專利名稱：應(yīng)用多混沌映射多動(dòng)態(tài)s盒的分組密碼系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于信息安全領(lǐng)域中的混沌數(shù)字密碼設(shè)計(jì)技術(shù)，是一種應(yīng)用多個(gè)離散混沌映射多動(dòng)態(tài)S盒的混沌分組密碼系統(tǒng)，具體涉及一種應(yīng)用多混沌映射多動(dòng)態(tài)S盒的分組密碼系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著Internet技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)正日益廣泛的應(yīng)用到社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域，信息的安全與保密顯得尤其重要。為了保證網(wǎng)絡(luò)信息安全，國(guó)內(nèi)外研究人員設(shè)計(jì)并公布了眾多密碼算法，現(xiàn)行的密碼算法主要包括序列密碼、分組密碼、公鑰密碼、散列函數(shù)等。其中，分組密碼，也稱為塊密碼，它是現(xiàn)代密碼學(xué)中的一個(gè)重要研究分支，主要由加密算法、解密算法和密鑰編排算法三部分組成。分組密碼因具有速度快、易于標(biāo)準(zhǔn)化和便于軟硬件實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)而在計(jì)算機(jī)通信和信息系統(tǒng)安全領(lǐng)域中有著極其廣泛的應(yīng)用。
混沌是非線性確定系統(tǒng)中由于內(nèi)稟隨機(jī)性而產(chǎn)生的外在復(fù)雜表現(xiàn)，是一種貌似隨機(jī)的非隨機(jī)運(yùn)動(dòng)。混沌由于其對(duì)初值敏感性、對(duì)參數(shù)敏感性、遍歷性、類隨機(jī)性、弱相關(guān)性等特點(diǎn)，非線性科學(xué)界和信息工程界普遍關(guān)注混沌理論在信息安全和保密通信等領(lǐng)域中的應(yīng)用。近年來，研究人員提出了許多基于混沌系統(tǒng)的加密算法。但從密碼分析角度看，大多數(shù)混沌數(shù)字密碼存在著安全性不高、運(yùn)算速度慢、難以在實(shí)際中應(yīng)用等缺陷。本發(fā)明提供了一種利用多個(gè)混沌映射多個(gè)動(dòng)態(tài)S盒的分組加(解)密方法和系統(tǒng)，該密碼系統(tǒng)安全性高，運(yùn)算速度快，便于硬件實(shí)現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于克服目前技術(shù)中混沌數(shù)字密碼系統(tǒng)安全度低、運(yùn)算速度慢、難以硬件實(shí)現(xiàn)等缺陷，提供一種能提高混沌數(shù)字密碼性能的應(yīng)用多混沌映射多動(dòng)態(tài)S盒的分組密碼系統(tǒng)。
技術(shù)方案 一種應(yīng)用多混沌映射多動(dòng)態(tài)S盒的分組密碼系統(tǒng)，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息編碼理論及數(shù)字混沌技術(shù)實(shí)現(xiàn)，包括子密鑰產(chǎn)生模塊、動(dòng)態(tài)S盒生成模塊、加密模塊和解密模塊，具體運(yùn)行步驟如下 (1)在子密鑰產(chǎn)生模塊中，利用t個(gè)混沌系統(tǒng)產(chǎn)生輪循環(huán)子密鑰，t≥2，t為整數(shù)； (2)在動(dòng)態(tài)S盒生成模塊中，利用q個(gè)混沌系統(tǒng)生成z個(gè)動(dòng)態(tài)S盒，q≥2，z≥2，q、z均為整數(shù)； (3)利用加密模塊對(duì)明文件進(jìn)行加密，將明文文件按64位分成多個(gè)分組，從第一個(gè)分組開始，利用立方映射產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)h，根據(jù)該隨機(jī)數(