基于量子细胞神经网络的弱密码超混沌加密方法,涉及信息安全技术领域,解决现有密码系统由于受有限的密钥空间的限制,在受到暴力破解攻击时,其安全性难以得到保证的问题,本发明的加密方法采用量子细胞神经网络的超混沌特性和人脑模式识别的优势相结合;将安全密码分为两个部分,其中一部分转化为图片形式,应用超混沌系统的高复杂性,对初值和控制参数极端敏感的特征,加密图像;另一部分密钥采用AES加密方法加密,两部分共同对数据加密形成一个安全密码。本发明所述的加密方法密钥空间大,抵抗暴力攻击的能力明显增强;再使用较少的密码位数的同时,降低了加密过程中的计算量,具有安全性高,用户记忆便捷的特点。
1.基于量子细胞神经网络的弱密码超混沌加密方法,其特征是,该方法由以下步骤实现:步骤一、选定长度为n位的密码作为加密对象,n为正整数;步骤二、将步骤一选定的n位密码拆分为m位的短密码SP和k位的强密钥SK,所述m和k为正整数;步骤三、将步骤二拆分的强密钥SK嵌入二维图像中,获得图像强密钥ISK;步骤四、对步骤三获得的图像强密钥ISK进行离散混沌映射,并设定控制参数,获得置乱图像S_ISK,并将置乱图像S_ISK按照从上到下,从左到右的顺序进行排列,获得置乱序列S;步骤五、选择量子细胞神经网络超混沌系统,并设定初值及控制参数,采用四阶龙格-库塔法对所述的量子细胞神经网络超混沌系统进行迭代求解,获得混沌序列K;步骤六、采用混沌序列K对步骤四获得的置乱序列S进行扩散处理,实现置乱图像S_ISK的均衡化,得到加密序列C,并对加密序列C按照从上到下,从左到右的顺序进行排列,生成加密图像C_final;步骤七、对步骤二拆分的m位短密码SP采用AES加密方法进行加密后与步骤六生成的加密图像C_final合并,共同作为加密密码传输。
2.根据权利要求1所述的基于量子细胞神经网络的弱密码超混沌加密方法,其特征在于,步骤四所述的对图像强密钥ISK进行离散混沌映射,并设定控制参数,获得置乱图像S_ISK的具体过程为:采用可变参数Cat映射,所述Cat映射的方程定义用等式一表示为:等式一 x n + 1 y n + 1 = A x n y n mod ( N ) = 1 p q pq + 1 x n y n mod ( N ) ]]>其中,设定图像强密钥ISK为N×N像素的灰度图像,控制参数为p,q为正整数,由用户设定,要求满足det(A)=1;将图像强密钥ISK根据等式一排列,转化为置乱图像S_ISK。
3.根据权利要求1所述的基于量子细胞神经网络的弱密码超混沌加密方法,其特征在于,步骤五所述的采用的量子细胞神经网络系统模型公式一表示为:公式一 P · 1 = - 2 a 1 1 - P 1 2 sin φ 1 φ · 1 = - ω 1 ( P 1 - P 2 ) + 2 a 1 P 1 1 - P 1 2 cos φ 1 P · 2 = - 2 a 2 1 - P 2 2 sin φ 2 φ · 2 = - ω 2 ( P 2 - P 1 ) + 2 a 2 P 2 1 - P 2 2 cos φ 2 ]]>式中,P₁和P₂分别为两个量子细胞自动机的极化率,φ₁和φ₂为两个量子细胞自动机的相位,a1和a2是与每个两个量子细胞自动机内量子点间能量成正比的系数,ω₁和ω₂是相邻量子细胞自动机极化率之差的加权影响系数;当ω₁=ω₂=0.5,a₁=a₂=0.075时,量子细胞神经网络系统处于超混沌态;其中,a1和a2,ω₁和ω₂的值可以由用户选取;采用公式一进行第i(i=1,2,...,(N×N)/4)次迭代时,产生的四个值分别为:{x₁(i),x₂(i),x₃(i),x₄(i)},所述四个值用于生成混沌序列ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="700"/>i=1,2,...,(N×N)/4;所述生成混沌序列K通过公式二求取:公式二: K x 1 ( i ) = mod ( round ( ( abs ( x 1 ( i ) ) - floor ( abs ( x 1 ( i ) ) ) ) × 10 14 + S 4 ( i - 1 ) ) , N ) K x 2 ( i ) = mod ( round ( ( abs ( x 2 ( i ) ) - floor ( abs ( x 2 ( i ) ) ) ) × 10 14 + S 4 ( i - 1 ) + 1 ) , N ) K x 3 ( i ) = mod ( round ( ( abs ( x 3 ( i ) ) - floor ( abs ( x 3 ( i ) ) ) ) × 10 14 + S 4 ( i - 1 ) + 2 ) , N ) K x 4 ( i ) = mod ( round ( ( abs ( x 4 ( i ) ) - floor ( abs ( x 4 ( i ) ) ) ) × 10 14 + S 4 ( i - 1 ) + 3 ) , N ) . ]]>
4.根据权利要求1所述的基于量子细胞神经网络的弱密码超混沌加密方法,其特征在于,步骤六中的图像均衡化采用公式三实现,获得加密序列C, C 4 ( i - 1 ) + 1 = bit xor ( S 4 ( i - 1 ) + 1 , K x 1 ( i ) ) C 4 ( i - 1 ) + 2 = bit xor ( S 4 ( i - 1 ) + 2 , K x 2 ( i ) ) C 4 ( i - 1 ) + 3 = bit xor ( S 4 ( i - 1 ) + 3 , K x 3 ( i ) ) C 4 i = bit xor ( S 4 i , K x 4 ( i ) ) ]]>对加密序列C进行按照从上到下,从左到右的顺序进行排列,生成加密图像。技术领域
本发明涉及信息安全技术领域,具体涉及一种基于量子细胞神经网络的弱密码超混沌加密方法。
背景技术
计算机和信息安全问题已经被深入的研究超过50年了。包括加密算法、计算装置、操作系统和网络的一般安全。其中密码系统广泛的应用于身份验证和数据加密。人类记住密码的能力有限并且倾向于选择过于简单和可被预见的弱密码。由此,弱密码相关的漏洞成为广泛存在的安全问题。全世界的用户和企业都在寻找解决弱密码问题的方法。据统计,2009年86%的美国公司将使用密码认证和加密。如果将弱密码作为一个强有力的加密或者身份认证来使用,则可能会使系统易于受到暴力密码查找的进攻。研究表明,用户通常用简单的,可被预见的密码来对待密码这个复杂的问题。Schneierxa0调查了34,000个“Myspace”的在线用户密码:其中65%的用户选择使用8位字符,而使用“password1”,xa0“abc123”,xa0“myspace1”,和“password”这类密码的更是大有人在。还有相当数量的用户将所有的账户都设为同一个密码,或把密码写在记事本里,或把密码记录在一个表格里,或反复循环使用旧密码这类方法。Horowitzxa0报告了15-20%的用户整齐的把密码写在即时贴上并且贴在电脑屏幕上。另一项调查发现66%的用户工作时把密码记录在纸上,58%记录在表格里。弱密码相关的缺陷对世界经济有重大的影响,现有商用的对称加密体制一般为DES(数据加密标准)和AES(高级加密标准)。对于一个使用AES算法的完全随机的理想密钥,一个暴力查找攻击在现在将来或者是不可行的。但是,当密钥被限制于一个较小的子空间时,情况将发生戏剧性的改变。而实际情况是,通常关键字是被人记忆的密码,或者是攻击者通过相应的破解机制可以获取的。对于这样一个很小的密钥子空间,暴力查找就会有效。量子细胞自动机(Quantumxa0cellularxa0automata,QCA)是一种纳米级的新型电子器件,具有超高集成度,超低功耗和无引线集成等优点,是新一代电子元件之一。近年来国外学者以Schrodinger方程为基础利用蔡氏细胞神经网络的机构用QCA构造了细胞局部耦合的网络,即量子细胞神经网络(QCNN)。由于量子点之间的量子相互作用,可从每个细胞的极化率获得复杂的动力学特性。
发明内容
