（通信與信息系統(tǒng)專業(yè)論文）基于混沌算法的視頻加密傳輸系統(tǒng)的研究.pdf

中文摘要 中文摘要 視頻傳輸以及視頻監(jiān)控作為信息化建設中一個主要的領(lǐng)域 得到了廣泛 的研究 由于網(wǎng)絡的公開性以及其他不安全因素 我們往往希望能夠?qū)⑽覀?要傳送的數(shù)據(jù) 圖像以及視頻等信息進行有效的加密傳輸 現(xiàn)有的視頻加密 傳輸系統(tǒng)大都采用傳統(tǒng)密碼學中的加密方案進行軟件加密并網(wǎng)絡傳輸 而視 頻實時監(jiān)控也已經(jīng)從傳統(tǒng)模擬集中監(jiān)控方式轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字化視頻監(jiān)控 混沌以 其對初始條件和系統(tǒng)參數(shù)的敏感性 生成的密鑰流滿足傳統(tǒng)密碼系統(tǒng)的擴散 與混淆原則的特性 越來越廣泛的應用到密碼學領(lǐng)域 本論文將主要研究混 沌流密碼以及自同步流密碼設計方案 旨在將其應用到視頻傳輸以及視頻監(jiān) 控中來 構(gòu)建一個實時視頻加密傳輸系統(tǒng) 對視頻加密領(lǐng)域有較高應用價值 本文首先研究了序列密碼以及混沌理論 對混沌方程的特性 倍周期分 叉 混沌吸引子 l y a p u n o v 指數(shù) k o l m o g o r o v 熵 進行了仿真 然后研究了 混沌同步保密通信理論 對混沌遮掩以及混沌鍵控方法進行了研究與仿真分 析 接下來就數(shù)字化混沌密碼理論進行了研究與分析 完成了混沌序列密碼 算法以及自同步流密碼算法的硬件實現(xiàn) 最后通過將加密算法下載到網(wǎng)絡加 密卡中 利用視頻采集卡s d k 二次開發(fā)完成了服務器端與客戶端應用程序軟 件開發(fā) 構(gòu)建了視頻加密傳輸系統(tǒng) 本文通過對混沌理論的研究 對混沌應用于密碼學中的兩個方向分別進 行了仿真和實現(xiàn) 設計了基于混沌算法的加密方法以及自同步流密碼方法 論文的研究工作將對數(shù)字化混沌密碼的應用提供參考 并將為數(shù)字化視頻加 密傳輸與監(jiān)控系統(tǒng)提供一種可行方案 關(guān)鍵詞 混沌 視頻加密傳輸 混沌同步 自同步流密碼 黑龍江大學碩士學位論文 a b s t r a c t a so n eo ft h em a i nf i e l di ni n f o r m a t i z a t i o nc o n s t r u c t i o n v i d e ot r a n s m i s s i o n a n dv i d e om o n i t o r i n gh a v eb e e nw i d e l ys t u d i e d b e c a u s eo ft h en e t w o r ko p e na n d o t h e ri n s e c u r i t yf a c t o r s w eo f t e nw a n tt ot r a n s m i td a t a i m a g ea n dv i d e o i n f o r m a t i o nb ye f f e c t i v ee n c r y p t i o n t h ee x i s t i n gv i d e oe n c r y p f i o nt r a n s m i s s i o n s y s t e m sm o s t l yu s et r a d i t i o n a lc r y p t o g r a p h yo nn e t w o r kt r a n s m i s s i o nb ys o f t w a r e e n c r y p t i o ns c h e m e a n dr e a l t i m e v i d e om o n i t o r i n gh a sa l s oc h a n g e df r o m t r a d i t i o n a la n a l o gc e n t r a l i z e dm o n i t o r i n gm o d et od i g i t a lv i d e om o n i t o r i n g s i n c e c h a o sh a st h ef o l l o w i n gc h a r a c t e r i s t i c s f i r s t s e n s i t i v i t yt ot h ei n i t i a lc o n d i t i o n s a n ds y s t e mp a r a m e t e r s s e c o n d t h ek e ys t r e a ms a t i s f i e sd i f f u s i o na n dc o n f u s i n g p r i n c i p l e so ft r a d i t i o n a lc r y p t o g r a p h y i th a sb e e na p p l i e di nc r y p t o g r a p h ym o r e w i d e l y t h i st h e s i sm a i n l ys t u d i e sc h a o t i cs t r e a mc i p h e ra n ds e l f s y n c h r o n i z i n g s c h e m e a i m st oa p p l yi nt h ev i d e ot r a n s m i s s i o na n dv i d e om o n i t o r i n gt oc o n s t r u c t ar e a l t i m ev i d e oe n c r y p t i o nt r a n s m i s s i o