[发明专利]基于CCSDS IDC和SMS4的联合信源与信息安全编译码方法

说明书

技术领域

本发明涉及通信编码领域的一种联合信源与信息安全编译码方法，特别是涉及一种基于CCSDS IDC和SMS4的联合信源与信息安全编译码方法。 

背景技术

在经典的香农信息论中，信源编码和信息安全是信息科学领域中的不同的研究方向。信源编码的任务是压缩信息的冗余度，其目的是提高传输的效率；信息安全的任务则是在密钥的控制下，人为地通过扩散(置换)和扰乱(替代)的方法在要传输的数据中加入“噪声”，使其加密为窃听者难于解读的密文信息，接收者则可以通过密钥将数据正确解码，保证信息的安全传输。传统的通信系统是根据香农的分离理论，将信源编码和信息安全编码串行级联，通过将信源编码和信息安全独立编译码，数据压缩与安全分别最优化，使编译码总体性能达到最佳，如图1所示。但是在资源有限的深空通信中具有传播距离远、差错率高、计算资源和功率有限、缓存空间及处理能力受限等特点，香农分离理论成立的前提条件(码字无限长，信道特性已知)无法满足，所以分离编译码系统的性能受到了一定的限制。另外空间通信网络由于其异构结构具有很强的开放性、信道复杂、易受干扰等因素，因此空间通信的数据安全存在极大隐患。尤其是对于空间图像具有数据量大、冗余度高、像素相关性强等特点，数据量太大必然会带来加密设备的速度滞慢，进而影响整个系统的正常工作。 

针对信源编码和信息安全独立编译码的结构在资源有限的深空通信系统中性能受到限制的特点，研究者们提出了多种联合信源与安全编码方法。这些方法主要是在算术编码以及霍夫曼编码的基础上进行改善。算术编码具有良好的压缩效果，广泛应用于JPEG和H.26L等压缩标准中。在算术编码中，信源序列的概率分布表用来记录每个信源符号出现的概率，信源符号在概率分布表中的排列方式是事先确定依照概率从大到小的顺序排列的。但是算术编码并不能保证数据安全，随机算术编码则是算术编码的改进。随机算术编码是在算术编码过程中引入一个随机序列，该序列决定了信源符号在编码过程中是按照概率从大到小的顺序还是从小到大的顺序进行排列，用该随机序列变量来控制随机算术编码的区间，通过对编码区域进行随机组织，达到对编码的扰乱控制。译码器只有采取和编码器相同的概率模型和相同的信源存储方式，才能正确译码。其方法的安全性取决于随机序列的安全性，在抵抗选择性明文攻击上显得很脆弱，不能保障数据安全。 

SMS4，是我国官方公布的第一个商用的分组密码算法，加密算法与密钥扩展算法均采用 32步非线性迭代结构，具有高安全性和强抗攻击能力，但分组加密算法计算量大，复杂度高，实时传输的图像数据量大，进行分组加密时，需要花费较长的时间。 

空间数据系统咨询委员会(Consultative Committee for Space Data Systems，CCSDS)于2005年和1999年分别标准化了图像压缩标准(Image Data Compression，IDC)和空间网络端到端系统间安全协议(Space Communication Protocol Specification-Security Protocol，SCPS-SP)。SCPS-SP是一种网络层协议，采用的是一种分组密码算法，计算复杂，不适用于资源受限网络的图像数据加密。因此CCSDS IDC标准、JPEG、H.26L标准中的算术编码和分组加密算法等将图像的压缩去冗余与数据的加密扰乱分离，使得计算复杂度高、时延大，在资源受限的深空通信等网络中难以实现图像数据压缩和加密，保障其有效性和安全性。 

发明内容

为了解决现有的信源编码和信息安全独立编译码中存在的计算复杂度高以及安全性等问题，本发明提出了一种基于CCSDS IDC和SMS4的联合信源与信息安全编译码方法。该方法设计了一种基于CCSDS IDC和SMS4的联合信源与信息安全编码的结构，提出了基于SMS4分组密码算法子密钥控制下的联合信源与安全编译码方法。