系統(tǒng)呈現(xiàn)短周期狀態(tài)，且系統(tǒng)的初始值不能與α 相同，否則迭代產(chǎn)生的序列出現(xiàn)周期，系統(tǒng)演化為周期系統(tǒng)。

2.3 譜熵

通過(guò)向下取整函數(shù)可以得到定點(diǎn)混沌序列，然而取整函數(shù)舍棄了部分小數(shù)位，降低了數(shù)據(jù)精度，系統(tǒng)每次迭代都會(huì)受到影響，精度損失過(guò)大會(huì)導(dǎo)致混沌系統(tǒng)進(jìn)入周期狀態(tài)或者喪失不確定性。失去混沌動(dòng)力學(xué)特性將導(dǎo)致序列的隨機(jī)性減弱，影響加密效果。

對(duì)序列隨機(jī)性進(jìn)行定量分析可以評(píng)估系統(tǒng)的安全性。用定點(diǎn)序列進(jìn)行加密顯然可以降低系統(tǒng)的計(jì)算復(fù)雜度，然而通過(guò)式（1）可以看出，目前混沌評(píng)判指標(biāo)如Lyapunov 指數(shù)存在求導(dǎo)過(guò)程，無(wú)法適用于定點(diǎn)系統(tǒng)，而K 熵、龐加萊截面等方法也難以實(shí)施。譜熵通過(guò)頻域內(nèi)能量譜特性來(lái)分析序列的復(fù)雜程度，可以直接用快速傅里葉變換算法得到頻域特性，在頻域內(nèi)序列的能量譜分布越均衡，隨機(jī)性越強(qiáng)[14]。結(jié)合香農(nóng)熵可以計(jì)算出相應(yīng)的譜熵值（SEN）。

（1）去除序列直流部分。

（2）進(jìn)行離散傅里葉變換，求得傅里葉系數(shù)X(k)，k=0,1,...,N-1。

（3）計(jì)算X(k)的前半部分序列不同點(diǎn)的功率譜Pk、序列在k 點(diǎn)處的功率p(k)及序列總功率Ptot，k=0,1,...,N/2-1。

（4）計(jì)算序列譜熵s 并取得歸一化的譜熵值S。

3 基于組合混沌的數(shù)據(jù)加密算法

3.1 密鑰生成

本系統(tǒng)的密鑰為α0和μ 兩個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)、Tent 映射初始值y0和每輪迭代次數(shù)l，這些密鑰由通信雙方確定。混沌初始值由密鑰加上明文圖像通過(guò)哈希函數(shù)得到的哈希值組成。哈希函數(shù)對(duì)初始值敏感的特性可以保證系統(tǒng)對(duì)明文敏感?；煦缦到y(tǒng)參數(shù)為α、μ，y。通過(guò)明文和SHA-256 函數(shù)生成長(zhǎng)度為256 位的二進(jìn)制序列H，它被分成32 段，長(zhǎng)度為8 位。Tent 映射的初始值計(jì)算公式如下：

3.2 組合混沌隨機(jī)數(shù)發(fā)生器

組合混沌序列產(chǎn)生流程如圖1 所示。首先選擇數(shù)據(jù)精度，依據(jù)數(shù)據(jù)重要程度的不同可以選擇浮點(diǎn)數(shù)及定點(diǎn)32 位、24 位、16 位和12 位數(shù)。再交換密鑰后生成混沌系統(tǒng)的初始值，本文提出通過(guò)改變Logistic 系統(tǒng)初始值的方式來(lái)打亂序列的生成規(guī)律，序列經(jīng)過(guò)l 次迭代后，將得到一個(gè)新的初值。每次的初始值由Tent映射迭代生成，即Tent 映射迭代一次生成Logistic 的初值，每得到一個(gè)初值后Logistic 映射迭代l 次。Tent迭代生成的序列也是隨機(jī)的，提升了軌道的不可預(yù)測(cè)性，進(jìn)一步提高了序列的隨機(jī)性。

圖1 組合混沌序列產(chǎn)生流程

3.3 組合混沌系統(tǒng)加密流程

本文提出的加密流程如圖2 所示。通過(guò)保留不同的精度，可以得到安全性不同的加密系統(tǒng)，保留精度越高，序列隨機(jī)性越強(qiáng)。通過(guò)組合混沌系統(tǒng)可以在定點(diǎn)狀態(tài)下產(chǎn)生性能良好的偽隨機(jī)序列xn，經(jīng)過(guò)式（12）所示的門限判斷得到加密用的二進(jìn)制序列Sn，Sn與明文In進(jìn)行異或操作得到二進(jìn)制密文序列Zn。

圖2 組合混沌加密算法流程

4 系統(tǒng)安全性測(cè)試分析

4.1 序列自相關(guān)性分析

序列的自相關(guān)函數(shù)可以有效衡量信號(hào)是否具有隨機(jī)性，具有良好隨機(jī)性的序列的自相關(guān)函數(shù)類似于δ 函數(shù)。組合混沌序列與單混沌序列的自相關(guān)性對(duì)比如圖3 所示，混沌初始值及結(jié)構(gòu)參數(shù)：x0=0.1，μ=4，α=0.499。組合混沌初值中y0=0.6，l=1024，得到的序列長(zhǎng)度都為512×512×4。從圖3 可以看出，精度越低序列自相關(guān)性越強(qiáng)，但在有限精度影響下低精度序列開始出現(xiàn)類周期現(xiàn)象。組合混沌系統(tǒng)有效克服了周期效應(yīng)，序列自相關(guān)函數(shù)具有良好的類δ 特性。

