一种基于混沌数谱的数字化混沌密码方法与流程

本发明属于信息安全领域，具体涉及计算机数据的保密通信领域，尤其涉及一种基于混沌数谱的数字化混沌密码方法，包括加密和解密、密钥参数调制、消息摘要提取的密码方法。

背景技术：

计算机网络全球化、公开化使信息安全面临巨大威胁，迫使密码技术成为保障信息安全核心技术。密码技术是研究通过字符变换隐藏明文消息来保障实现秘密通讯的学科，其研究对象是信息存储体。密码系统中，明文M指未加密报文；密文C指已加密报文；密钥K指明文、密文间字符变换手段。其中明文变换为密文过程称为加密或编码E；密文变换为明文过程称为解密或解码D。其中依据密钥性质将密码分为对称性密码体制和非对称性密码体制，前者指加密解密共用一把密钥，后者指加密用公钥，解密用私钥的密码体制。

目前市场上的数据加密方法，为保密需要，数据大都需要秘密信道进行传输，而不能在公开信道上进行传输。有的加密方法可以通过统计或者穷举法就能轻易破解，而且密钥在这个过程中始终是不变的，并且密钥长度直接间接影响加解密速度，这无法适应复杂的计算机网络环境。

申请号为201410006219.2的中国专利文献公开了一种数形文载加密和解密方法。该加密方法，实质是一种通过5对点圈编码实现“数—模变换”的连线式编码方法，其一采用十进制数谱适用于构造访问控制机制，等价于含带连线及点拨功能的0～9数字键盘；其二采用二进制数谱适用于构造安全认证协议，其二进制数谱中5对01编码呈现自相似分数分形结构特征，是一种满足周期3条件即具有混沌加密功能的混沌编码分组密码方案。由于该混沌编码方法会受到5对点圈编码的重码编码难题，及其10数密钥长度的限制难题等技术缺点，难以适应“数—数变换”的计算机数据加密领域。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于混沌数谱的数字化混沌密码方法。该密码方法具有扩频码映射性质特征的信号遮掩功能，及并行混沌映射的并行数据处理功能，会比现代密码体制具有更优越的安全保密性能及信息处理效率，更加适用于光纤通信。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

方法一：

一种基于混沌数谱的数字化混沌密码方法，所述密码方法包括下述步骤：

步骤一：发送编码明文数据，并将所述明文数据转换为二进制数组代码；

步骤二：将步骤一得到的二进制数组代码经过离散化映射成混沌编码；

步骤三：将步骤二得到的混沌编码经过密钥参数K模糊化映射成序号编码；

步骤四：将步骤三得到的序号编码构造密文数据；

步骤五：将步骤四得到的密文数据通过公开信道传输给接收方；

步骤六：将步骤五中得到的密文数据逆转换为序号编码；

步骤七：将步骤六中的序号编码混沌逆映射为混沌编码。

其中，所述混沌编码具有单射性质和多元化信息编码性质，是依据周期3倍周期元素的自相似不可区分性实现；所述序号编码具有双射性质和多样化信息模拟性质，是依据单周期元素的存在唯一性实现；所述混沌编码的混沌参数调制K和序号编码的随机参数调制K，各自占有半群性质与环面自同构性质。

其中，所述离散化映射为1对多向前、且随机性离散化映射；所述模糊化映射和混沌逆映射为1对1同构映射。所述耦合离散化映射与模糊化映射的混沌映射具有扩频码映射性质；所述混沌逆映射具有拓扑压缩映射性质。其中所述混沌编码0000011111与序号编码0123456789构造的混沌映射为单值输入单值输出的扩频码映射性质，混沌逆映射为单值输入单值输出的拓扑压缩映射性质；混沌编码0000011111与序号编码0000～1001构造的混沌映射为单值输入多值输出的扩频码映射性质，混沌逆映射为多值输入单值输出的拓扑压缩映射性质。其中所述序号编码中隔离部分的0101010101本质属于混沌编码即为单射性质。

