[发明专利]一种密钥与明文关联的混沌光通信系统加密方法和系统

说明书

本发明公开了一种密钥与明文关联的混沌光通信系统加密方法和系统，区别于传统的加密算法，通过将高维混沌系统和DNA编码运算结合，利用哈希函数使得明文和外部密钥相关联，产生内部密钥，增大了密钥空间，触发n维超混沌系统和逻辑映射产生随机序列，有效抵抗已知明文和选择明文攻击，可以较好的抵抗穷举和统计攻击、差分攻击，提高了传输数据的安全性。同时采用动态DNA编码加密，使得加密算法的安全性大大提高，降低了密钥间的相关性，从而增大了密文破解的难度，进一步提高系统的安全性能。

技术领域

本发明涉及光通信技术领域的光传输技术，尤其涉及一种密钥与明文关联的混沌光通信系统加密方法和系统。

背景技术

随着5G网络、物联网、无线传感器网络、健康监控等许多应用程序的快速发展，数据安全问题显得愈发重要，随之而来的数据爆炸式增长问题使得数据传输安全受到严峻的挑战，人们对通信的可靠性需求不断提升。

在现阶段网络体系中5G网络铺设费用高昂，将耗费大量的人力成本和硬件成本，4G网络和5G网络并存将会在现阶段以及未来一段时间持续，正交频分复用技术凭借其自身优势，如灵活的时频资源分配、高频谱效率以及对色散的强耐受性，其数据传输问题仍是重点研究工作。然而，实际无源光网络系统由于其下行广播特性，使系统容易收到非法光网络接入单元的恶意窃听或攻击，数据被盗导致安全性脆弱的用户数据受到潜在的威胁。

目前，研究人员在MAC等上层和物理层都提出了各种方案来提高PON的安全性能。在上层的解决方案都是在物理层不受攻击的前提下提出的，而对于物理层解决方案可以有效为系统提供全面的保护。对于物理层方案中，基于混沌的加密方法由于其为随机性、遍历性等特有优势，被认为是一种比较有前途的方案，有基于光电器件的混沌加密方法和数字混沌加密方法。其中基于光电器件的加密方法利用器件的非线性产生密钥，需要配备特定参数配置的器件，实现难度和成本对PON来说较大；而数字加密技术易与DSP技术结合从而受到广泛关注。然而，对于传统的物理层数字加密技术中大多是明文和外部密钥割裂开来，没有关联；并且DNA编码方式的选取都比较固定，未对系统实现动态加密，密文破解的难度低，严重影响数据传输的安全性。

发明内容

本发明针对上述问题，提出一种密钥与明文关联的混沌光通信系统加密方法和系统，增大了密文破解的难度，提高了传输数据的安全性。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种密钥与明文关联的混沌光通信系统加密方法，包括以下步骤：

S1、明文和外部密钥经过哈希函数处理，分别获得明文和外部密钥的哈希值，其再经哈希函数处理获得内部密钥K₁、K₂、……、K_n、L₁、L₂、……、L_n；

S2、步骤S1中得到的L₁、L₂、……、L_n作为混沌映射的初始值产生映射序列，并且将其与原文数据流做异或运算；

S3、步骤S1中得到的K₁、K₂、……、K_n作为初始状态值触发n维超混沌系统产生随机混沌序列X、Y、Z、W，对DNA编码和加密进行动态控制；

S4、通过混沌序列X、Y来动态选取DNA的编码映射规则，通过混沌序列Z来动态选取DNA碱基配对的运算规则，通过混沌序列W来动态解码。

进一步地，步骤S1中哈希函数可以采用SHA-512、SHA-256等任一常用函数。

进一步地，步骤S3采用Runge-Kutta算法求取超混沌序列。

进一步地，步骤S3中DNA的编码是利用DNA的生物学特性A-T互补、G-C互补原则以及在二进制数中0、1互补原则实现的。