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

郭晟南+蔣學(xué)勤

摘 要： 針對(duì)傳統(tǒng)應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)中信息加密處理的問(wèn)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(jì)。采用HIE算法對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行混亂處理，處理后的數(shù)據(jù)信息即使被泄露在沒(méi)有解譯編碼的情況下也無(wú)法進(jìn)行讀取，同時(shí)使用超混沌計(jì)算處理，保證了數(shù)據(jù)加密的嚴(yán)謹(jǐn)性，避免信息通過(guò)概率破譯的可能性。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)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(jì)了對(duì)比仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，設(shè)計(jì)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(duì)信息數(shù)據(jù)進(jìn)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(jì)算

中圖分類號(hào)： TN92?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(duì)發(fā)生緊急事故時(shí)使用的通信網(wǎng)絡(luò)裝置，是保證事故能夠進(jìn)行緊急連接的應(yīng)急裝置。通過(guò)不同的信息技術(shù)手段，運(yùn)用一定的信息安全技術(shù)條例以及信息傳輸加密措施對(duì)需要進(jìn)行傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行快速傳輸，應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)是保證出現(xiàn)事故時(shí)能夠進(jìn)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(jìn)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(guò)加密信息的手段進(jìn)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(duì)上述情況，本文設(shè)計(jì)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(jì)算方法進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的混亂編碼，經(jīng)過(guò)混亂編碼過(guò)后的信息數(shù)據(jù)在沒(méi)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(yùn)用超混沌系統(tǒng)對(duì)翻譯過(guò)后的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行混沌計(jì)算，計(jì)算過(guò)程對(duì)不同類型的信息形式進(jìn)行混沌處理，保證數(shù)據(jù)信息能夠快速準(zhǔn)確的進(jìn)行翻譯和加密，并且通過(guò)混沌處理的信息能夠消耗較小的能量進(jìn)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(jì)方法能夠在極小的信道上進(jìn)行傳輸，有效地保證了信息的傳輸概率，同時(shí)通過(guò)HIE計(jì)算過(guò)后的信息屬性發(fā)生了改變，能夠進(jìn)行斷續(xù)傳輸，如果出現(xiàn)信號(hào)中斷的情況，發(fā)送的信息會(huì)自動(dòng)編碼為未讀信息，當(dāng)通信無(wú)阻時(shí)，重新進(jìn)行依附發(fā)送。為了保證本文設(shè)計(jì)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(jì)了對(duì)比仿真實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，本文設(shè)計(jì)的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)信息加解密系統(tǒng)能夠有效地進(jìn)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(jì)方案

1.1 硬件設(shè)計(jì)

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(kù)系統(tǒng)、時(shí)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(jìn)行信息混亂處理

HIE算法主要是對(duì)傳輸?shù)男畔?shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)散和混亂處理，這樣可以保證本文設(shè)計(jì)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(jìn)行有效加密。

HIE算法的擴(kuò)散加密過(guò)程如下：

設(shè)為需要進(jìn)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(jìn)行數(shù)據(jù)擴(kuò)散，過(guò)程為：

（1）

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

（2）

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

（3）

（4）

式中：表示信息傳輸取絕對(duì)值；表示擴(kuò)散權(quán)值；表示信息能夠依附的信道寬度。通過(guò)擴(kuò)散計(jì)算便可以進(jìn)行擴(kuò)散加密處理，過(guò)程如下：

（5）

式中：為數(shù)據(jù)信息進(jìn)行擴(kuò)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(kuò)展值；Length為信息數(shù)據(jù)參數(shù)擴(kuò)散熵；為匹配函數(shù)值；表示移動(dòng)需要進(jìn)行次迭代處理；表示異或數(shù)據(jù)值；表示通過(guò)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(guò)程與加密過(guò)程相似：

（6）

經(jīng)過(guò)擴(kuò)散加密后的信息數(shù)據(jù)的安全性還不是很高，使用對(duì)應(yīng)的傳輸密鑰就可以進(jìn)行破解，同時(shí)，在傳輸過(guò)程中也無(wú)法適用于本文設(shè)計(jì)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(jìn)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(jì)算，得到明文矩陣和對(duì)應(yīng)的密文矩陣和如下：

（8）

式中為明文矩陣經(jīng)過(guò)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(guò)以下的三個(gè)步驟。假設(shè)三組信息對(duì)應(yīng)的矩陣為：

（9）

經(jīng)過(guò)密文分類后，可以得到對(duì)應(yīng)的解密密文矩陣：

（10）

經(jīng)過(guò)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(jìn)行信息識(shí)別：

（12）

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

1.3 超混沌計(jì)算加密

根據(jù)傳輸信息的特點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的超混沌計(jì)算，保證本文設(shè)計(jì)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(jìn)行深度加密，超混沌計(jì)算預(yù)處理如下：

（13）

式中：分別為數(shù)據(jù)信息對(duì)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(dòng)性。經(jīng)過(guò)預(yù)處理的數(shù)據(jù)便可以進(jìn)行超混沌加密，過(guò)程為：

（14）

（15）

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

（16）

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

2 仿真實(shí)驗(yàn)分析

為了測(cè)試本文設(shè)計(jì)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(jìn)行加密，設(shè)計(jì)了對(duì)比仿真實(shí)驗(yàn)。在應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)中使用傳統(tǒng)的方法進(jìn)行加密，同時(shí)使用本文設(shè)計(jì)的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的信息加解密系統(tǒng)進(jìn)行加密，然后使用對(duì)應(yīng)的破譯方法進(jìn)行破譯，為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的有效性，同時(shí)進(jìn)行加密傳輸。

2.1 參數(shù)設(shè)定

為了保證設(shè)計(jì)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(duì)時(shí)局進(jìn)行加密，設(shè)置明文矩陣經(jīng)過(guò)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(kuò)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)，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(guò)圖像可以看出，信息進(jìn)行傳輸?shù)倪^(guò)程中就可以被破譯出來(lái)，破譯率超過(guò)5以上說(shuō)明基本已經(jīng)被破譯。

本文系統(tǒng)的數(shù)據(jù)波動(dòng)結(jié)果如圖3所示。分析圖3結(jié)果得知，本文設(shè)計(jì)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(diǎn)都沒(méi)有超過(guò)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(jì)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(duì)應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)中的信息進(jìn)行加密，即使使用對(duì)應(yīng)的破譯系統(tǒng)都無(wú)法進(jìn)行破譯，說(shuō)明能夠達(dá)到較高的加密程度。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的信息加解密系統(tǒng)，運(yùn)用HIE計(jì)算方法對(duì)傳輸信息進(jìn)行加密，通過(guò)HIE加密的數(shù)據(jù)信息能夠有效達(dá)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(jì)算加密的方式，通過(guò)超混沌計(jì)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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