方法二：

一种基于混沌数谱的数字化混沌密码方法，所述密码方法包括下述步骤：

步骤一：发送编码明文序列，并将所述明文序列转换为二进制数组代码；

步骤二：将步骤一得到的二进制数组代码经过离散化映射成混沌编码；

步骤三：将步骤二得到的混沌编码经过密钥流参数K模糊化映射成序号编码；

步骤四：将步骤三得到的序号编码构造密文序列；

步骤五：将步骤四得到的密文序列通过公开信道传输给接收方；

步骤六：将步骤五中得到的密文序列逆转换为序号编码；

步骤七：将步骤六中的序号编码混沌逆映射为混沌编码。

方法三：

一种基于混沌数谱的数字化混沌密码方法，所述密码方法包括下述步骤：

步骤一：发送编码分组明文，并将所述分组明文转换为二进制数组代码；

步骤二：将步骤一得到的二进制数组代码经过离散化映射成混沌编码；

步骤三：将步骤二得到的混沌编码经过轮密钥参数K模糊化映射成序号编码；

步骤四：将步骤三得到的序号编码构造分组密文；

步骤五：将步骤四得到的分组密文通过公开信道传输给接收方；

步骤六：将步骤五中得到的分组密文逆转换为序号编码；

步骤七：将步骤六中的序号编码混沌逆映射为混沌编码。

其中所述分组密文可采用嫁接式编码组件等实现黑盒模拟性质的信息伪装。

方法四：

一种基于混沌数谱的数字化混沌密码方法，所述密码方法包括下述步骤：

步骤一：发送编码明文序列，并将所述明文序列转换为二进制数组代码；

步骤二：将步骤一得到的二进制数组代码依次经过第一级离散化映射成第一级混沌编码，然后经过n游程过滤器的驱动变量模糊化映射成第一级序号编码；

步骤三：将步骤二得到的序号编码经过第二级离散化映射成第二级混沌编码，然后经过n游程过滤器的驱动变量模糊化映射成第二级序号编码；第二级序号编码采用双结构映射参数的第二子系统部件可生成0～9响应变量；

步骤四：将步骤三得到的第二级序号编码构造真随机数；

步骤五：将步骤四得到的真随机数，用作密钥K调制参数。

方法五：

一种基于混沌数谱的数字化混沌密码方法，所述密码方法包括下述步骤：

步骤一：发送编码分组明文，并将所述分组明文转换为二进制数组代码；

步骤二：将步骤一得到的二进制数组代码经过混沌逆映射成混沌编码；

步骤三：将步骤二得到的混沌编码以4组为单元，经过单密钥参数K或轮密钥参数K循环迭代地混沌逆映射成混沌编码；

步骤四：将步骤三得到的混沌编码构造消息摘要；

步骤五：将步骤四得到的消息摘要与消息通过公开信道传输给接收方。

方法六：

一种基于混沌数谱的数字化混沌密码方法，所述密码方法包括下述步骤：

步骤一：发送编码分组明文，并将所述分组明文转换为二进制数组代码；

步骤二：将步骤一得到的二进制数组代码经过离散化映射成混沌编码；

步骤三：将步骤二得到的混沌编码经过开环控制或闭环控制的密钥参数K模糊化映射成序号编码；

步骤四：将步骤三得到的序号编码构造分组密文；

步骤五：将步骤四得到的分组密文通过公开信道传输给接收方；

步骤六：将步骤五中得到的分组密文逆转换为序号编码；

步骤七：将步骤六中的序号编码混沌逆映射为混沌编码。

其中所述密钥参数K为逐字符密钥流参数驱动生成逐字块单密钥参数特征；其中所述闭环控制的密钥参数K可通过无关联的转移子密钥K1，K2，K3，……并针对加密密钥进行至少3轮次的正向迭代加密，实现无损数据的密钥转移压缩与密钥转移分解功能；其转移子密钥K1，K2，K3采用真随机数构造或采用原始密钥K经多轮次逆向迭代的Hash函数运算得出；其所述密钥转移压缩和密钥转移分解方法可独立使用。其中所述闭环控制的分组密文，可采用嫁接式编码组件等实现黑盒模拟性质的信息伪装功能。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明解决了现有技术中的重码编码难题，具有使连续01输入信号在0极、1极的同宿轨道之间，实现离散映射与折叠映射的混叠效应，和二者异宿轨道之间实现输出信号的内在混合特性。本发明在非线性电路技术方案的混沌映射过程中，具有使连续01输入信号实现混叠效应的内在混合特性，生成混叠、混合交织状态的十进制输出信号。