本发明为解决现有密码系统由于受有限的密钥空间的限制,在受到暴力破解攻击时,其安全性难以得到保证的问题,提供一种基于量子细胞神经网络的弱密码超混沌加密方法。基于量子细胞神经网络的弱密码超混沌加密方法,该方法由以下步骤实现:步骤一、xa0选定长度为n位的密码作为加密对象,n为正整数;步骤二、xa0将步骤一选定的n位密码拆分为m位的短密码SP和k位的强密钥SK,所述m和k为正整数;步骤三、xa0将步骤二拆分的强密钥SK嵌入二维图像中,获得图像强密钥ISK;步骤四、xa0对步骤三获得的图像强密钥ISK进行离散混沌映射,并设定控制参数,获得置乱图像S_ISK,并将置乱图像S_ISK按照从上到下,从左到右的顺序进行排列,获得置乱序列S;步骤五、xa0选择量子细胞神经网络超混沌系统,并设定初值及控制参数。采用四阶龙格-库塔法对所述的量子细胞神经网络超混沌系统进行迭代求解,获得混沌序列K;步骤六、采用混沌序列K对步骤四获得的置乱序列S进行扩散处理,实现置乱图像S_ISK的均衡化,得到加密序列C,并对加密序列C按照从上到下,从左到右的顺序进行排列,生成加密图像C_final;步骤七、对步骤二拆分的m位短密码SP采用AES加密方法进行加密后与步骤六生成的加密图像C_final合并,共同作为加密密码传输。本发明的有益效果:本发明提出了一种基于量子细胞神经网络的弱密码超混沌加密方法,该密码方案将量子细胞神经网络的超混沌特性和人脑模式识别的优势相结合。将安全密码分为两个部分,其中部分转化为图片形式,应用超混沌系统的高复杂性,对初值和控制参数极端敏感的特征,加密图像,由用户来记忆图像,方便用户使用;另一部分密钥采用传统的密码加密方案。两部分共同对数据加密形成一个安全密码。密钥空间大,抵抗暴力攻击的能力明显增强;对于105个SP组合进行暴力破解所需要花费很相当长的时间。简单的增长SP空间到106就极大的限制了攻击者,同时仍然保持相当短的密码。本发明的弱密码系统,使用较少的密码位数,极大的降低了加密过程中的计算量,达到了较高的安全水平,本发明所述方法具有安全性高,用户记忆便捷的特点。
附图说明
图1为本发明所述的基于量子细胞神经网络的弱密码超混沌加密方法的加密解密及攻击示意图;图2为本发明所述的基于量子细胞神经网络的弱密码超混沌加密方法的加密流程图;图3为本发明所述的基于量子细胞神经网络的弱密码超混沌加密方法的加密效果图;其中图A为原始图像,图B为加密图像,图C正确解密图像,图D为错误解密图像。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1至图3说明本实施方式,基于量子细胞神经网络的弱密码超混沌加密方法,该方法由以下步骤实现:A1、xa0选定长度为n的密码作为加密对象,n为正整数,所述n的组合长度在合理范围内(如105个组合);B1、xa0将n位密码拆分为m位的短密码SP和k位的强密钥SK;C1、xa0将强密钥SK嵌入二维图像中,形成图像强密钥ISK;与现有的加密技术的区别在于,用户不用再被要求记忆SK,对于人脑而言,记忆一幅图像要远比记忆k位字符容易很多;D1、对步骤C1中的图像强密钥ISK进行离散混沌映射,并设定控制参数,获得置乱图像S_ISK。将置乱图像S_ISK按照从上到下,从左到右的顺序进行排列,得到置乱序列S;E1、xa0选择量子细胞神经网络超混沌系统,并设定初值及控制参数。采用4阶龙格-库塔法对该超混沌系统进行迭代求解,产生混沌序列K;F1、用以上混沌序列对步骤D1生成的置乱序列S进行扩散处理,如异或运算,得到加密序列C,实现图像均衡化,对C序列按照从上到下,从左到右的顺序进行排列,生成加密图像C_final;G1、对步骤B1产生的l位短密码SP(SP由用户记忆),采用传统加密方法进行加密,如AES加密算法;H1、将步骤F1与G1生成的加密结果合并,共同作为加密密码进行传输。由于该加密算法为对称加密,解密过程为加密过程的逆过程。按照加密过程的反向操作即可得到解密结果。本实施方式步骤D1中使用可变参数Cat映射,Cat映射的方程定义为: x n + 1 y n + 1 = A x n y n mod ( N ) = 1 p q pq + 1 x n y n mod ( N ) - - - ( 1 ) ]]>式中,假设图像强密钥ISK为N×N像素的灰度图像,控制参数p,q为正整数,可由用户设定,要求满足det(A)=1。将图像强密钥ISK根据等式(1)排列,转化为置乱图像S_ISK。本实施方式中步骤E1使用的量子细胞神经网络系统模型为: P . 1 = - 2 a 1 1 - P 1 2 sin φ 1 φ . 