一种硬件可实现的快速和安全的Logistic混沌加解密方法与流程

本发明涉及数据传输安全领域，具体涉及一种数据与图像加密技术。

背景技术：

混沌现象在1963年被发现之后得到不断发展，与密码学相结合之后得到的混沌算法被大量的用于数据加密传输，其中一种典型离散混沌映射logistic映射，其具有初值和参数敏感性，遍历性等混沌特性可用于加解密操作，其具体操作流程如附图1和附图2所示。但由于硬件精度的问题，需要对logistic混沌映射方程进行离散操作，这么操作的同时也就暴露了一些缺点，即logistic混沌方程取值范围变少了，很容易被暴力破解。

结合了lfsr(linearfeedbackshiftregister，线性反馈移位寄存器)的logistic混沌映射系统就可以解决这一问题，同时lfsr可以根据logistic混沌映射离散的空间来自适应扩展相应的维度，扩展维度越高，得到的密钥空间就越大，安全性能也就越高，但相应运算速度降低了。

结合了lfsr的logistic混沌映射系统，其简单的运算过程容易在硬件上完成，在速度上硬件实现又比软件占优势，所以结合了lfsr的logistic混沌映射系统在硬件上实现是提升算法的首选。

为了适应数据流水线操作和算法的独立性，要解决密钥存取的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术中logistic混沌方程取值范围变窄，结合lfsr，提供一种既能够增加破解难度、提高数据安全性又能够加快数据处理速度的数据加密方式。该加密方法尤其适合安全系数要求比较高，速度要求比较快的场合。

本发明具体采用如下技术方案：

一种硬件可实现的快速和安全的logistic混沌加解密方法，其特征在于，所述方法包括加密过程和解密过程，加密过程和解密过程相同，先将logistic混沌系统进行离散化，不对混沌系统的密钥进行扩展和四舍五入操作，然后结合lfsr，采用内部链式结构生成全新密钥，采用流水线结构与加密或解密明文进行加密或解密操作。

其中，所述内部链式结构是：对离散化的logistic混沌系统赋予初值和参数所得的结果作为离散方程下一轮初始值；对lsfr赋予初始状态后所得的结果作为下一轮的状态初值；上述两个结果进行算法运算得到新的密钥。

所述流水线结构是：内部链式结构生成的密钥存于ram中，然后根据加解密明文顺序依次循环调用ram中的密钥进行算法运算。

具体的，加密过程如下：

1-1、对logistic混沌方程中的变量扩展为整型变量，完成logistic混沌系统的离散化操作，然后赋予初值和参数，得到一轮运算结果；

1-2、对lfsr赋予初始状态得到一轮输出数据；

1-3、将步骤1-1得到的运算结果和1-2得到的输出数据进行异或操作得到新的密钥存入ram中；

1-4、根据所需密钥长度，将步骤1-1得到的新一轮运算结果和1-2得到的新一轮输出数据分别带回原logistic混沌方程和lfsr，重复步骤1-1～1-3，然后进入步骤1-5；

1-5、加密明文根据单个密钥宽度进行封装，然后调用ram中的密钥，得到加密密文，此过程只需要两个运算时钟周期，下面则进入流水操作，然后对加密密文封装，回到加密明文入口时的数据格式，完成一次明文加密工作；

解密过程如下：

2-1、对logistic混沌系统方程中的变量扩展为整型变量，完成logistic混沌系统的离散化操作，然后赋予初值和参数，得到一轮运算结果；

2-2、对lfsr赋予初始状态得到一轮输出数据；

2-3、将步骤2-1得到的运算结果和2-2得到的输出数据进行异或操作得到新的密钥存入ram中；

2-4、根据所需密钥长度，将步骤2-1得到的新一轮运算结果和2-2得到的新一轮输出数据分别带回原logistic混沌方程和lfsr，重复步骤2-1～2-3，然后进入步骤2-5；