2、本发明解决了现有技术中的10数密钥长度的限制难题，实现了数字化混沌密码的非线性空间部分中混沌编码的多元化信息编码，和线性空间部分中序号编码的多样化信息模拟的映射参数普适性。同时本发明的加解密速度与密钥系统的密钥长度、密钥周期均无关，密钥空间可趋向无穷大。

3、与现代密码学的数论密码体制相比：建立在固定运算规则的数学密码算法，实现一次一密加密完全依赖于密钥系统的参数变量，是一种基于参数变量实现有关联离散加密的密码体制。本数字化混沌密码的非线性空间部分中自相似离散化映射的离散半动力，具有实现单密钥加密的一次一密文输出特征，是一种基于状态变量及参数变量实现无关联离散加密的密码体制。同时本发明混沌逻辑计算具有解决数学算术计算的现有技术中，线性反馈移位寄存器LFSR的伪随机数生成技术缺陷；现代Hash函数MD5、SHA-1的半同态碰撞压缩规律技术缺陷。

4、数字化混沌密码体制具有扩频码映射性质特征的信号遮掩功能，及并行混沌映射的并行数据处理功能，会比现代密码体制具有更优越的安全保密性能及信息处理效率，更加适用于光纤通信。总之本方法的内秉随机内秉遮掩密码性质，完善了线性密码需要采用加入随机数实现外扰随机外扰掩盖的密码缺陷。

附图说明

图1为本发明总构思模型的示意图；

图2为本发明第一实施例的示意图；

图3为本发明第二实施例的示意图；

图4为本发明第三实施例的示意图；

图5为本发明第四实施例的示意图；

图6、7a、7b 为本发明的第五实施例的示意图；

图8为本发明中分组密文实现嫁接式编码方法的示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明做进一步详细说明：

参见图1，其为本发明总构思模型的示意图。密码方法的总流程步骤如下，明文数据通过离散化映射转换成混沌编码，混沌编码经过密钥参数K模糊化映射转换成序号编码，再将序号编码构造成密文数据；所述密文数据还可以逆转换成序号编码，再通过相应密钥参数K混沌逆映射转换成混沌编码的明文数据。

实施例一：参见图2，一种基于混沌数谱的数字化混沌密码方法，所述密码方法包括下述步骤和具体实施方式：

步骤一：发送编码明文序列，并将所述明文序列转换为二进制数组代码0、1；

步骤二：将步骤一得到的二进制数组代码0、1经过离散化映射成混沌编码0000000001；

步骤三：将步骤二得到的混沌编码0000000001经过密钥流参数K模糊化映射成序号编码0123456789；

步骤四：将步骤三得到的序号编码0123456789构造密文序列；

步骤五：将步骤四得到的密文序列通过公开信道传输给接收方；

步骤六：将步骤五中得到的密文序列逆转换为序号编码0～9；

步骤七：将步骤六中的序号编码0～9混沌逆映射为混沌编码0、1。

具体实施方式：如图2所示，本实施例的方法在于解决密钥流参数K的连续非周期动力问题，适用于实时加密场合的同步通信方案，具有与现代序列密码基本相同的保密通信功能和应用领域。其中，a、参数调制方式：密钥流参数K采用n游程过滤器的混沌参数调制标准如，本实施例为10数密钥长度采用10游程过滤器调制。该10游程过滤器在一次一密、连续非周期的密钥流参数K中，起着将0、1连续游程被限定在10数以内，具体来说是将0、1连续游程的第10数比特0、1与1异或如，0⊕1=1，1⊕1=0实现改变其驱动信号性质，以确保模型0极、1极至少存有一条非线性分岔轨道的映射通道作用；b、信息处理方式：采用每切换密钥流参数K中1bit密钥字符k，处理1bit（1数）消息字符的加密或者解密的逐字符串行数据处理；c、应用设计：本设计思路与现代序列密码一致，根据密钥流参数K的生成依赖于独立的密钥流发生器或者取决于消息流参与，适用于构造同步混沌序列密码和自同步混沌序列密码。其后者实施方式采用双结构映射参数的序号编码。