1 = - ω 1 ( P 1 - P 2 ) + 2 a 1 P 1 1 - P 1 2 cos φ 1 P . 2 = - 2 a 2 1 - P 2 2 sin φ 2 φ . 2 = - ω 2 ( P 2 - P 1 ) + 2 a 2 P 2 1 - P 2 2 cos φ 2 - - - ( 2 ) ]]>其中,P₁和P₂为两个量子细胞自动机(QCA)的极化率,φ₁和φ₂为两个QCA的相位,a1和a2是与每个QCA内量子点间能量成正比的系数,ω₁和ω₂是相邻QCA极化率之差的加权影响系数。当ω₁=ω₂=0.5,xa0a₁=a₂=0.075时,系统(2)处于超混沌态。参数a1和a2,ω₁和ω₂也可由用户选取。当第i(i=1,2,...,(xa0N×N)/4)次迭代系统(2)量子细胞神经网络时,产生的四个值{x₁(i),x₂(i),x₃(i),x₄(i)}用于生成混沌序列ntent="drawing" img-format="jpg" inline="yes" orientation="portrait" wi="700"/>。通过式(3)求取: K x 1 ( i ) = mod ( round ( ( abs ( x 1 ( i ) ) - floor ( abs ( x 1 ( i ) ) ) ) × 10 14 + S 4 ( i - 1 ) ) , N ) K x 2 ( i ) = mod ( round ( ( abs ( x 2 ( i ) ) - floor ( abs ( x 2 ( i ) ) ) ) × 10 14 + S 4 ( i - 1 ) + 1 ) , N ) K x 3 ( i ) = mod ( round ( ( abs ( x 3 ( i ) ) - floor ( abs ( x 3 ( i ) ) ) ) × 10 14 + S 4 ( i - 1 ) + 2 ) , N ) K x 4 ( i ) = mod ( round ( ( abs ( x 4 ( i ) ) - floor ( abs ( x 4 ( i ) ) ) ) × 10 14 + S 4 ( i - 1 ) + 3 ) , N ) - - - ( 3 ) ]]>本实施方式中步骤F1中的图像均衡化方法采用式(4)所示方案,得序列C C 4 ( i - 1 ) + 1 = bit xor ( S 4 ( i - 1 ) + 1 , K x 1 ( i ) ) C 4 ( i - 1 ) + 2 = bit xor ( S 4 ( i - 1 ) + 2 , K x 2 ( i ) ) C 4 ( i - 1 ) + 3 = bit xor ( S 4 ( i - 1 ) + 3 , K x 3 ( i ) ) C 4 i = bit xor ( S 4 i , K x 4 ( i ) ) - - - ( 4 ) ]]>具体实施方式二、结合图3说明本实施方式,本实施方式为具体实施方式一所述的基于量子细胞神经网络的弱密码超混沌加密方法的实施例:一、选择七位密码“custABC”作为加密对象,其中前四位“cust”强密钥SK,后三位“ABC”作为短密码SP;二、将“cust”嵌入二维图像中,生成128×128像素的图像强密钥ISK;三、按等式(1)所示混沌映射,设定控制参数p=36,q=3,对图像强密钥ISK进行图像置乱处理,得到置乱图像S_ISK。并将置乱图像S_ISK按照从上到下,从左到右的顺序进行排列,得到置乱序列S;四、按公式(2)所示超混沌系统,设定初值P₁(0)=0.5,P₂(0)=0.999,φ₁=-20,xa0φ₂=2.5及控制参数ω₁=ω₂=0.5,a₁=a₂=0.075。采用4阶龙格-库塔法对该超混沌系统进行迭代求解,产生混沌序列K;五、按照公式(4)所示方法对图像进行均衡化处理,得到序列C,对C序列按照从上到下,从左到右的顺序进行排列,生成加密图像C_final;六、使用AES加密方案对短密码“ABC”进行加密;将加密结果与加密图像C_final整合,将最终得到的加密密码传输。加密效果结合图3,可以看出加密后视频图像置乱充分,无法反映原始图像的任何信息,加密效果良好;正确解密后的图像与原始图像完全一致。