忆阻超混沌系统在信息保密中的应用
来源:用户上传
作者:
摘 要：随着互联网、物联网的发展，信息安全成为人们关注的话题，为了提高信息保密算法的安全性和可靠性，采用具有结构复杂、行为不可预测的分数阶忆阻超混沌系统实现对信息的保密处理。给出分数阶忆阻超混沌系统在保密通信方面的处理算法以及图片加密方面的处理算法，并通过数值仿真验证了该算法的正确性和可行性。
关键词：忆阻器;分数阶;超混沌系统;信息保密;密钥;解密
中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2020）02-00-03
0 引 言
随着社会经济不断发展，企业之间的竞争越来越激烈，人们对知识产权的保护愈加看重，对个人隐私的保护也愈加重视，研究人员对信息加密、保密通信[1-3]的技术要求也在不断提升。当下信息泄露现象日益剧增，各大媒体刊出的公司资料泄露、个人隐私被盗取以及电话被监听等新闻屡见不鲜，因此研究信息保密很有必要。由于混沌信号[4-6]具有非线性特点，运动轨迹比较复杂且不可预测，因此是一种可靠的保密通信载体，可以考虑利用混沌构造密钥达到信息加密的目的。
“忆阻器”一词最早由CHUA[7]在1971年发表的《忆阻器—下落不明的电路元件》一文中出现，顾名思义，它是具有记忆的电阻，具有非线性特性，易于构造混沌系统。因为没有物理器件的支撑，研究者们对忆阻器的研究一直处于瓶颈中。直到2008年，HP公司研究团队利用TiO2三明治模型验证了CHUA教授的理论分析[8]，如图1所示。尔后，全球掀起了研究忆阻器的热潮。
基于上面的描述，本文给出了分数阶忆阻超混沌系统在保密通信以及图像加密中的应用。
1 忆阻超混沌信号的实现
本文采用的忆阻模型[9]表达式如下：
2 忆阻超混沌系统在信息保密中的应用
2.1 保密通信
利用混沌进行保密通信的方式如下：
（1）利用混沌系统同步进行保密通信;
（2）利用混沌映射自身的特性构造密码，实现信息加密。
2.2 图像加密
忆阻混沌系统对初始值的敏感性必然导致系统的行为很难预测，即使相差毫厘的两个初值都可能导致系统最终的状态千差万别。将混沌信号作为载体，初始条件作为密钥，利用该密钥产生的一些随机序列对图像进行加密处理，并在输出端输出相同的密钥对图像进行解密，由于忆阻混沌信号的加入，大大提高了图像保密的安全性。
采用忆阻超混沌同步对图像加密、解密的算法步骤：
Step1：原始图像处理，即对P行Q列的原始图像I进行灰度和拉直处理，得到一个像素为P×Q的序列MP×Q;
Step2：憶阻混沌信号的选取，前端发送位置采用给定的混沌系统产生混沌序列，然后从混沌序列中取出长度为P×Q的子序列，记为H;
Step3：忆阻混沌信号处理，将序列H对I作取模运算，进一步得到二进制序列NP×Q;
Step4：图像加密，对序列MP×Q和NP×Q进行按位异或运算，得到新的序列，记为RP×Q，得到加密图像;
Step5：图像解密，后端接收位置采用与前端构成同步的响应系统作为图像解密的工具，完成对传输图像的解密。
选取初值C0=（0.01，0，0.01，0.012），图5所示为待加密图像，x1的混沌序列片段如图6所示。
3 结 语
混沌同步的应用领域十分广泛，本文主要研究了分数阶忆阻超混沌系统的混沌同步在保密通信以及图像加密中的应用，给出信息加密以及解密的算法步骤，通过Matlab仿真实现信号的加密以及正确解密。实验结果表明，混沌同步可以很好地完成图像及数据的安全传输。
参 考 文 献
[1]徐玉杰，李春彪，黄武奇.基于偏置可控混沌系统的保密通信体系构建及其电路实现[J].电子器件，2019，42（4）：924-930.
[2]牛小语.基于多维混沌系统的图像加密算法研究[J].科学技术创新，2019（19）：92-93.
[3] LI Z G， XU D L. A secure communication scheme using projective chaos synchronization [J]. Chaos， solitons and fractals，2004，22（2）：477-481.
[4]许泽凯，陈杰睿，冯平，等.一种双重加密混沌掩盖通信保密方案[J].计算机与数字工程，2017，45（9）：1795-1797.
[5] HUI M， LUO N， WU Q S， et al. New results of finite-time synchronization via piecewise control for memristive Cohen-Grossberg neural networks with time-varying delays [Z]. IEEE Access，2019.
[6]颜森林.激光混沌并行串联同步及其在中继器保密通信系统中的应用[J].物理学报，2019（17）：55-65.
[7] CHUA L. Memristor-the missing circuit element [J]. IEEE transactions on circuit theory，1971，18（5）：507-519.
[8] STRUKOV D B， SNIDER G S， STEWART D R，et al.The missing memristor found [J]. Nature，2009：80-83.
[9] BAO B C， ZHOU G H， MA Z H， et al. Chaotic memristive circuit： equivalent circuit realization and dynamical analysis [J]. Chinese physics B，2011，20（12）：109-115.
[10]王晋，邱嵘，王祥.基于混沌和神经网络的图像加密研究[J].物联网技术，2018，8（4）：79-81.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/8/view-15153679.htm