实施例二：参见图3，一种基于混沌数谱的数字化混沌密码方法，所述密码方法包括下述步骤和具体实施方式：

步骤一：发送编码分组明文，并将所述分组明文转换为二进制数组代码0、1；

步骤二：将步骤一得到的二进制数组代码0、1经过离散化映射成混沌编码0001111111；

步骤三：将步骤二得到的混沌编码0001111111经过轮密钥参数K模糊化映射成序号编码0123456789；

步骤四：将步骤三得到的序号编码0123456789构造分组密文；

步骤五：将步骤四得到的分组密文通过公开信道传输给接收方；

步骤六：将步骤五中得到的分组密文逆转换为序号编码0～9；

步骤七：将步骤六中的序号编码0～9混沌逆映射为混沌编码0、1。

具体实施方式：如图3所示，本实施例的方法在于解决轮密钥参数K的短周期效应难题及其单密钥参数k的有限精度问题，适用于静态加密场合的异步通信方案，具有与现代分组密码基本相同的保密通信功能和应用领域。其中，a、参数调制方式：采用满足周期3多层密钥的单密钥参数k调制标准如，本实施例为10数密钥长度采用3个0与7个1或者7个0与3个1、4个0与6个1或者6个0与4个1、5个0与5个1的混沌参数调制，使模型0极、1极均满足至少3条非线性分岔轨道的映射通道。由于轮密钥参数K是由有限多个单密钥参数k组构而成，因而是一种混合周期3多层密钥的动态参数。动态参数指周期3多层密钥如，3个0与7个1的随机排列组合数；b、信息处理方式：将轮密钥参数K头尾相连构成周期循环驱动的O型极限环，并采用每切换1组10bit单密钥参数k，处理一组10bit （10数）分组消息的加密或者解密的逐字块并行数据处理如，本实施例k0～k9中矩阵输入c0～c9→矩阵输出c'0～c'9的并行混沌映射过程；c、安全性设计：针对单密钥参数k的有限精度问题，采用第一重预加密实现隐藏明文密文对中的密钥参数措施。具体来说是将输入0、1分组明文采用同一单密钥参数k0～k9的不同密钥数据如，采用模型中约定密钥{k9k8k7k1k0k0k1k7k8k9}实现矩阵输入m0～m9→矩阵输出c0～c9的第一重并行异或运算，来防止密钥参数辨识的选择明文攻击；针对轮密钥参数K的短周期效应难题，采用不定长消息分组实现隐藏轮密钥参数K在密文数据C中的密钥周期措施。具体来说是采用随机加入几组不定长度的0、1分组明文如，6 bit……8 bit……7bit的不规则循环分组来防止规则消息分组的穷举攻击，并在相应的单密钥参数k中标明消息分组的分组长度如，k01=0001111111（6）中，6表示单密钥参数k01的消息分组长度为6 bit。

实施例三：参见图4，一种基于混沌数谱的数字化混沌密码方法，所述密码方法包括下述步骤和具体实施方式：

步骤一：发送编码明文序列，并将所述明文序列转换为二进制数组代码0、1；

步骤二：将步骤一得到的二进制数组代码0、1依次经过第一级离散化映射成第一级混沌编码0000000001，然后经过n（10）游程过滤器的驱动变量模糊化映射成第一级序号编码0101010101；

步骤三：将步骤二得到的序号编码0101010101经过第二级离散化映射成第二级混沌编码0000000001，然后经过n（10）游程过滤器的驱动变量模糊化映射成第二级序号编码0101010101；第二级序号编码采用双结构映射参数的第二子系统部件可生成0123456789响应变量；