圖3 序列自相關(guān)性對(duì)比

4.2 譜熵分析

本文以譜熵值作為衡量定點(diǎn)混沌動(dòng)力學(xué)退化程度的指標(biāo)，當(dāng)定點(diǎn)數(shù)系統(tǒng)序列譜熵值與浮點(diǎn)數(shù)接近時(shí)，表明系統(tǒng)保留了混沌特征。系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間演化之后軌道進(jìn)入吸引子附近，可能造成類周期現(xiàn)象，因此迭代長(zhǎng)度對(duì)序列隨機(jī)性也有一定影響。

不同系統(tǒng)的譜熵值隨迭代次數(shù)的變化情況如圖4所示，可以看出單混沌定點(diǎn)系統(tǒng)在通過(guò)多次迭代之后出現(xiàn)譜熵值減少的現(xiàn)象，說(shuō)明系統(tǒng)隨機(jī)性下降。當(dāng)精度為24 位時(shí)，組合混沌系統(tǒng)產(chǎn)生的混沌序列的譜熵值為0.903 7，此時(shí)l=1 024，譜熵值接近浮點(diǎn)序列。當(dāng)精度增加到32 位時(shí)，譜熵值為0.954 7，但此時(shí)l=16 384，說(shuō)明組合混沌的定點(diǎn)24 位、32 位系統(tǒng)性能接近浮點(diǎn)系統(tǒng)，組合加擾的方式增加了生成序列的隨機(jī)性。因此，當(dāng)有效精度保持率較高時(shí)，l 值可以取得更大。在本文的性能分析中，選擇l=1 024。

圖4 不同系統(tǒng)譜熵值分析

4.3 NIST 測(cè)試

NIST 測(cè)試廣泛用于檢測(cè)二進(jìn)制序列的隨機(jī)性，包含15 個(gè)測(cè)試[15]。每項(xiàng)測(cè)試最終輸出統(tǒng)計(jì)結(jié)果參考值Q，當(dāng)Q＞0.000 1 時(shí)表示通過(guò)該項(xiàng)測(cè)試?；旌匣煦缦到y(tǒng)產(chǎn)生的長(zhǎng)度為106的二進(jìn)制序列和相同長(zhǎng)度的單個(gè)Logistic 混沌生成的二進(jìn)制序列的NIST 測(cè)試結(jié)果如表1 所示?？梢钥闯?，單混沌浮點(diǎn)系統(tǒng)可以通過(guò)所有測(cè)試，而單混沌定點(diǎn)32 位系統(tǒng)只有部分統(tǒng)計(jì)通過(guò)檢驗(yàn)，而組合混沌生成的32 位定點(diǎn)系統(tǒng)生成的序列可以通過(guò)測(cè)試。

表1 NIST 測(cè)試結(jié)果

4.4 加密安全性測(cè)試

選取不同圖片進(jìn)行加密效果分析，不同明文加密效果如圖5 所示，CT 圖像（Covid-19 病患的肺部）的大小為512×512×3，其他圖像的大小為512×512。

圖5 不同明文加密效果

所提出的不同精度加密系統(tǒng)加密算法的安全性測(cè)試結(jié)果如表2 所示，NPCR 為像素變化率，UACI 為統(tǒng)一平均變化強(qiáng)度。測(cè)試圖像為標(biāo)準(zhǔn)加密圖像Lena，手段包括信息熵分析、抗差分攻擊分析、加密效率分析，對(duì)定點(diǎn)混沌加密系統(tǒng)與浮點(diǎn)加密系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比分析。

表2 不同精度系統(tǒng)加密安全性分析

從表2 中看出，組合混沌定點(diǎn)32 位與24 位系統(tǒng)加密效果接近浮點(diǎn)系統(tǒng)，可以有效加密明文圖像，同時(shí)系統(tǒng)加密效率高，對(duì)于數(shù)據(jù)量較大的圖像可以快速完成加密。組合混沌加密算法與其他混沌加密算法的對(duì)比結(jié)果表明，組合混沌加密算法具有良好的安全性，可以有效抵抗攻擊。

5 結(jié)論

本文研究了數(shù)字混沌系統(tǒng)在加密算法中的應(yīng)用。采用基于Logistic 映射和Tent 映射的混合混沌偽隨機(jī)序列發(fā)生器可獲得性能良好的偽隨機(jī)序列，加密算法支持選擇不同的加密精度，包括浮點(diǎn)、32 位定點(diǎn)、24位定點(diǎn)和16 位定點(diǎn)?；旌匣煦缦到y(tǒng)得到的24 位和32位序列的性能接近于浮點(diǎn)序列。本文提出的算法提高了加密效率，能夠抵抗常見的攻擊手段。同時(shí)，提出將譜熵作為定點(diǎn)混沌的動(dòng)力學(xué)量化指標(biāo)，可以直觀比較定點(diǎn)混沌序列與浮點(diǎn)序列的性能，作為定點(diǎn)系統(tǒng)混沌動(dòng)力學(xué)退化的衡量指標(biāo)。