ns y s t e m w h i c hh a sah i g h e ra p p l i c a t i o n v a l u ei nv i d e oe n c r y p t i o na r e a t h i sd i s s e r t a t i o nf i r s ts t u d i e ss e q u e n c ec i p h e ra n dc h a o st h e o r y s i m u l a t e st h e c h a r a c t e r i s t i c so fc h a o t i c e q u a t i o n t h ep e r i o d d o u b l i n gb i f u r c a t i o n c h a o t i c a t t r a c t o r l y a p u n o ve x p o n e n t k o l m o g o r o ve n t r o p y a n dc h a o t i cs y n c h r o n i z a t i o n s e c u r ec o m m u n i c a t i o nt h e o r y i nw h i c hc h a o sm a s k i n ga n dc h a o ss h i f tk e y i n g a r es t u d i e da n ds i m u l a t e d t h e nw es t u d ya n da n a l y z et h e d i g i t a l c h a o t i c c r y p t o g r a p h y c o m p l e t e h a r d w a r e r e a l i z a t i o no ft h ec h a o t i c s e q u e n c e c r y p t o g r a p h i ca l g o r i t h ma n ds e l f s y n c h r o n i z a t i o ns t r e a ms e q u e n c ec r y p t o g r a p h i c a l g o r i t h m f i n a l l y w ed o w n l o a de n c r y p t i o na l g o r i t h mt ot h en e t w o r ke n c r y p t i o n c a r d u s e s e c o n d a r yd e v e l o p m e n to fv i d e oc a p t u r e c a r d ss d k s o f t w a r e h a b s t r a e t d e v e l o p m e n tk i t t oc o m p l e t et h es e r v e ra n dt h ec l i e n ta p p l i c a t i o ns o f t w a r e d e v e l o p m e n t a n dc o n s t r u c tt h ev i d e oe n c r y p t i o nt r a n s m i s s i o ns y s t e m b a s e do nt h es t u d yo fc h a o st h e o r y i nt h i st h e s i s w es i m u l a t et h et w o d i r e c t i o n so fc h a o sa p p l i e di nc r y p t o g r a p h yr e s p e c t i v e l y a n dd e s i g ne n c r y p t i o n a l g o r i t h mb a s e do nc h a o sa n dt h es e l f s y n c h r o n i z i n gm e t h o do fs t r e a mc i p h e r t h e s t u d yr e s u l tw i l lb ear e f e r e n c ef o rd i g i t a lc h a o t i cc i p h e ra p p l i c a t i o na n dp r o v i d ea f e a s i b l es c h e m ef o rd i g i t a lv i d e oe n c r y p t i o nt r a n s m i s s i o na n dm o n i t o r i n gs y s t e m k e y w o r d s c h a o s v i d e oe n c r y p t i o nt r a n s m i s s i o n c h a o t i cs y n c h r o n i z a t i o n s e l f s y n c h r o n i z i n gs t r e a mc i p h e r h i 黑龍江大學碩士學位論文 ii i 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作及取得的研 究成果 據(jù)我所知 除了文中特別加以標注和致謝的地方外 論文中不包含其他 人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果 也不包含為獲得墨蘊塹盤堂或其他教育機構(gòu)的 學位或證書而使用過的材料 學位論文作者簽名 李髫晦 簽字日期 秒年多月9 日 學位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本人完全了解墨蕉逛太堂有關(guān)保留 使用學位論文的規(guī)定 同意學校保留并 