shù)h選擇第h個(gè)S盒并利用第(1)步中子密鑰模塊產(chǎn)生的子密鑰，進(jìn)行輪循環(huán)加密運(yùn)算；在當(dāng)前的明文分組加密完成后，即可對(duì)下一個(gè)明文分組進(jìn)行加密；重復(fù)這一過程，直至處理完所有明文數(shù)據(jù)分組，h≥0，h為整數(shù)； (4)在需要解密時(shí)利用解密模塊對(duì)密文件解密，按照與加密過程相逆的順序進(jìn)行運(yùn)算獲得解密密文，即從密文文件的第一個(gè)數(shù)據(jù)塊開始，利用立方映射產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)h’，根據(jù)該隨機(jī)數(shù)h’選擇第h’個(gè)S盒并利用第(1)步中子密鑰模塊產(chǎn)生的子密鑰，進(jìn)行輪循環(huán)解密運(yùn)算；在當(dāng)前的密文塊解密完成后，即可對(duì)下一個(gè)密文塊進(jìn)行解密；重復(fù)這一過程，直至處理完所有密文塊，h’≥0，h’為整數(shù)。
步驟(1)的子密鑰產(chǎn)生模塊中使用的混沌系統(tǒng)為四個(gè)系統(tǒng)參數(shù)和初始值均不相同的一維Logistic映射，利用這四個(gè)混沌映射生成兩個(gè)128(16字節(jié))位的序列ρ和η，利用序列ρ和η生成每輪循環(huán)的64位(8字節(jié))子密鑰。
步驟(2)中動(dòng)態(tài)S盒生成模塊，設(shè)計(jì)生成z個(gè)動(dòng)態(tài)S盒所使用的混沌系統(tǒng)分別為二維Logistic映射、Standard映射、二維超混沌映射、Henón映射，生成第m個(gè)S盒的算法步驟如下，其中1≤m≤p，1＜p≤90，z≥2，m、p、z均為整數(shù)，0≤i≤749，n、k、i為自然數(shù) ST1.將相空間劃分為等長(zhǎng)的n+1＝750個(gè)區(qū)間，令0，…，n與每個(gè)區(qū)間一一對(duì)應(yīng)；若某點(diǎn)位于區(qū)間k中，則該點(diǎn)的量值記為(k+1)mod 750； ST2.選取750個(gè)初始點(diǎn)，用(xi0，yi0)表示第i個(gè)初始點(diǎn)的坐標(biāo)值；所有的縱坐標(biāo)值yi0組成初始點(diǎn)集合U；利用Chebyshev映射產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)，根據(jù)該隨機(jī)數(shù)選取一個(gè)二維離散混沌映射，對(duì)于任意的初始點(diǎn)(xi0，yi0)，迭代Ni次后得到y(tǒng)i0的像yi′；所有初始點(diǎn)yi0對(duì)應(yīng)的像組成像集合V； ST3.從集合U中找出具有唯一像的初始點(diǎn)集合Φ；選擇包含Φ中256個(gè)元素的子集A，從集合V中找出A中元素對(duì)應(yīng)的像的集合B； ST4.對(duì)集合A、B中的元素分別分配新的量值即
之間的整數(shù)，但集合A或B中各元素新的量值不能重復(fù)；若A中某個(gè)初始點(diǎn)的新量值是a，對(duì)應(yīng)像的新量值是b，則記f(a)＝b；據(jù)此求得的映射f一一對(duì)應(yīng)，f就是S盒。
步驟ST2中利用Chebyshev映射產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)，然后根據(jù)該隨機(jī)數(shù)選取二維離散混沌映射。并且，選取的混沌映射不同，進(jìn)行迭代的次數(shù)也不同。