步骤四：将步骤三得到的第二级序号编码0101010101或者0123456789构造真随机数；

步骤五：将步骤四得到的真随机数，用作密钥K调制参数。

具体实施方式：如图4所示，本实施例的方法在于解决周期混沌退化难题，实现连续稳定的自保持混沌动力，具有与线性反馈移位寄存器LFSR基本相同的应用领域，同时解决了其伪随机数生成的技术缺陷。其中，a、设计原理：采用实施例一的参数调制方式、信息处理方式；采用状态变量的反馈控制实现自保持混沌动力，指将响应系统生成的响应变量引入驱动系统充当驱动变量，及引入输入系统充当输入变量实现状态变量对参数变量的协同效应原理；b、设计思路：采用状态变量的双系统控制，指利用双系统控制数字化混沌系统中非线性空间部分的离散半动力，实现连续稳定的自保持混沌动力。具体来说是将模型中的第一级子系统、第二级子系统分别采用独立的脉冲扰动方案，并将状态反馈中两级子系统的驱动变量进行异或运算合成新动力，充当第一级子系统的输入变量。——设计目的：其一双系统控制具有实现任意一级子系统是保持连续非周期运动的离散化状态，最终生成的响应变量为一次一密的真随机序列；其二异或运算变量具有解决两级子系统同时进入退化状态的连续性混沌动力问题。c、扩展设计及应用：本模型生成的响应变量为0、1随机数，将其第二级子系统采用双结构映射参数的第二级子系统部件，生成的响应变量则为0～9随机数。具体来说是使用该部件的双结构映射参数，其一二进制映射参数010101……负责第二级子系统中状态变量的反馈控制实现自保持混沌动力；其二十进制映射参数012345……或012012……负责生成真随机响应变量。该部件中当映射参数大于或者小于10数时，需要相应调整第二级子系统的密钥长度及其n游程过滤器。本产品或电路适用于序列密码、混沌搅拌机的参数动力系统。在应用领域方面，该部件的十进制映射参数相应替换为其他符号元素或者搅拌元素如，物理、化学、生物、医学等方面的搅拌实体，通过数字化混沌动力及相应设备将搅拌元素进行充分搅拌和精细混合，具有实现构造特殊实用意义的混叠混合结构的混沌实物如，冶炼铝合金。

实施例四：参见图5，一种基于混沌数谱的数字化混沌密码方法，所述密码方法包括下述步骤和具体实施方式：

步骤一：发送编码分组明文，并将所述分组明文转换为二进制数组代码0000～1111；

步骤二：将步骤一得到的二进制数组代码0000～1111经过混沌逆映射成混沌编码0、1；

步骤三：将步骤二得到的混沌编码0、1以4组为单元，经过单密钥参数K或轮密钥参数K循环迭代地混沌逆映射成混沌编码0、1；

步骤四：将步骤三得到的混沌编码0、1构造消息摘要；

步骤五：将步骤四得到的消息摘要与消息通过公开信道传输给接收方。

具体实施方式：如图5所示，本实施例的方法实现消息数据M的摘要提取原理，是利用图1图中混沌逆映射的4：1拓扑压缩性质，进行多轮次逆向迭代实现单向不可逆及4倍倍数级递减规律的并行数据压缩处理，具有与现代Hash函数基本相同的有损数据压缩功能和应用领域，同时解决了其MD5、SHA-1中半同态碰撞压缩规律问题的技术缺陷。其中，a、参数调制方式：采用实施例二的单密钥参数k调制标准及轮密钥参数K调制方法，区别在于本模型为16数密钥长度，即采用3个0与13个1或者13个0与3个1、……8个0与8个1的混沌参数调制；b、信息处理方式：采用以64bit分组消息为单位的逐字块并行数据压缩处理如，本实施例k00～k15中矩阵输入M00～M15→矩阵输出m00～m15的并行混沌逆映射过程，分为2个流程步骤。步骤1输入消息M以64bit分组消息为单位导入消息M数据框，数据末不足64bit时填充器自动加0补齐，并将一次性连续压缩处理后输出的多组摘要m存储于暂时存储器中；步骤2将暂时存储器中的摘要m，以4组×摘要m即64bit分组消息为单位导入消息M数据框，进行连续循环地压缩处理并将单值输出的摘要m回存于暂时存储器中，直到存储器中摘要m的数据量被压缩到符合消息摘要的提取标准为止如，消息摘要256bit标准的固定取值限定范围为16～19组摘要m。最后提取消息摘要m；c、应用设计：本混沌Hash函数的设计思路与现代Hash函数基本一致，依据采用单密钥参数k的固定值、轮密钥参数K的动态值作为密钥数据，划分为无密钥和有密钥的混沌Hash函数。其中有密钥混沌Hash函数的信息处理方式，是将轮密钥参数K头尾相连构成周期循环驱动的O型极限环，并采用每切换1组16bit单密钥参数k，处理1组64bit分组消息的并行数据压缩处理。