向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復印件和電子版 允許論文被查閱和借閱 本 人授權(quán)墨蕉塹太堂可以將學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索 可以采用影i i 縮印或其他復制手段保存 匯編本學位論文 學位做作者簽名 荔髫苷 簽字日期 西弦年占月9 日 導師簽名 丁 彳 簽字日期 矽i 年6 月7 日 學位論文作者畢業(yè)后去向 剮釉形術(shù)確艱宏刁 工作單位 物4 群 氌昧甭c 曜 浴習電話 脅諺伽以 通訊地址 翻印彩南面矩團卑 如穢編 鄉(xiāng)勸呷 第l 章緒論 第1 章緒論 1o l 課題研究背景及意義 2 l 世紀是一個信息時代 伴隨信息化的不斷深入與擴展 人們對信息安 全性的要求也在日益增長 因此密碼學成為人們不斷關(guān)注的熱點研究方向 在信息化建設中 針對于特殊應用需求 由于網(wǎng)絡的透明性以及其他不安全 因素 我們往往希望能夠?qū)⑽覀円獋魉偷臄?shù)據(jù) 圖像以及視頻等信息進行有 效的加密傳輸 從而避免重要信息的泄漏 視頻傳輸以及視頻監(jiān)控也是信息 化建設中一個主要的領(lǐng)域 視頻傳輸與一般數(shù)據(jù)文件傳輸一樣 可以直接采 取加密手段進行遮掩 防止在網(wǎng)絡中被截獲 對于傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)來說 其傳輸?shù)膱D像信息以模擬信號為主 由于對圖像的處理和傳輸均采用模擬技 術(shù) 因此不但圖象質(zhì)量低 而且嚴重浪費系統(tǒng)資源 難以組成復雜的網(wǎng)絡結(jié) 構(gòu) 監(jiān)控功能可擴展性較差 因此傳統(tǒng)的模擬集中監(jiān)控方式已經(jīng)不能滿足人 們的需求 隨著監(jiān)控規(guī)模的不斷擴大 監(jiān)控系統(tǒng)的視頻圖像顯示效果與視頻 監(jiān)控要求的實時性之間的矛盾也越來越顯著 隨著計算機軟硬件技術(shù)以及視 頻壓縮編碼技術(shù)的快速發(fā)展 以計算機為基礎的數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)逐漸走進 我們的生活 1 1 由于要實現(xiàn)數(shù)字視頻信息的加密傳輸與監(jiān)控 實時的視頻信號 數(shù)據(jù)量過大 對現(xiàn)有的數(shù)據(jù)存儲能力和信號傳輸能力提出了極大的挑戰(zhàn) 為 此 需要對視頻信號進行壓縮 通過減少原始視頻信息中的冗余信息 如時 間 空間 視覺等來使用更少的信息比特來表達原始視頻信息 在研究過程 中不斷地提出了各種視頻壓縮算法 因此選擇一個較好的視頻壓縮算法是傳 輸加密視頻信號的必要前提 另一方面 隨著社會對信息需求面的不斷增多 對視頻信息安全性需求也變的越來越急迫 由于視頻信息具有數(shù)據(jù)量大 易 于進行交流等特點 因此它也最容易被理解 一些信息對個人而言有隱私的 需要 對商業(yè)公司的各種信息產(chǎn)品而言有版權(quán)保護的需要 對國家要害部門 黑龍江大學碩士學位論文 而言又有國家安全方面的需要 因此它給我們帶來方便的同時 也給我們帶 來了隱患 敏感信息可能輕易地被竊取 篡改 非法復制和傳播等 這些需 要都和視頻信息的加密是分不開的 因此視頻信息安全問題已成為人們關(guān)心 的焦點 視頻信息安全保護技術(shù)的研究也顯得尤為重要 傳統(tǒng)密碼學中的密碼算法主要包括 對稱密鑰以及非對稱密鑰加密 對 稱密碼算法又可分為分組密碼和流密碼1 2 1 流密碼算法比較簡單 并且易于實 現(xiàn) 適用于要就加密速度快的實時性傳輸中 流加密算法中的密鑰流發(fā)生器 是信息安全領(lǐng)域中的重要研究課題 其核心是可以產(chǎn)生 隨機 密鑰流的發(fā)生 器 混沌是由確定系統(tǒng)產(chǎn)生的貌似隨機的動力學行為 3 1 混沌密碼學是研究基 于混沌系統(tǒng)產(chǎn)生的偽隨機密鑰流進行信息加密與解密的新興學科 混沌系統(tǒng) 的參數(shù)和對信息加密變換中使用的參數(shù)構(gòu)成了密鑰集 以達到抗攻擊的目的 混沌軌道對初始條件和系統(tǒng)參數(shù)的敏感性 使其生成的密鑰流滿足傳統(tǒng)密碼 設計系統(tǒng)的擴散與混淆原則 混沌軌道的長期不可預測性和混沌密碼編碼的 便捷性使其滿足傳統(tǒng)密碼設計的安全性與有效性的原則 混沌密碼學為信息 安全保障提供了新的工具 4 精心設計的混沌系統(tǒng)可生成高復雜度的密鑰序 列 與視頻明文數(shù)據(jù)進行加密后可獲得難以破譯的密文 這樣在網(wǎng)絡中傳輸 的視頻文件就能夠抵抗截獲者的分析 對于實時的視頻信號傳輸與監(jiān)控則要求更高一些 既要實現(xiàn)數(shù)字信號的 壓縮與編碼 又要完成加密與解密運算 最重要的是如何實現(xiàn)加解密視頻監(jiān) 控信號的實時同步 保證視頻信號具備加密特性的同時能夠在遠程不問斷的 進行實時監(jiān)控 我們的研究課題是基于國家自然科學基金項目 基于f p g a 技術(shù)的混沌序 列密碼加密芯片的研究 6 0 6 7 2 0 1 1 基礎上進一步將該網(wǎng)絡加密卡應用于實 際中來 旨在設計出一個基于混沌算法的視頻文件等數(shù)據(jù)加密傳輸系統(tǒng) 并 設計實現(xiàn)一種實時視頻流加密的視頻監(jiān)控系統(tǒng) 該系統(tǒng)是一種工作于寬帶網(wǎng) 第1 章緒論 絡環(huán)境中的視頻壓縮及加密傳輸系統(tǒng) 它既可以用于普通i n t e m e t 的環(huán)境中 用于對普通用戶的隱私信息進行保護 還可以用于黨政機要部門專用的網(wǎng)絡 環(huán)境中 防止敏感信息被竊取 也可用于大型企業(yè)集團內(nèi)部網(wǎng)絡 如電信行 業(yè) 