模塊(3)負(fù)責(zé)對(duì)明文文件進(jìn)行加密，首先將明文M劃分成一系列長(zhǎng)度為64位(8字節(jié))的塊，從第一個(gè)數(shù)據(jù)塊開始，利用立方映射產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)，根據(jù)該隨機(jī)數(shù)選擇一個(gè)S盒進(jìn)行加密運(yùn)算。假設(shè)對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)塊進(jìn)行加密時(shí)循環(huán)輪數(shù)為r輪，加密過程為使用輪變換函數(shù)f和第i輪循環(huán)的子密鑰pi對(duì)數(shù)據(jù)塊的各個(gè)字節(jié)進(jìn)行異或運(yùn)算，第i輪輸出塊是第(i+1)輪的輸入(最后一輪除外)。第r輪的輸出Br＝xr，0，xr，1，…，xr，7即為密文塊。密文塊的長(zhǎng)度也是64位，和明文塊的長(zhǎng)度相同，這一結(jié)果在網(wǎng)絡(luò)保密通信中是非常有意義的。這里的輪變換函數(shù)f實(shí)質(zhì)上就是模塊(2)生成的動(dòng)態(tài)S盒。當(dāng)一個(gè)明文塊加密完成后，即可對(duì)下一個(gè)明文塊進(jìn)行加密。重復(fù)上述加密過程，直至把所有的明文數(shù)據(jù)塊全部處理完畢。
模塊(4)負(fù)責(zé)對(duì)密文文件進(jìn)行解密，解密運(yùn)算是加密的逆運(yùn)算，只須按照與加密過程相逆的順序進(jìn)行運(yùn)算即可解密密文。
Jakimoski和Kocarev在文獻(xiàn)“Differential and linear probabilities of ablock-encryption cipher”[IEEE Transactions on Circuits and Systems-I，vol.50，no.1，pp.121-123，2003]中給出了分組加密算法中函數(shù)f的微分近似概率為2-5＜DPf＝12/256＜2-4，線性近似概率為L(zhǎng)Pf≈2-3.825。同時(shí)，該文獻(xiàn)證明了分組加密算法循環(huán)輪數(shù)為11輪時(shí)，差分(線性)軌跡至少包含17個(gè)動(dòng)態(tài)S盒。本發(fā)明選取適當(dāng)?shù)难h(huán)輪數(shù)，例如取循環(huán)輪數(shù)r＝500，對(duì)于500輪循環(huán)差分軌跡至少包含(500×17)/11≈773個(gè)動(dòng)態(tài)S盒，則DP≤(2-4.678)773≈2-3615，LP≤(2-3.825)773≈2-2957。據(jù)此可知，攻擊者不可能構(gòu)建分組加密算法的差分(線性)特征，即微分或線性分析不能夠破譯密文信息。此外，本文算法的密鑰長(zhǎng)度是128位，加密強(qiáng)度是2128，如果將該密碼系統(tǒng)所使用的混沌系統(tǒng)的參數(shù)、初始值、迭代次數(shù)、S盒數(shù)目、輪循環(huán)次數(shù)r也計(jì)入密鑰，則密鑰空間將是十分巨大的，足以應(yīng)付窮舉攻擊。
本發(fā)明應(yīng)用多混沌映射多動(dòng)態(tài)S盒的分組密碼系統(tǒng)，使用模塊化程序設(shè)計(jì)方法，大大提高了加/解密運(yùn)算速度，同時(shí)便于硬件實(shí)現(xiàn)，可廣泛應(yīng)用于政府、電子商務(wù)、軍事、數(shù)字銀行等眾多領(lǐng)域。
四

圖1為本發(fā)明的子密鑰產(chǎn)生流程圖。
圖2為本發(fā)明的加密流程圖。
五具體實(shí)施例方式 實(shí)施例一參見圖1、圖2，圖1中，四個(gè)混沌映射分別迭代1600次后產(chǎn)生兩個(gè)128位的初始序列ρ和η，根據(jù)式(2)生成第i輪子密鑰pi。圖中，Ti，k表示密鑰Ti的第k個(gè)字節(jié)，T0＝ρ，Ti，16≡Ti，0，Ti，17≡Ti，1，f0＝η0，η0為128位初始序列η的第一個(gè)字節(jié)(令η＝η0η1η2…η16)，⊕表示異或運(yùn)算，函數(shù)

表示將密鑰Ti的右邊64位分配給輪子密鑰pi。
圖2中，明文塊Bi＝xi-1，0，xi-1，1，…，xi-1，7，pi-1，0，pi-1，1，…，pi-1，7是第i輪循環(huán)的子密鑰pi-1的8個(gè)字節(jié)，第i輪輸出塊Bi′＝xi，0，xi，1，…，xi，7(它為第(i+1)輪的輸入)。