2-5、解密明文根据单个密钥宽度进行封装，然后调用ram中的密钥，得到解密密文，此过程只需要两个运算时钟周期，下面则进入流水操作，然后对解密密文封装，回到解密明文入口时的数据格式，完成一次解密工作。

本发明具有如下有益效果：logistic混沌映射进行离散化操作，使其适用于硬件电路，不需要对该系统的密钥再进行扩展位宽和四舍五入操作，提升了电路处理的性能。同时logistic混沌映射系统与lfsr相结合来提升算法密钥的安全性。内部链式结构使得每一次的迭代变换都与上一次变换后的数据相关，提高了数据的安全性。流水线结构仅需第一个加解密数据等待2个运算周期，以后每一个运算周期都会有加解密数据输出，加快了数据处理速度，同时密钥自身又有很强的独立性。本发明加解密方法的加密和解密过程相同，不破坏原有的应用体系，尤其适合安全系数要求比较高，速度要求比较快的场合。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明。

图1为现有logistic混沌加解密方法加密过程流程图。

图2为现有logistic混沌加解密方法解密过程流程图。

图3为本发明的快速高性能的logistic混沌加解密方法加密过程流程图。

图4为本发明的快速高性能的logistic混沌加解密方法解密过程流程图。

具体实施方式

如图3和图4所示，所述的内部链式结构是：lfsr把每轮变换后的输出数据作为反馈给输入端，离散后的logistic把每轮的运算结果反馈为下一轮方程的输入。所述的流水线结构是：lfsr和logistic每轮运算结果进行算法操作送入ram中，然后根据加解密明文顺序依次循环调用ram中的密钥进行算法运算。此处的算法操作可以有加、减、同或、异或等操作，本具体实施方式选用的是异或操作，异或操作不用考虑进位和借位问题，同时可以使相邻数据的相关性变弱。

如图3所示，加密过程详细步骤如下：

1-1第一个周期内对logistic混沌系统方程中的变量扩展为整型变量，完成logistic混沌系统的离散化操作，然后赋予初值和参数，得到一轮结果，经过离散化操作得到的一轮密钥不需要位扩展和四舍五入操作，节省去了硬件电路处理密钥的时间。

1-2第一个周期内对lfsr赋予初始状态得到一轮结果。

1-3第二个周期内将1-1和1-2得到的结果进行异或操作得到新的密钥存入ram中。

1-4第三个周期内根据所需密钥长度，对1-1和1-2中得到的新一轮结果分别带回原logistic混沌方程和lfsr，再次得到一轮结果，继续进行1-3操作，ram中的密钥安全性变得更高，然后进入步骤1-5。

1-5第三个周期加密明文根据单个密钥宽度进行封装，然后调用ram中的密钥，得到加密密文，此过程只需要两个运算时钟周期，下面则进入流水操作，然后对加密密文封装，回到加密明文入口时的数据格式，完成一次明文加密工作。

如图4所示，解密过程详细步骤如下：

2-1第一个周期内对logistic混沌系统方程中的变量扩展为整型变量，完成logistic混沌系统的离散化操作，然后赋予初值和参数，得到一轮结果，经过离散化操作得到的一轮密钥不需要位扩展和四舍五入操作，节省去了硬件电路处理密钥的时间。

2-2第一个周期内对lfsr赋予初始状态得到一轮结果。

2-3第二个周期内将2-1和2-2得到的结果进行异或操作得到新的密钥存入ram中。

2-4第三个周期内根据所需密钥长度，对2-1和2-2中得到的新一轮结果分别带回原logistic混沌方程和lfsr，再次得到一轮结果，继续进行2-3操作，ram中的密钥安全性变得更高，然后进入步骤2-5。

2-5第三个周期内解密明文根据单个密钥宽度进行封装，然后调用ram中的密钥，得到解密密文，此过程只需要两个运算时钟周期，下面则进入流水操作，然后对解密密文封装，回到解密明文入口时的数据格式，完成一次解密工作。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。