銀行系統(tǒng) 防止商業(yè)機密的泄露 另外本課題還將就混沌算法的混沌同 步通信技術(shù)相關(guān)理論進行探討研究 課題的研究將進一步豐富混沌保密通信 的理論 希望可以加快混沌保密系統(tǒng)的實用化進程 使其能夠開發(fā)成為一種 實際產(chǎn)品 應用于信息安全與保密通信中 更好的服務于國家和社會 同時 也為相關(guān)領(lǐng)域的研究工作者提供參考 1 2 國內(nèi)外同類課題研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 當前在網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸中的密碼算法主要有公鑰密碼算法和私鑰密碼算法 兩大類 私鑰密碼算法分為分組密碼 b l o c kc i p h e r 和序列密碼 s t r e a mc i p h e r 算法 5 1 國際標準化組織 i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r do r g a n i z a t i o n i s o 將分組密 碼中的d e s d a t a e n c r y p t i o ns t a n d a r d 算法定為私鑰數(shù)據(jù)加密的標準 6 d e s 的加密速度很快 可以通過硬件電路實現(xiàn) 而且適合大數(shù)據(jù)量的加密 但通 過分析 分組密碼中相同的明文組總是對應于相同的密文組 所以密碼分析 者可以利用明文冗余度進行解密 存在安全性問題 r s a r i v e s ts h a m i r a d l e m e n 算法 是最早發(fā)明的公鑰密碼系統(tǒng)之一 已被i s o 推薦為公鑰數(shù)據(jù) 加密標準 7 1 它的安全性依賴于大素數(shù)因式分解的困難 但是其協(xié)議的實現(xiàn)以 及運算時間都很長 不利于用硬件來實現(xiàn) 當前的基于以上傳統(tǒng)密碼算法的 加密技術(shù)大都是利用軟件來實現(xiàn) 比如先將文件進行加密再存儲到磁盤上 當需要讀取時再利用軟件應用程序進行解密 還有的是采取專用密碼芯片 將密碼算法集成到芯片中 但這兩種方法事實上都是軟件加密 在加密速度 上都受到計算機c p u 工作頻率的限制 因此并不適用于大數(shù)據(jù)流量的視頻流 加密 為了解決軟件加密對實時加密速度方面的限制 國內(nèi)外許多公司也都 先后提出硬件專用加密芯片 比如美國3 c o r n 公司的3 c r 9 9 0 t 9 5 加密網(wǎng)卡 氣 黑龍江大學碩士學位論文 芯片 i n t e l 公司的i n t e l p r o l o o s 系列網(wǎng)卡以及國內(nèi)北大青鳥的s j y 0 1 a 系列 網(wǎng)卡 引 這些加密網(wǎng)卡盡管實現(xiàn)了硬件加密 但由于采用的是專用密碼算法芯 片 首先從密碼算法的更新角度看不利于算法移植 一旦需要算法升級則需 重新開發(fā)設計 另外其采用的密碼算法大都是國際通用算法 對于需要安全 級別較高的部門來說不夠可靠 在應用領(lǐng)域 網(wǎng)絡是流媒體傳輸?shù)闹饕緩?如何保證壓縮視頻流的安 全性成為流媒體的一個重要課題 目前基于視頻壓縮算法的視頻傳輸系統(tǒng)相 繼問世 技術(shù)也日趨成熟 但大多數(shù)此類產(chǎn)品僅實現(xiàn)視頻信息的壓縮及傳輸 功能 面向普通視頻數(shù)據(jù)的應用 不具有保密功能 無法防止視頻信息被竊 取 攻擊 而對視頻數(shù)據(jù)的加解密涉及到密碼學的應用 出于歷史和政治的 原因 對密碼的公開研究歷史并不長 因而極大地阻礙了視頻信息安全性研 究的發(fā)展 近年來 隨著互聯(lián)網(wǎng)在線交易的廣泛開展1 9 以及對視頻信息保密 需求的增多 這種局面正在逐漸改變 對視頻信息安全系統(tǒng)的研究也越來越 成為視頻信息領(lǐng)域里的一個重要課題 視頻加密算法在上個世紀7 0 年代被提出 在9 0 年代后期開始被廣泛研 究 就其發(fā)展過程來看 可以分為三個階斟1 0 l 第一個階段主要是研究置亂算法 即直接置亂圖像或視頻數(shù)據(jù) 以達到 使數(shù)據(jù)混亂而不能被理解的目的 但這些置亂過程改變了圖像象素間的統(tǒng)計 關(guān)系 從而不利于壓縮處理 因此僅適合不需要壓縮編碼的應用中 第二個階段 利用通用密碼算法對壓縮的視頻數(shù)據(jù)加密傳輸 隨著多媒 體技術(shù)的發(fā)展 多媒體壓縮編碼標準不斷提出 如j p e g 圖像壓縮標準 m p e g h 2 6 4 等視頻壓縮標準 因此可以將視頻數(shù)據(jù)先經(jīng)過壓縮編碼 再使用d e s i d e a r s a 等密碼算法來實現(xiàn)加密 最后進行傳輸 但由于這些算法復雜 不易硬件實現(xiàn) 將會帶來不可忽視的運算負荷和時延 因此不能滿足多媒體 實時傳輸播放的要求 第1 蕈緒論 第三個階段 采用部分加密方法來加密視頻數(shù)據(jù) 即選擇視頻碼流中的 一部分數(shù)據(jù)進行加密 選擇加密少量數(shù)據(jù)可以降低計算復雜度 來滿足實時 性要求 然而這種加密方法卻存在安全隱患 對圖像編碼數(shù)據(jù) 只對i 幀加密 p 幀和b 幀不加密 由于p 幀和b 幀中會有幀內(nèi)預測的宏塊并且由于幀間的 相關(guān)性 p 幀 b 幀中有未加密的i 塊 因此此類加密方法也被認為是不安全 的 序列密碼當明文相同時可以產(chǎn)生不同的密文 明文的統(tǒng)計特性將被擾亂 不存在擴展明文序列和錯誤傳遞等方面缺點 序列密碼滿足一次一密的加密 特點 而且易于硬件實現(xiàn) 已成為當前密碼系統(tǒng)中研究與應用的熱點 近年 來 由于混沌序列具有容易產(chǎn)生 對初值敏感以及類似于白噪聲等特點 被 認為是序列密碼的很好選擇 