本實(shí)施例提供了一種應(yīng)用多個(gè)離散混沌映射多動(dòng)態(tài)S盒的混沌分組密碼系統(tǒng)，該密碼系統(tǒng)共包括四個(gè)模塊，下面對(duì)每一模塊的實(shí)施方式作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
子密鑰產(chǎn)生模塊方式 本模塊中使用的混沌系統(tǒng)為下列四個(gè)一維離散Logistic映射 式(1)中，xni(i＝1，2，3，4)表示第i個(gè)Logistic映射迭代n次后的值，為消除初始值的影響，將上述各映射分別迭代200次，得到x200i。以x200i作為初始值，將上述各映射分別迭代1600次。設(shè)第i個(gè)映射的第j次迭代值為xji，用二進(jìn)制形式表示為bjni表示xji的第n個(gè)二進(jìn)制位。從xji(i＝1，2，3，4)中抽取第4、第5二進(jìn)制位上的數(shù)值，得到一個(gè)8位的序列bj41bj42bj43bj44bj51bj52bj53bj54，以類似的方式總共抽取16次得到兩個(gè)128位的序列 ρ＝B100，4B100，5B200，4B200，5B300，4B300，5…B1600，4B1600，5， η＝B50，4B50，5B150，4B150，5B250，4B250，5…B1550，4B1550，5， 這里， 本分組密碼系統(tǒng)中，假設(shè)輪循環(huán)次數(shù)為r，執(zhí)行第i輪循環(huán)的函數(shù)f依賴于第i輪子密鑰pi的值，子密鑰長(zhǎng)度是64位。第i輪循環(huán)子密鑰pi的產(chǎn)生方法為
式(2)中，i＝1，…，r，k＝1，…，16，Ti，k表示密鑰Ti的第k個(gè)字節(jié)，T0＝ρ，Ti，16≡Ti，0，Ti，17≡Ti，1，f0＝η0，η0為128位序列η的第一個(gè)字節(jié)(令η＝η0η1η2…η16)。這里，函數(shù)

表示將密鑰Ti的右邊64位分配給輪子密鑰pi。
動(dòng)態(tài)S盒生成模塊方式 模塊(2)中設(shè)計(jì)生成多個(gè)動(dòng)態(tài)S盒所選用的混沌映射如下 二維Logistic映射 Standard映射 二維超混沌映射 Henón映射 生成第m(1≤m≤t，1＜t≤90)個(gè)S盒的算法步驟如下 ST1.將相空間劃分為等長(zhǎng)的750個(gè)區(qū)間，令0，1，2，…，749與每個(gè)區(qū)間一一對(duì)應(yīng)。若某點(diǎn)位于區(qū)間k中，則記該點(diǎn)的量值為(k+1)mod 750。
ST2.選取750個(gè)初始點(diǎn)，用(xi0，yi0)表示第i(0≤i≤749)個(gè)初始點(diǎn)的坐標(biāo)值，所有的縱坐標(biāo)值yi0(0≤i≤749)構(gòu)成初始點(diǎn)集合U。根據(jù)Chebyshev映射產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)，Chebyshev映射定義如下 xn+1＝cos(σarccos(xn))，σ＝2.5，xn∈[-1，1]。
利用Chebyshev映射產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的具體方法是任意選取初始值x0，將Chebyshev映射迭代N次后得到xN，然后計(jì)算Floor(10*|xN|)mod 4的結(jié)果即為所求，函數(shù)Floor(x*)表示取不大于x*的最大整數(shù)。然后根據(jù)該隨機(jī)數(shù)按照如下規(guī)則選擇混沌映射和迭代次數(shù)若隨機(jī)數(shù)為0，選擇二維Logistic映射，迭代1500次；若隨機(jī)數(shù)為1，選擇Standard映射，迭代2000次；若隨機(jī)數(shù)為2，選擇二維超混沌映射，迭代2300次；若隨機(jī)數(shù)為3，選擇Henón映射，迭代2800次。對(duì)于任意的初始點(diǎn)(xi0，yi0)，經(jīng)過迭代Ni次后得到y(tǒng)i0的像yi′，將所有初始點(diǎn)yi0(0≤i≤749)對(duì)應(yīng)的像組成像集合V。顯然，集合U，V中的元素個(gè)數(shù)均為750。
