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基于混沌流密碼體制的信息隱藏算法研究

2021-01-23 07:59:44
通信電源技術(shù) 2020年19期
關(guān)鍵詞:明文密文信息熵

王 志

(鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院,河南 鄭州 451100)

0 引 言

數(shù)字信息作為溝通與交流的主要載體,在網(wǎng)絡(luò)上傳播與共享時容易被復(fù)制和更改,可能會出現(xiàn)安全隱患,如混淆版權(quán)和影響真實性等問題,還會使重要信息被泄露,利用和泄露信息從事非法活動嚴重時甚至?xí)曳€(wěn)定和安全造成威脅[1]。因此信息安全問題受到了廣泛關(guān)注,信息技術(shù)的應(yīng)用也對通信安全提出了更高的要求。

傳統(tǒng)的通信保密方式是使用密鑰或公鑰系統(tǒng)對通信內(nèi)容加密,沒有密鑰的接收者就無法獲得明文,但是這種方法容易明顯分辨出被傳輸?shù)男畔?,?dǎo)致被監(jiān)聽者破解,而且隨著計算機技術(shù)的提高,破解密鑰的速度也隨之加快[2]。加密信息被破解后,通信保密問題面臨嚴峻的考驗,因此信息隱藏技術(shù)應(yīng)運而生。信息隱藏是將信息隱藏到不容易被注意的載體中,載體可以是文本、圖像、音頻以及視頻,信息隱藏能夠利用載體進行信息傳送和保護版權(quán),起到信息保護的作用?;煦缌髅艽a體制提供了多種混沌函數(shù)和參數(shù),使信息編碼方式多樣化,提升了加密復(fù)雜性,有利于保障開放網(wǎng)絡(luò)中的信息安全[3]。因此,本文基于混沌流密碼體制研究信息隱藏算法,提高信息隱蔽性,降低被截取和破解的幾率,為促進通信安全提供一定理論基礎(chǔ)。

1 設(shè)計共享矩陣混沌加密算法

根據(jù)混沌流密碼體制特性,設(shè)計分存算法,將原始信息變成隨機序列,將密鑰隱藏其中,再利用共享矩陣對隱藏信息編碼。

1.1 混沌信息加密

混沌密碼體制利用隨機序列可以實現(xiàn)加密,提高共享安全性。將大小為W的原始信息轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)矩陣U,利用隨機數(shù)產(chǎn)生密鑰K,可表示為:

式中,ki表示隨機數(shù),ki∈{0,1},;i為個數(shù),1≤i≤192。利用密鑰K產(chǎn)生混沌序列的初始值,將混沌序列初值代入,取模運算,混沌信息加密公式為:

式中,Cx(1)表示序列。

1.2 加密信息共享編碼

通過共享矩陣對加密數(shù)據(jù)進行編碼,形成分存加密信息。將得到的共享矩陣S(k,n)進行重復(fù)列擴展,擴展為n×(W+24)。對E編碼,分析其中元素,若共享矩陣中為1,則保留E中該位置,若共享矩陣中為0,則刪除E中該位置,最終經(jīng)過編碼得到降階矩陣,設(shè)定為Hi,i與共享矩陣的參數(shù)n有關(guān),經(jīng)過降階,數(shù)據(jù)量減少一半。將共享信息融合入降階矩陣中得到融合列矩陣,設(shè)定為Fi,融合方式可表示為:

式中,D和B與Ne有關(guān),Ne為列提取矩陣;D表示1×2階矩陣;B表示列矩陣。融合后分別對應(yīng)i個份額,分別存在每個接收者中,只有擁有一定數(shù)量份額才能實現(xiàn)數(shù)據(jù)恢復(fù),從而產(chǎn)生加密作用。

1.3 信息重建

2 混沌密碼與整數(shù)變換相結(jié)合的可逆信息隱藏算法

為防止信息在傳播過程中被識別和攻擊,將加密與信息隱藏相結(jié)合得到加密偽裝信息。設(shè)計混沌密碼與整數(shù)變換相結(jié)合的算法,充分利用信息數(shù)據(jù)內(nèi)部相關(guān)性和差異值達到信息隱藏目的,且算法是可逆的,具有較高的信息嵌入率。

判斷拓展算法得到的像素值、差異值以及設(shè)定的門限值,若A、B、C以及D均為奇數(shù),則表明為可嵌入信息塊,若其中存在偶數(shù),則利用原始像素計算差異擴展值。將機密信息w1、w2以及w3藏入差異像素值中,表示為:

若差異像素值≥252或≤3,則表明該矩陣不能隱藏信息,則把設(shè)置為奇數(shù),其余位置不變,記錄原始像素A的最低有效位。判斷以及是否>255或<0,若其中的一個值符合該條件,則嵌入信息失敗,需重新計算,若都不符合條件,則表明能夠嵌入信息,可以繼續(xù)下一個分塊矩陣,直到將所有信息嵌入,得到最終的嵌入矩陣。

3 仿真實驗及分析

為驗證信息隱藏算法的有效性,以圖像作為隱藏信息載體進行測試,從信息熵和敏感性方面對算法進行評估。信息熵能夠反映信息隨機程度,可以表現(xiàn)出加密效果。分別計算4種明文圖像和加密后的密文圖像的信息熵值、壓縮度以及冗余度,明文和密文圖像信息如表1所示。

表1 明文、密文圖像信息熵、壓縮度和冗余度對比結(jié)果

由表1可知,與明文相比,密文的信息熵、壓縮度以及冗余度有顯著提升,密文信息熵值接近理論值8,冗余度均小于0.05%,說明加密效果較好,達到了信息熵標準,像素值隨機分布,沒有原始信息泄露。在圖像加密隱藏信息過程中應(yīng)注意選擇合適的門限值,隨門限值變化,同一圖像的偽裝質(zhì)量有微弱下降變化,藏入信息后與原始圖像的差別無法用人眼識別,說明有較好的抗信息識別能力。

將本文算法與文獻[2]方法和文獻[3]方法進行安全性能比較分析,對比加密、解密速度以及明文和密文敏感性,比較結(jié)果如表2所示。

表2 敏感性對比分析結(jié)果

由表2可知,經(jīng)過對比分析,本文算法在加密、解密速度以及敏感性方面都較為優(yōu)秀,因此適合用于實際應(yīng)用。

4 結(jié) 論

通過研究混沌流密碼體制的信息隱藏算法可知,設(shè)計的算法加密和解密速度較快,且密鑰空間大,信息熵接近理論值,是一種安全性能優(yōu)秀的信息隱藏算法,但本文研究還存在一定不足,因此后續(xù)應(yīng)進行拓展性研究,設(shè)計出既可逆又高容量的信息隱藏算法。

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