混沌在生成一次性密钥流及云计算环境下图像加密中的应用研究

This project applies chaos with hash algorithm to explore the genaration of no duplicate key, to clarify the mechanism of how to improve the speed of encryption, to generate the one-time key, which is important to improve the image encryption speed and security, to lay the foundation for chaos cryptography in ensuring the security of cloud computing. There exist some problems for the current Chaotic Encryption Algorithms: (1) Key generation problem. Using the same key each time is vulnerable to attack, while the most of the schemes did not give no duplicate key generation mechanism. (2) the constraints between the encryption speed and encryption rounds. Only increasing the encryption rounds will definitely affect the encryption speed. (3) The correlation between the key and the plaintext. If the generation of the key stream is independent on the plaintext contents, the scheme is vulnerable to attack. (4) The one-to-one correspondence between the plaintext block and the S-box. The goal of this study is: (1) To solve the problem of the key automatical generation. We intend to design algorithm to convert the SHA-3 hash value of the plaintext into key. (2) Reduce the encryption rounds to improve the speed. We intend to adopt the avalanche effect, to lessen the encryption rounds to get the desired results. (3) To design the generation algorithm to generate S-box, which is one-to-one correspondence with the plaintext block, and employ the S-box to encrypt image.

本项目利用混沌结合哈希算法对图像加密进行研究，探索密钥的无重复生成问题，对阐明如何提高加密速度、生成一次性密钥的机制有重要意义，对在云计算环境下提高图像加密速度和安全性有重要意义，为混沌在保障云计算的安全性奠定基础。目前混沌加密算法存在的问题：(1)密钥的生成问题。每次使用相同的密钥则易受到攻击，而多数方案并未给出无重复密钥生成机制。(2)加密速度与加密轮数的制约问题。增加加密轮数必然会影响加密速度。(3)密钥与明文的相关性问题。如果密钥流的生成与明文无关，易受到攻击。(4)明文分组与S盒的一一对应问题。 研究目标确定为：(1)解决密钥的自动生成问题。拟利用SHA-3获取明文的哈希值，研究并设计转换成密钥的算法。(2)减少加密轮数以提高加密速度。拟采用雪崩效应，以较少的加密轮数得到理想的效果。(3)设计算法生成与明文分组一一对应的S盒，利用S盒替换加密图像。

项目利用混沌结合哈希算法对图像加密进行研究，探索密钥的无重复生成问题，对如何提高加密速度、生成一次性密钥的机制有重要意义，对在云计算环境下提高图像加密速度和安全性有重要意义，为混沌保障云计算安全性奠定基础。.目前混沌加密算法存在问题：(1)密钥的生成问题。每次使用相同密钥则易受到攻击，而多数方案并未给出无重复密钥生成机制。(2)加密速度与加密轮数的制约问题。增加加密轮数必然会影响加密速度。(3)密钥与明文的相关性问题。如果密钥流的生成与明文无关，易受到攻击。(4)明文分组与S盒的一一对应问题。.研究内容确定为：(1)解决密钥的自动生成问题。利用SHA-3获取明文的哈希值，研究并设计转换成密钥的算法。(2)减少加密轮数以提高加密速度。拟采用雪崩效应，以较少的加密轮数得到理想的效果。(3)设计算法生成与明文分组一一对应的S盒，利用S盒替换加密图像。.通过分析各类混沌系统的动力学行为，创新性地设计出了能够适用于云计算的具有巨大密钥空间的一次一密加密算法，结合能够抵御量子计算攻击的散列函数、随机噪声信号，加密图像以及音频信号，以及信息隐藏，在计算复杂度和速度上能够适用于云计算环境。具体算法包括以下几类：(1)利用混沌映射与混沌系统耦合实现的一次一密彩色图像加密算法；(2)利用混沌系统生成动态S盒实现分组加密彩色图像算法；(3)通过DNA编码和混沌映射在DNA序列中隐藏信息；(4)基于复混沌系统及随机噪声设计一次性S盒实现快速图像加密算法。(5)基于多涡卷混沌系统和一次性密钥的音频信号加密算法；(6)利用散列函数和S盒设计了双图像自适应加密算法；(7)基于超混沌和一次性密钥的通用分组加密算法。.研究成果在Signal Processing、Neural Computing and Applications等国际SCI检索期刊发表论文12篇，在国内核心期刊发表论文2篇，1篇论文获得2015年山东省高校优秀科研成果一等奖。很好地完成了计划任务。