ST3.從集合U中找出具有唯一像的初始點(diǎn)集合Φ，選擇包含Φ中256個(gè)不同元素的子集A，從集合V中找出A中元素對(duì)應(yīng)的像的集合B。
ST4.對(duì)集合A、B中的元素分別分配新的量值(
之間的整數(shù))，但集合A(B)中各元素新的量值不能出現(xiàn)相同值。若A中某個(gè)元素的新量值是a，對(duì)應(yīng)像的新量值是b，則記f(a)＝b。據(jù)此求得的映射f一一對(duì)應(yīng)，f就是S盒。
步驟ST1中選取區(qū)間個(gè)數(shù)的方法為若設(shè)混沌映射具有均勻分布、各態(tài)遍歷的不變測(cè)度，設(shè)步驟ST1中劃分的區(qū)間個(gè)數(shù)為n+1，根據(jù)文獻(xiàn)“Chaos andcryptographyblock encryption ciphers based on chaotic maps”[IEEE Transactionson Circuits and Systems-I，vol.48，no.2，pp.163-168，2001]，則給定像Ij剛好是某個(gè)初始點(diǎn)的像的概率為 并有l(wèi)imn→∞P(Ij)＝1/e。因此當(dāng)n較大時(shí)，對(duì)應(yīng)于某初始點(diǎn)的像的概率為1/e。若要構(gòu)造映射f{0，…，j-1}→{0，…，j-1}，對(duì)于較大的n值，區(qū)間的數(shù)量應(yīng)略大于je。當(dāng)j＝256時(shí)，劃分區(qū)間的數(shù)量應(yīng)略大于256e≈696。在本分組密碼系統(tǒng)中，選取區(qū)間個(gè)數(shù)為750。
按照以上算法，可以生成多個(gè)不同的動(dòng)態(tài)S盒。生成多個(gè)動(dòng)態(tài)S盒的算法源代碼如下 int func[50][256]；//動(dòng)態(tài)S盒，這里假設(shè)生成50個(gè)S-box double comp(double startpointx，double startpointy)//計(jì)算迭代N次后的值 { int rndNum； double xx，x，y，z； //利用Chebyshev映射產(chǎn)生隨機(jī)數(shù) z＝startpointx； for(i＝0；i＜1200；i++) { z＝cos(2.5*arccos(z))； } rndNum＝floor(abs(z))％4； x＝startpointx； y＝startpointy； Switch(rndNum) { Case 0 for(i＝0；i＜1500；i++)//選擇二維Logistic映射迭代 { xx＝x； x＝x+0.65*(x-x*x+y)； y＝y(tǒng)+0.65*(y-y*y+xx)； } break； Case 1 for(i＝0；i＜2000；i++)//選擇Standard映射迭代 { x＝x+3*sin(y)； y＝y(tǒng)+x； } break； Case 2 for(i＝0；i＜2300；i++)//選擇二維超混沌映射迭代{ xx＝x； x＝1.3*y*y； y＝-1.05+1.15*xx-0.2*y；}break； Case 3 for(i＝0；i＜2800；i++)//選擇Henón映射迭代 { xx＝x； x＝1-1.4*x*x+y； y＝0.3*x； } break； } return y； } //生成多動(dòng)態(tài)S盒函數(shù)Sbox() void Sbox() { int i，j，k，sno，min，num，s； int magnitude[750]，flag[750]，SetA[256]，SetB[256]，refunc[256]； double d，startpointx，startpointy，image； double