目前國內(nèi)外對于混沌算法應用于數(shù)據(jù)加密傳輸 系統(tǒng)中的研究已經(jīng)開展 但是從總體上來說目前基于混沌的加密算法的實現(xiàn) 都是采用基于軟件的方式完成的 從加密速度和實時性上來說并不理想 我 們設計的基于混沌算法的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)加密系統(tǒng)則是利用f p g a 硬件技術(shù)實現(xiàn)快 速流加密 利用混沌序列對數(shù)據(jù)進行加密傳輸 從硬件實現(xiàn)以及加解密速度 上都有較好表現(xiàn) 針對實時視頻流數(shù)據(jù)的加密傳輸以及監(jiān)控 我們整個系統(tǒng) 無論是視頻壓縮編碼還是加密實現(xiàn)均采用硬件技術(shù)實現(xiàn) 而且通過f p g a 密 碼芯片的可編程 易于算法移植的優(yōu)勢 我們利用自同步流密碼方案將其實 現(xiàn) 從加密速度和實時性要求的角度來說都有著重要的意義 數(shù)字網(wǎng)絡化將會是新時代視頻傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢 面向未來更加廣闊的信 息化時代 針對敏感用戶需求的視頻加密技術(shù)也將必然是視頻監(jiān)控領(lǐng)域未來 嶄新發(fā)展的新方向 除了傳統(tǒng)高強度分組密碼 如d e s i d e a r s a 等 外 基于混沌序列密碼及流密碼算法的研究也將成為視頻加密傳輸系統(tǒng)中的新領(lǐng) 域和新方向 黑龍江大學碩士學位論文 1 3 本文主要研究內(nèi)容 論文的主要內(nèi)容包括 1 密碼學基礎以及混沌理論研究 從理論上研究密碼學相關(guān)概念 傳統(tǒng)密碼學分類 包括分組密碼和序列 密碼 著重分析了序列密碼理論 探討了幾種流密碼設計方案 混沌算法由 于具備長期不可預測的偽隨機序列特性 因此近年來被廣泛應用到密碼設計 研究中 從混沌理論的定義 特性和判別角度分析了混沌算法理論 為我們 的加密算法設計提供理論保證 2 網(wǎng)絡數(shù)據(jù)加密卡中混沌加密算法的設計 采用基于m a t l a b s i m u l i n k 的方案設計我們的混沌加密算法 實現(xiàn)網(wǎng)絡數(shù) 據(jù)加密卡的加密核心 將結(jié)合我們的系統(tǒng)需求設計一種基于l o g i s t i c 算法的混 沌序列密碼產(chǎn)生方法 應用到我們設計的改進型a 5 i 算法中并將其下載到 f p g a 網(wǎng)卡芯片中 從而最終實現(xiàn)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)加密卡的硬件加密方法 3 實時視頻數(shù)據(jù)加密傳輸?shù)淖酝椒桨秆芯颗c設計 因為我們采用的是同步方式的流加密算法 即收發(fā)端始終保持同步 發(fā) 端加密數(shù)據(jù)不斷在收端進行解密 只要通信雙方的密鑰序列產(chǎn)生器具有相同 的種子密鑰和相同的初始狀態(tài) 就能產(chǎn)生相同的密鑰序列 從而實現(xiàn)準確解 密 但是在視頻流加密傳輸系統(tǒng)的設計中 能否實現(xiàn)隨時隨意對加密的視頻 數(shù)據(jù)進行實時解密是我們需要解決的一個重要方面和難點所在 因為我們要 求接收端能夠隨時啟動來解密當前時刻發(fā)送端的加密數(shù)據(jù) 而不是始終與發(fā) 送端保持同步 考慮到此類情況的解決 我們研究了流加密算法中的自同步 流密碼方式 設計一種自同步方案 能夠使通信雙方的密鑰序列產(chǎn)生器自動 地恢復同步 從而能夠正確解密 4 視頻加密傳輸系統(tǒng)構(gòu)建 1 系統(tǒng)硬件框圖設計 第1 章緒論 視頻流數(shù)據(jù)的采集使用如下的硬件接口 硬件是基于三星公司 s a m s u n g 的攝像頭和杭州?？低曈邢薰镜囊?視頻硬壓縮卡 視頻編碼是采用了最 新的視頻編碼標準h 2 6 4 來實現(xiàn)的 通過將攝像頭采集來的原始y u v 視頻流 數(shù)據(jù)進行h 2 6 4 編碼 來進一步的壓縮圖像 以便于能夠利用網(wǎng)絡進行傳輸 經(jīng)壓縮編碼后的視頻流數(shù)據(jù)再經(jīng)過網(wǎng)絡數(shù)據(jù)加密卡進行加密操作 經(jīng)i n t e m e t 傳輸至遠程監(jiān)控客戶端的視頻數(shù)據(jù)服務器 由服務器端的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)解密卡進 行解密運算 再將解密后的視頻數(shù)據(jù)流存儲 以供客戶端調(diào)用監(jiān)控 2 系統(tǒng)軟件接口設計 視頻采集部分軟件接口是音 視頻壓縮采集卡開發(fā)商提供的硬件驅(qū)動程序 軟件開發(fā)包s d k 通過使用此軟件開發(fā)包s d k 來輔助編寫視頻采集系統(tǒng)的 視頻采集端和客戶端軟件 5 本論文就混沌算法其它相關(guān)理論進行探討 研究了混沌同步保密通信 技術(shù) 對混沌遮掩以及混沌鍵控等技術(shù)進行了研究和仿真 1 4 本文的結(jié)構(gòu)安排 第1 章為緒論 主要對視頻加密課題研究背景與意義 國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域 研究狀況及文章主要研究內(nèi)容和結(jié)構(gòu)進行了闡述 第2 章為密碼學基礎與混沌理論研究 首先詳細介紹了序列密碼的加密 原理以及分類方式 分析了當前同步流密碼的密鑰序列生成器的幾種方案 然后給出了混沌的定義 總結(jié)了混沌的特性 歸納了混沌方程的判別方法 最后分別從幾種判別方法上對l o g i s t i c 以及l(fā) o r e n z 混沌方程進行了仿真實驗 