实施例五：参见图6-7，一种基于混沌数谱的数字化混沌密码方法，所述密码方法包括下述步骤和具体实施方式：

步骤一：发送编码分组明文，并将所述分组明文转换为二进制数组代码00、01、10、11，其中本高维系统为100数密钥长度即分组明文为200bit；

步骤二：将步骤一得到的二进制数组代码00、01、10、11经过离散化映射成混沌编码00、01、10、11；

步骤三：将步骤二得到的混沌编码00、01、10、11经过开环控制或闭环控制的密钥参数K模糊化映射成序号编码00～99；

步骤四：将步骤三得到的序号编码00～99构造分组密文；

步骤五：将步骤四得到的分组密文通过公开信道传输给接收方；

步骤六：将步骤五中得到的分组密文逆转换为序号编码00～99；

步骤七：将步骤六中的序号编码00～99混沌逆映射为混沌编码00、01、10、11。

具体实施方式：如图6-7所示，本实施例方法中密钥参数K分为开环控制和闭环控制的模型设计。其一开环控制的模型设计等同于实施例一混沌序列密码设计，适用于实时加密场合的同步通信方案，主要解决了多项式序列实现并行数据动态加密的实时通信难题如，数字图像、有效视频帧的多媒体数据加密；其二闭环控制的模型设计等同于实施例二混沌分组密码设计，适用于静态加密场合的异步通信方案，主要解决了多项式序列实现并行数据静态加密的异步通信难题如，大数据文本加密。其中二者，a、参数调制方式：本实施例采用逐字符密钥流参数驱动具有生成逐字块单密钥参数k00～k99特征，其密钥流参数K采用10游程过滤器的混沌参数调制标准；b、信息处理方式：采用每切换密钥流参数K中的1bit密钥字符k，处理一组200bit（200数）分组消息的加密或解密的逐字块并行数据处理如，图6实施例k00～k99中矩阵输入m00～m99→矩阵输出c00～c99的并行混沌映射过程，图7同理。其中所述图7a图闭环控制的密钥流参数K在0、1分组明文的加密过程中，连体驱动的单密钥参数k00～k99用于第一重并行异或运算，截断驱动的单密钥参数k00～k99用于第二重并行混沌映射，其0～9分组密文的解密也同理仅次序相反；其中所述图7a图闭环控制的密钥流参数K可通过图7b图无关联的转移子密钥K1，K2，K3，……并针对加密密钥进行至少3轮次的正向迭代加密，实现无损数据的密钥转移压缩与密钥转移分解功能；其转移子密钥K1，K2，K3采用真随机数构造或采用原始密钥K经多轮次逆向迭代的Hash函数运算得出；其所述密钥转移压缩和密钥转移分解方法可独立使用。

优选的，实施例二或五任一步骤四中得到的0～9分组密文，还可采用嫁接式编码组件实现黑盒模拟性质的信息伪装功能。具体实施方式：如图8所示，本实施例的方法在于利用嫁接式编码组件作为信息载体，并利用其符号嫁接功能实现图3、图7a图构造密文数据的艺术品信息模拟与伪装，及构造非线性认证码的黑盒模拟认证方法。本实施例与数形文载专利属于同一总的发明构思，其嫁接式编码组件是依据摩尔斯电码的间歇性音频及音段规律，具体指无音表示无即○与０、有音表示有即●与１，并通过其长短音中点划线的2点定一线几何定理设计而成如，2～9嫁接式编码组件中点表示1线表示2。其中，a、符号嫁接方法：编码密文规则指0、1嫁接式编码组件为独立码，2～9嫁接式编码组件为嫁接码即字符之间采用同一横/竖/斜线随机嫁接；编码密钥规则指编码分段的序列标识和编码方向的箭号标识规则，具体遵循序号打至箭头之前及箭号之间连接处留空的标识过程；b、应用设计：本设计思路属于信息隐藏与秘密共享领域，可采用平面或者立体编码将认证信息、机密信息隐藏于艺术品装饰之中。

以上所述仅为本发明的具体实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容和附图所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。