startarray[750]，imagearray[750]； d＝2.56/750； for(sno＝0；sno＜50；sno++) { startpointx＝-(0.02+sno*0.02)*d； startpointy＝-(0.05+sno*0.05)*d； s＝0； for(i＝0；i＜750；i++) { flag[i]＝0； magnitude[i]＝0； startarray[i]＝0； imagearray[i]＝0； } for(i＝0；i＜256；i++) { SetA[i]＝0； SetB[i]＝0； refunc[i]＝0； func[sno][i]＝0； } /*********選擇初始點(diǎn)，并隨機(jī)選擇混沌映射計(jì)算其對(duì)應(yīng)的像值************/ for(i＝0；i＜750；i++) { Startpointx＝startpointx+d； Startpointy＝startpointy+2*d； startarray[i]＝startpointy； image＝comp(startpointx，startpointy)； imagearray[i]＝image； } /************選擇具有唯一像的初始點(diǎn)集合A，包含元素256個(gè)************/ for(j＝0；j＜750；j++) { magnitude[j]＝floor(imagearray[j]/d)； if(flag[magnitude[j]]＝＝0) { if(s＜256) { SetA[s]＝j(luò)； s++； flag[magnitude[j]]＝1； } else goto OutputB； } } /************生成與集合A相對(duì)應(yīng)的像集合B，包含元素256個(gè)************/ OutputB for(k＝0；k＜256；k++) { i＝SetA[k]； SetB[k]＝magnitude[i]； } for(i＝0；i＜256；i++) { min＝750； for(j＝0；j＜256；j++) { if(SetB[j]＜min) { min＝SetB[j]； num＝j(luò)； } } subsetb[num]＝750； refunc[i]＝num； } /********對(duì)集合A、B中的元素重新分配量值，構(gòu)造一一對(duì)應(yīng)f，即S盒********/ for(i＝0；i＜256；i++) { for(j＝0；j＜256；j++) { if(refunc[j]＝＝i) { func[sno][i]＝j(luò)； break； } } } } } 加密模塊實(shí)施方式 將明文M劃分成一系列長(zhǎng)度為64位的塊
令xi，0，xi，1，…，xi，7表示塊Bi的8個(gè)字節(jié)，即Bi＝xi，0，xi，1，…，xi，7。使用輪變換函數(shù)f對(duì)每一數(shù)據(jù)塊依次進(jìn)行加密，假設(shè)每個(gè)數(shù)據(jù)塊加密時(shí)循環(huán)輪數(shù)為r輪，則對(duì)塊Bi的加密過程可用下式描述 式(3)中，i＝1，…，r，f0＝pi，0，函數(shù)fj(1≤j≤7)定義如下 fj＝f[xi-1，1⊕…⊕xi-1，j⊕pi-1，j]，(4) 式(4)中，函數(shù)fχ→χ(χ＝{0，1，2，…，255})就是模塊(2)生成的動(dòng)態(tài)S盒，pi，0，pi，1，…，pi，7是第i輪循環(huán)的子密鑰pi的8個(gè)字節(jié)。從式(3)可知，第i輪輸出塊Bi＝xi，0，xi，1，…，xi，7是第(i+1)輪的輸入(最后一輪除外)。因此，第r輪(最后一輪)的輸出Br＝xr，0，xr，1，…，xr，7即為密文塊。密文塊的長(zhǎng)度也是64位(8個(gè)字節(jié))，和明文塊的長(zhǎng)度相同。以往很多混沌密碼算法的密文文件大小為明文文件大小的2倍，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)將消耗大量的時(shí)間，這很不利于大文件的網(wǎng)絡(luò)傳輸，而本發(fā)明剛好可克服這一缺點(diǎn)。使用上述加密算法從明文文件的第一個(gè)數(shù)據(jù)塊開始，利用立方映射產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)，根據(jù)該隨機(jī)數(shù)選擇一個(gè)S盒進(jìn)行加密運(yùn)算。當(dāng)一個(gè)明文塊加密完成后，即可對(duì)下一個(gè)明文塊進(jìn)行加密。重復(fù)上述加密過程，直至把所有的明文數(shù)據(jù)塊全部處理完畢。