第3 章為混沌同步保密通信研究 探討了混沌同步保密通信 對混沌遮 掩以及混沌鍵控保密通信的幾種方法進行了仿真實現(xiàn) 第4 章為混沌序列密碼算法及自同步技術(shù)的研究實現(xiàn) 詳細介紹了我們 設計的l o g i s t i c 離散混沌序列密碼原理以及實現(xiàn)方案 對于要求實時性較高的 加密傳輸系統(tǒng) 根據(jù)自同步流密碼的原理 我們又用硬件實現(xiàn)了一種自同步 7 黑龍江大學碩士學位論文 流密碼方案 并通過仿真驗證了同步結(jié)果 第5 章為視頻加密傳輸系統(tǒng)的研究與實現(xiàn) 詳細介紹了我們利用的s d k 開發(fā)包中的a p i 函數(shù)以及各部分設計過程 最后實現(xiàn)了針對板卡的s d k 二次 開發(fā)以及h 2 6 4 格式視頻文件的視頻解碼播放器的二次開發(fā) 最后經(jīng)過測試 設計實現(xiàn)了視頻加密傳輸系統(tǒng)的服務器端與客戶端軟件 第2 章密碼學基礎與混沌理論 第2 章密碼學基礎與混沌理論 密碼學的發(fā)展主要經(jīng)歷了三個階段 古代密碼方法 古典密碼和近代密 碼 1 1 1 計算機和現(xiàn)代數(shù)學方法一方面為加密技術(shù)提供了新的概念和工具 另 一方面也給破譯者提供了有力武器 計算機和電子學時代的到來給密碼設計 者帶來了前所未有的自由 脫離了最初的手工階段 并且不用受到機械式和 電子器件時代密碼設計的限制 利用電予計算機可以設計出更為復雜的密碼 系統(tǒng) 1 烈 2 0 世紀7 0 年代以來 現(xiàn)代密碼學伴隨著下面兩個眾所周知的里程碑式研 究逐漸發(fā)展起來 作為一種商業(yè)加密標準d e s 的提出與建立 公鑰加密方案 的提出與r s a 加密方法 現(xiàn)代密碼系統(tǒng)是一種跨多個學科的研究領(lǐng)域 涵蓋 了數(shù)學知識 信息理論 通信技術(shù)和網(wǎng)絡技術(shù)等 2 1 密碼學基本概念 密碼學 e r y p t o l o g y 是研究信息系統(tǒng)安全保密的科學 包括密碼編碼學 和密碼分析學 研究如何對信息進行編碼 實現(xiàn)對信息的隱蔽的技術(shù)叫做密 碼編碼學 c r y p t o g r a p h y 密碼分析學 c r y p t a n a l y s i s 是主要研究加密消息 的破譯或消息的偽造 不知道密鑰的情況下從密文推出明文或密鑰 從而破 譯密文的技術(shù) 在密碼學中 有五個基本組成要素 明文 密文 密鑰 加密算法和解 密算法 2 1 明文 p l a i n t e x t 信源輸入的原始信息 通常用i n 或p 表示 明文空間用 p 表示 用某種方法偽裝消息以隱藏明文的內(nèi)容的過程稱為加密 e n c r y p t i o n 被加密的消息稱為密文 c i p h e rt e x t 而把密文轉(zhuǎn)變?yōu)槊魑牡倪^程稱為解密 d e c r y p t i o n 密文 c i p h e rt e x t 是明文加密輸出結(jié)果 通常用c 表示 密文空間用c o 黑龍江大學碩士學位論文 來表示 密鑰 k e y 加密或解密所需要的除密碼算法之外的關(guān)鍵信息 是參與密 碼變換的參數(shù)k 密鑰空間用k 表示 加密算法 e n c r y p t i o na l g o r i t h m 密碼員對明文進行加密操作時所采用的 一組規(guī)則稱作加密算法 也稱編碼過程 用e 表示 c e p 解密算法 d e e r y p t i o na l g o r i t h m 接收者對密文解密所采用的一組規(guī)則 也稱解碼過程 用d 表示 p d c 密碼系統(tǒng) c r y p t o s y s t e m 是加密與解密組成的系統(tǒng) 就是發(fā)方明文初始 值與密鑰作為加密變換的輸入 經(jīng)過一定的加密處理以后得到密文 對于一個 密碼系統(tǒng)而言 總是要求它滿足 對于任意k k 有加密算法e k p 專c 和相 應的解密算法喀 p c 使得e k e 和破 d 分別為加密與解密函數(shù) 滿足 畋 x x 這里x p 即用加密算法得到的密文總是能用相應的解密算法恢 復出原始的明文來 而密文消息的獲取同時依賴于初始值和密鑰 一個完整的 密碼系統(tǒng)由密碼算法 信源 信宿和攻擊者組成1 2 加密系統(tǒng)模型如圖2 一l 所示 固 jl 密 鑰 k l 密鑰源 l 一一一一 一 卜圈 一一 一 j 圖2 1 加密系統(tǒng)框圖 f i g u r e 2 1t h eb l o c kd i a g r a mo fe n c r y p t i o ns y s t e m 第2 章密碼學基礎與混沌理論 2 2 密碼算法分類 密碼算法常見有三種分類方式 1 1 1 明文變換到密文的操作類型 此類加密算法主要有兩種基本操作 1 替代 s u b s t i t u t i o n 將明文中的元素映射成為其他元素 是一種非 線性變換 2 換位 置換 t r a n s p o s i t i o n 重新排列明文中的元素 是一種線性變 換 置換操作是可逆的 2 對稱和非對稱加密 1 對稱加密 s y m m e t r i ce n c r y p t i o n 也稱為秘密密鑰密碼 單密鑰 密碼或傳統(tǒng)密碼 即加密密鑰與解密密鑰相同 或?qū)嵸|(zhì)上等同 即從一個易 于推出另一個 2 非對稱加密 a s y m m e t r i ce n c r y p t i o n 也稱為公開密鑰密碼 雙密 鑰密碼 即發(fā)送者和接收者各自使用一個不同的密鑰 加密密鑰與解密密鑰 不同 形成一個密鑰對 用其中一個密鑰加密的結(jié)果 可以用另一個密鑰來 解密 公鑰密碼體制的發(fā)展是整個密碼學發(fā)展史上最偉大的一次革命 它與 以前的密碼體制完全不同 這是因為 公鑰密碼算法基于數(shù)學問題求解的困 