基于混沌流密碼體制的信息隱藏算法研究

王 志

（鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 451100）

0 引 言

數(shù)字信息作為溝通與交流的主要載體，在網(wǎng)絡(luò)上傳播與共享時(shí)容易被復(fù)制和更改，可能會(huì)出現(xiàn)安全隱患，如混淆版權(quán)和影響真實(shí)性等問(wèn)題，還會(huì)使重要信息被泄露，利用和泄露信息從事非法活動(dòng)嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?duì)國(guó)家穩(wěn)定和安全造成威脅[1]。因此信息安全問(wèn)題受到了廣泛關(guān)注，信息技術(shù)的應(yīng)用也對(duì)通信安全提出了更高的要求。

傳統(tǒng)的通信保密方式是使用密鑰或公鑰系統(tǒng)對(duì)通信內(nèi)容加密，沒(méi)有密鑰的接收者就無(wú)法獲得明文，但是這種方法容易明顯分辨出被傳輸?shù)男畔?，?dǎo)致被監(jiān)聽(tīng)者破解，而且隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的提高，破解密鑰的速度也隨之加快[2]。加密信息被破解后，通信保密問(wèn)題面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)，因此信息隱藏技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。信息隱藏是將信息隱藏到不容易被注意的載體中，載體可以是文本、圖像、音頻以及視頻，信息隱藏能夠利用載體進(jìn)行信息傳送和保護(hù)版權(quán)，起到信息保護(hù)的作用?；煦缌髅艽a體制提供了多種混沌函數(shù)和參數(shù)，使信息編碼方式多樣化，提升了加密復(fù)雜性，有利于保障開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)中的信息安全[3]。因此，本文基于混沌流密碼體制研究信息隱藏算法，提高信息隱蔽性，降低被截取和破解的幾率，為促進(jìn)通信安全提供一定理論基礎(chǔ)。

1 設(shè)計(jì)共享矩陣混沌加密算法

根據(jù)混沌流密碼體制特性，設(shè)計(jì)分存算法，將原始信息變成隨機(jī)序列，將密鑰隱藏其中，再利用共享矩陣對(duì)隱藏信息編碼。

1.1 混沌信息加密

混沌密碼體制利用隨機(jī)序列可以實(shí)現(xiàn)加密，提高共享安全性。將大小為W的原始信息轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)矩陣U，利用隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生密鑰K，可表示為：

式中，ki表示隨機(jī)數(shù)，ki∈{0,1}，；i為個(gè)數(shù)，1≤i≤192。利用密鑰K產(chǎn)生混沌序列的初始值，將混沌序列初值代入，取模運(yùn)算,混沌信息加密公式為：

式中，Cx(1)表示序列。

1.2 加密信息共享編碼

通過(guò)共享矩陣對(duì)加密數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，形成分存加密信息。將得到的共享矩陣S(k,n)進(jìn)行重復(fù)列擴(kuò)展，擴(kuò)展為n×(W+24)。對(duì)E編碼，分析其中元素，若共享矩陣中為1，則保留E中該位置，若共享矩陣中為0，則刪除E中該位置，最終經(jīng)過(guò)編碼得到降階矩陣，設(shè)定為Hi，i與共享矩陣的參數(shù)n有關(guān)，經(jīng)過(guò)降階，數(shù)據(jù)量減少一半。將共享信息融合入降階矩陣中得到融合列矩陣，設(shè)定為Fi，融合方式可表示為：

式中，D和B與Ne有關(guān)，Ne為列提取矩陣；D表示1×2階矩陣；B表示列矩陣。融合后分別對(duì)應(yīng)i個(gè)份額，分別存在每個(gè)接收者中，只有擁有一定數(shù)量份額才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)恢復(fù)，從而產(chǎn)生加密作用。

1.3 信息重建

2 混沌密碼與整數(shù)變換相結(jié)合的可逆信息隱藏算法

為防止信息在傳播過(guò)程中被識(shí)別和攻擊，將加密與信息隱藏相結(jié)合得到加密偽裝信息。設(shè)計(jì)混沌密碼與整數(shù)變換相結(jié)合的算法，充分利用信息數(shù)據(jù)內(nèi)部相關(guān)性和差異值達(dá)到信息隱藏目的，且算法是可逆的，具有較高的信息嵌入率。

判斷拓展算法得到的像素值、差異值以及設(shè)定的門限值，若A、B、C以及D均為奇數(shù)，則表明為可嵌入信息塊，若其中存在偶數(shù)，則利用原始像素計(jì)算差異擴(kuò)展值。將機(jī)密信息w1、w2以及w3藏入差異像素值中，表示為：

若差異像素值≥252或≤3，則表明該矩陣不能隱藏信息，則把設(shè)置為奇數(shù)，其余位置不變，記錄原始像素A的最低有效位。判斷以及是否＞255或＜0，若其中的一個(gè)值符合該條件，則嵌入信息失敗，需重新計(jì)算，若都不符合條件，則表明能夠嵌入信息，可以繼續(xù)下一個(gè)分塊矩陣，直到將所有信息嵌入，得到最終的嵌入矩陣。

3 仿真實(shí)驗(yàn)及分析

為驗(yàn)證信息隱藏算法的有效性，以圖像作為隱藏信息載體進(jìn)行測(cè)試，從信息熵和敏感性方面對(duì)算法進(jìn)行評(píng)估。信息熵能夠反映信息隨機(jī)程度，可以表現(xiàn)出加密效果。分別計(jì)算4種明文圖像和加密后的密文圖像的信息熵值、壓縮度以及冗余度，明文和密文圖像信息如表1所示。

表1 明文、密文圖像信息熵、壓縮度和冗余度對(duì)比結(jié)果

由表1可知，與明文相比，密文的信息熵、壓縮度以及冗余度有顯著提升，密文信息熵值接近理論值8，冗余度均小于0.05%，說(shuō)明加密效果較好，達(dá)到了信息熵標(biāo)準(zhǔn)，像素值隨機(jī)分布，沒(méi)有原始信息泄露。在圖像加密隱藏信息過(guò)程中應(yīng)注意選擇合適的門限值，隨門限值變化，同一圖像的偽裝質(zhì)量有微弱下降變化，藏入信息后與原始圖像的差別無(wú)法用人眼識(shí)別，說(shuō)明有較好的抗信息識(shí)別能力。

將本文算法與文獻(xiàn)[2]方法和文獻(xiàn)[3]方法進(jìn)行安全性能比較分析，對(duì)比加密、解密速度以及明文和密文敏感性，比較結(jié)果如表2所示。

表2 敏感性對(duì)比分析結(jié)果

由表2可知，經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，本文算法在加密、解密速度以及敏感性方面都較為優(yōu)秀，因此適合用于實(shí)際應(yīng)用。

4 結(jié) 論

通過(guò)研究混沌流密碼體制的信息隱藏算法可知，設(shè)計(jì)的算法加密和解密速度較快，且密鑰空間大，信息熵接近理論值，是一種安全性能優(yōu)秀的信息隱藏算法，但本文研究還存在一定不足，因此后續(xù)應(yīng)進(jìn)行拓展性研究，設(shè)計(jì)出既可逆又高容量的信息隱藏算法。