立方映射定義如下 假設(shè)共有N個(gè)S盒，利用立方映射產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的具體方法是任意選取初始值x0，迭代k次后得到像xk，然后計(jì)算Ceil(100*|xk|)mod N就是所要求的隨機(jī)數(shù)，函數(shù)Ceil(x*)表示取大于x*的最小整數(shù)。
解密模塊實(shí)施方式 解密過程與加密過程類似，只須按照與加密過程相逆的順序進(jìn)行運(yùn)算即可。從密文文件的第一個(gè)數(shù)據(jù)塊開始，利用立方映射產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)(隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生方式同上)，根據(jù)該隨機(jī)數(shù)選擇一個(gè)S盒進(jìn)行解密運(yùn)算。令密文塊Ci＝zi，0，zi，1，…，zi，7，zi，0，zi，1，…，zi，7是塊Ci的8個(gè)字節(jié)。對(duì)密文塊Ci的解密過程可用下式描述 zi-1，k＝zi，k+1⊕fk-1[zi，1，…，zi，k-1，pi，k-1]， (5) 式(5)中，k＝1，…，8，f0＝pi，0，zi，8≡zi，0，zi，9≡zi，1，函數(shù)fk(1≤k≤7)定義同式(4)，pi，0，pi，1，…，pi，7是第i輪循環(huán)的子密鑰pi的8個(gè)字節(jié)。與加密過程類似，第i輪輸出塊Ci＝zi，0，zi，1，…，zi，7是第(i+1)輪的輸入，第r輪(最后一輪)的輸出Cr＝zr，0，zr，1，…，zr，7即為明文塊。當(dāng)一個(gè)密文塊解密完成后，即可對(duì)下一個(gè)密文塊進(jìn)行解密。重復(fù)上述解密過程，直至把所有的密文數(shù)據(jù)塊全部處理完畢。
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)用多混沌映射多動(dòng)態(tài)S盒的分組密碼系統(tǒng)，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息編碼理論及數(shù)字混沌技術(shù)實(shí)現(xiàn)，其特征在于，包括子密鑰產(chǎn)生模塊、動(dòng)態(tài)S盒生成模塊、加密模塊和解密模塊，具體運(yùn)行步驟如下
(1)在子密鑰產(chǎn)生模塊中，利用t個(gè)混沌系統(tǒng)產(chǎn)生輪循環(huán)子密鑰，t≥2，t為整數(shù)；
(2)在動(dòng)態(tài)S盒生成模塊中，利用q個(gè)混沌系統(tǒng)生成z個(gè)動(dòng)態(tài)S盒，q≥2，z≥2，q、z均為整數(shù)；
(3)利用加密模塊對(duì)明文件進(jìn)行加密，將明文文件按64位分成多個(gè)分組，從第一個(gè)分組開始，利用立方映射產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)h，根據(jù)該隨機(jī)數(shù)h選擇第h個(gè)S盒并利用第(1)步中子密鑰模塊產(chǎn)生的子密鑰，進(jìn)行輪循環(huán)加密運(yùn)算；在當(dāng)前的明文分組加密完成后，即可對(duì)下一個(gè)明文分組進(jìn)行加密；重復(fù)這一過程，直至處理完所有明文數(shù)據(jù)分組，h≥0，h為整數(shù)；