難性 而不再是基于代替和換位方法 另外 公鑰密碼體制是非對稱的 它 使用兩個獨立的密鑰 一個可以公開 稱為公鑰 p u b l i ck e y 另一個不能公 開 必須為密鑰持有人秘密保管 稱為私鑰 p r i v a t ek e y 3 分組密碼和序列密碼 對稱密鑰密碼又可分為分組密碼和序列密碼 1 分組密碼 b l o c kc i p h e r 也稱塊加密 一次處理一塊 組 元素 的輸入 對每個輸入塊產(chǎn)生一個輸出塊 即一個明文分組被當做一個整體來 產(chǎn)生一個等長的密文分組輸出 通常使用的是6 4 位或1 2 8 位的分組大小 黑龍江大學碩士學位論文 常見分組加密算法有d e s i d e a r c 6 a e s 等 2 序列密碼 s t r e a mc i p h e r 也稱為流密碼 即連續(xù)地處理輸入元素 并隨著該過程的進行 一次產(chǎn)生一個元素的輸出 即一次加密一個比特或一 個字節(jié) 常見流密碼算法有a 5 e 0 r c 4 h e l i x s e a l w a k e 等 與分組密碼相比 序列密碼具有如下優(yōu)點 1 容易硬件實現(xiàn) 加解密 速度快 2 錯誤擴散低 更適用于準確度要求高的傳輸環(huán)境中 3 適用 于接收端需要緩沖或單個字符處理應用中 如遠程傳輸 2 3 序列密碼理論 2 3 1 序列密碼原理 序列密碼即流密碼 流密碼通信框圖如圖2 2 所示1 1 3 1 二進制明文序列 朋2 m l m o 圖2 2 流密碼通信框圖 f i g u r e 2 2t h eb l o c kd i a g r a mo fs t r e a mc i p h e rc o m m u n i c a t i o n 在流密碼中 將明文m 寫成連續(xù)的符號 利用密鑰流中的第f 個元素毛對 應明文中的第f 個元素職進行加密 若加密變換為e 則加密后的密文為 第2 章密碼學基礎與混沌理論 c 乓 肌 乓 研 乓 鴨 最 z t 設與加密變換e 對應的解密變換為d 其中d 滿足 b b 聊 2 鴨 江1 2 則通過解密運算可譯得明文為 2 1 2 2 m 2 q c q 五 硯 取 互 oo n h m 2 2 3 密文c 可由明文n l 與密鑰k 進行模2 加獲得 因此要用該密碼系統(tǒng)通信 就要求每發(fā)送一條消息都要產(chǎn)生一個新的密鑰并在一個安全的信道上傳送 通常稱這種通信系統(tǒng)為 一次一密系統(tǒng) 序列密碼與分組密碼的區(qū)別就在于有無記憶性 序列密碼的滾動密鑰 z o f k a o 由函數(shù)f 密鑰k 和指定的初態(tài) 完全確定 此后 由于輸入加 密器的明文可能影響加密器中內(nèi)部記憶元件的存儲狀態(tài) 因而o i o 可能依 賴于k o o x o x 1 x i l 等參數(shù) 2 3 2 序列密碼分類 根據(jù)內(nèi)部記憶元件的存儲狀態(tài)g 是否依賴于輸入的明文字符 流密碼可 迸一步分成同步和自同步方式兩種 吼獨立于明文字符的叫做同步流密碼 否則叫做自同步流密碼 1 4 1 1 同步流密碼 在同步流密碼中 密鑰序列是獨立于消息序列而產(chǎn)生的 其輸出與明文 無關(guān) 其加解密過程可用圖2 3 表示 加密過程可描述為 j g 七 z z b 七 c 乃 z 脅 這里 是 初始狀態(tài) 七是密鑰 廠是5 到s m 的狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù) z 是產(chǎn)生密鑰序列乙的函 黑龍江大學碩士學位論文 數(shù) h 是將明文所 加密成密文c 的加密函數(shù) a 加密 解密 圖2 3 同步流密碼模型 f i g u r e 2 3t h em o d e lo fs y n c h r o n i z a t i o ns t r e a mc i p h e r 對應上述加密過程 可以得到同步流密碼的解密過程描述 為 s m 廠b 七 z z 七 m h i z j c 這里辦一 表示加密函數(shù)廳對應 的解密函數(shù) 同步流密碼方案中 若發(fā)方和接收方的初始密鑰以及內(nèi)部狀態(tài)相同 則 將產(chǎn)生同樣的密鑰序列 同步流密碼的一個優(yōu)點是沒有錯誤傳播 在傳輸密 文的信道中 噪聲或其他的原因帶來的一個密文比特的錯誤傳輸僅僅影響該 密文比特所對應的一個明文比特位 因此不會影響從后面的密文正確解密 在有限域g f 2 上開展的模二加法流密碼是目前最廣泛使用的流密碼體制 加 密函數(shù)可表示為q 乙o 2 自同步流密碼 密鑰序列與生成的有限數(shù)量的密文有關(guān)的流密碼方案被稱為自同步流密 碼 1 5 6 1 與同步流密碼不同 自同步流密碼具有錯誤傳播有限的特性 在密 文傳輸過程中 修改 插入 刪除一個密文比特 將影響后續(xù)有限數(shù)目的密 文正確解密 因為自同步流密碼系統(tǒng)采用密文反饋的方式 因此該系統(tǒng)密碼 第2 章密碼學基礎與混沌理論 分析工作十分復雜 不易進行 自同步流密碼的加解密過程可用圖2 4 表示 a 加密 b 解密 圖2 4 自同步流密碼模型 f i g u r e 2 4t h em o d e lo fs e l f s y n c h r o n i z i n gs t r e a mc i p h e r 自同步流密碼的加密過程可描述為 s m g h c q c 4 z z g 尼 q 辦乜 聊 自同步流密碼中 內(nèi)部反饋狀態(tài)的每一位輸入序列都是前面n 位密文的函數(shù) 該密碼方案的輸出函數(shù)決定其復雜性 內(nèi)部反饋移位寄存器 控制輸出函數(shù)z 產(chǎn)生偽隨機序列 自同步流密碼在信道傳輸中若出現(xiàn)一比特 出錯 它將在反饋移位寄存器中移動n 位 影響n 位輸出密鑰 解密時會影 響n 位明文序列 在自同步方案中 