(4)在需要解密時(shí)利用解密模塊對(duì)密文文件解密，按照與加密過程相逆的順序進(jìn)行運(yùn)算獲得解密密文，即從密文文件的第一個(gè)數(shù)據(jù)塊開始，利用立方映射產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)h’，根據(jù)該隨機(jī)數(shù)h’選擇第h’個(gè)S盒并利用第(1)步中子密鑰模塊產(chǎn)生的子密鑰，進(jìn)行輪循環(huán)解密運(yùn)算；在當(dāng)前的密文塊解密完成后，即可對(duì)下一個(gè)密文塊進(jìn)行解密；重復(fù)這一過程，直至處理完所有密文塊，h’≥0，h’為整數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分組密碼系統(tǒng)，其特征在于，步驟(1)的子密鑰產(chǎn)生模塊中使用的混沌系統(tǒng)為四個(gè)系統(tǒng)參數(shù)和初始值均不相同的一維Logistic映射，利用這四個(gè)混沌映射生成兩個(gè)128位的序列ρ和η，利用序列ρ和η生成每輪循環(huán)的64位子密鑰。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分組密碼系統(tǒng)，其特征在于，步驟(2)中動(dòng)態(tài)S盒生成模塊，設(shè)計(jì)生成z個(gè)動(dòng)態(tài)S盒所使用的混沌系統(tǒng)分別為二維Logistic映射、Standard映射、二維超混沌映射、Henón映射，生成第m個(gè)S盒的算法步驟如下，其中1≤m≤p，1＜p≤90，z≥2，m、p、z均為整數(shù)，0≤i≤749，n、k、i為自然數(shù)
ST1.將相空間劃分為等長(zhǎng)的n+1＝750個(gè)區(qū)間，令0，…，n與每個(gè)區(qū)間一一對(duì)應(yīng)；若某點(diǎn)位于區(qū)間k中，則該點(diǎn)的量值記為(k+1)mod 750；
ST2.選取750個(gè)初始點(diǎn)，用(xi0，yi0)表示第i個(gè)初始點(diǎn)的坐標(biāo)值；所有的縱坐標(biāo)值yi0組成初始點(diǎn)集合U；利用Chebyshev映射產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)，根據(jù)該隨機(jī)數(shù)選取一個(gè)二維離散混沌映射，對(duì)于任意的初始點(diǎn)(xi0，yi0)，迭代Ni次后得到y(tǒng)i0的像yi′；所有初始點(diǎn)yi0對(duì)應(yīng)的像組成像集合V；
ST3.從集合U中找出具有唯一像的初始點(diǎn)集合Φ；選擇包含Φ中256個(gè)元素的子集A，從集合V中找出A中元素對(duì)應(yīng)的像的集合B；
ST4.對(duì)集合A、B中的元素分別分配新的量值即
之間的整數(shù)，但集合A或B中各元素新的量值不能重復(fù)；若A中某個(gè)初始點(diǎn)的新量值是a，對(duì)應(yīng)像的新量值是b，則記f(a)＝b；據(jù)此求得的映射f一一對(duì)應(yīng)，f就是S盒。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用多混沌映射多動(dòng)態(tài)S盒的分組密碼系統(tǒng)，包括子密鑰產(chǎn)生模塊、動(dòng)態(tài)S盒生成模塊、加密模塊和解密模塊，首先利用多個(gè)混沌系統(tǒng)產(chǎn)生輪循環(huán)子密鑰，利用多個(gè)混沌系統(tǒng)生成多個(gè)動(dòng)態(tài)S盒；利用加密模塊對(duì)明文件進(jìn)行加密，明文文件被加密后，若需要解密時(shí)利用解密模塊按照與加密過程相逆的順序?qū)γ芪募饷?。本發(fā)明應(yīng)用多混沌映射多動(dòng)態(tài)S盒的分組密碼系統(tǒng)，使用模塊化程序設(shè)計(jì)方法，大大提高了加/解密運(yùn)算速度，同時(shí)便于硬件實(shí)現(xiàn)，可廣泛應(yīng)用于政府、電子商務(wù)、軍事、數(shù)字銀行等眾多領(lǐng)域。
文檔編號(hào)H04L9/08GK101814985SQ20101909700
公開日2010年8月25日 申請(qǐng)日期2010年2月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月8日
發(fā)明者武相軍, 路楊, 王紅濤, 王慧, 賈培艷, 張濟(jì)仕 申請(qǐng)人:河南大學(xué)