接收端如果正確連續(xù)地接收了n 位密文 在相同初始密鑰作用下就能夠產(chǎn)生相同的密鑰序列 實現(xiàn)自同步解密 這種 自恢復同步性使得它對攻擊者的一些主動攻擊不像同步流密碼那樣敏感 但 它將明文每個字符擴散在密文多個字符中而強化了其抗統(tǒng)計分析的能力 在同步流密碼中 由于z f k q 與明文字符無關(guān) 因而此時密文字符 y e z x 也不依賴于此前的明文字符 因此 可將同步流密碼的產(chǎn)生分成 密鑰流生成和加密變換兩個部分 我們實際討論的數(shù)字保密通信系統(tǒng)一般都是二元系統(tǒng) 因而在有限域 g f 2 上討論的二元加法序列密碼是目前最為常用的序列密碼體制 其加密變 黑龍江大學碩士學位論文 換為異或運算 表示為y i z i0 x i 實際密碼設計中 密碼設計者的最大愿望是設計出一個良好的密鑰生成 器 使得密鑰經(jīng)其擴展生成的密鑰流序列具有以下幾個性質(zhì) 極大的周期性 良好的統(tǒng)計特性 抵抗線性密碼分析和統(tǒng)計分析 密鑰流生成器的設計目的是用一個短的隨機密鑰 也稱種子密鑰 k 生成 一個長的密鑰流 用這個長的密鑰流對明文加密或?qū)γ芪慕饷?從而使一個 短的密鑰可用來加密更長的明文或解密更長的密文的目的 2 3 3 密鑰流生成器 將密鑰流生成器分成驅(qū)動部分和非線性組合部分 如圖2 5 所示 2 1 驅(qū)動部分控制生成器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移 并為非線性組合部分提供統(tǒng)計性能好 的序列 而非線性組合部分要利用這些序列組合出滿足要求的密鑰流序列 密鑰序列 k k o k l k 2 圖2 5 密鑰流生成器原理圖 f i g u r e 2 5t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fk e ys t r e a mg e n e r a t o r 目前最為主要的密鑰流產(chǎn)生器如圖2 6 所示 其驅(qū)動部分是一個或多個線 性反饋移位寄存器 移位寄存器是流密碼產(chǎn)生密鑰流的一個主要組成部分 g f 2 上一個n 級 反饋移位寄存器由n 個二元存儲器與一個反饋函數(shù)f a a a 組成 每一存儲器稱為移位寄存器的一級 在任一時刻 這些級的內(nèi)容構(gòu)成該 反饋移位寄存器的狀態(tài) 每一狀態(tài)對應于g f 2 上的一個n 維向量 共有2 n 種 可能的狀態(tài) 第2 章密碼學基礎與混沌理論 i l f s r i 1r r l f i l f s r l b l f s r 2b f l f s r nb 圖2 6 常見密鑰流生成器 f i g u r e 2 6c o m m o nk e ys t r e a mg e n e r a t o r s 如果移位寄存器的反饋函數(shù)f a a 2 a 是a i a a 的線性函數(shù) 則稱 之為線性反饋移位寄存器l f s r 1 i n e a rf e e d b a c ks h i f tr e g i s t e r b 7 此時f 可 寫為f a l a 2 a 巳qo 色0 飪 c l a n 其中常數(shù)c i 0 或l o 是模2 加 法 c 0 或1 可用開關(guān)的斷開和閉合來實現(xiàn) 線性反饋移位寄存器因其實現(xiàn) 簡單 速度快 有較為成熟的理論等優(yōu)點而成為構(gòu)造密鑰流生成器的最重要 的部件之一 線性反饋移位寄存器輸出序列的性質(zhì)完全由其反饋函數(shù)決定 n 級線性反 饋移位寄存器最多有2 n 個不同的狀態(tài) 若其初始狀態(tài)為0 則其狀態(tài)恒為o 若其初始狀態(tài)非0 則其后繼狀態(tài)不會為0 因此n 級線性反饋移位寄存器的 狀態(tài)周期小于等于2 d 一1 其輸出序列的周期與狀態(tài)周期相等 也小于等于2 n 一 只要選擇合適的反饋函數(shù)便可使序列的周期達到最大值2 4 一 周期達到最大值 的序列稱為m 序列 流密碼的安全性取決于密鑰流的安全性 要求密鑰流序列有好的隨機性 因此密碼分析者就無法對它預測 也就是說 即使截獲其中一段 也無法推 測后面是什么 但因為密鑰流是周期的 要完全做到隨機性是困難的 嚴格 地說 這樣的序列不可能做到隨機 只能要求截獲比周期短的一段時不會泄 黑龍江大學碩士學位論文 露更多信息 這樣的序列稱為偽隨機序列 g o l o m b 對偽隨機周期序列提出其應滿足的以下3 個隨機性假設 1 8 在序列的一個周期內(nèi) o 與1 的個數(shù)相差最多是l 在序列的一個周期內(nèi) 長度為i 的游程占游程總數(shù)的1 2 i l 2 且0 和1 的任一相同游程個數(shù)最多差l 自相關(guān)函數(shù)是一個常數(shù) 假設 說明 a i 中0 與1 出現(xiàn)的概率整體上相同 說明0 與1 在序列中 每一位置上具有相同概率 意味著通過對序列與其平移后的序列做比較 不能給出其他任何有用信息 m 序列滿足g o l o m b 的3 個隨機性公設 在一個周期內(nèi) 0 1 出現(xiàn)的次數(shù)分別為2 n 一一1 和2 n l 在一個周期內(nèi) 總游程數(shù)為2 n 一1 對1 i n 一2 長為i 的游程有2 n 一1 個 且0 1 游程各半 長為n 一1 的0 游程一個 長為n 的1 游程一個 a i 的自相關(guān)函數(shù)為 f l f o 以力2 i 擊 0 r o j 2 2 第2 牽密碼學基礎與混沌理論 2 任給五 而 s 有l(wèi) i r a i n f l f 五 一廠 疊 i 0 x 3 任給五 s 及f 的任意周期點x 2 有l(wèi) i m s p l f x j f 而 l 0 j 這里n 表示1 1 重函數(shù)運算 稱f 在s 上是混沌的f 2 3 1 由李 約克的定義可 見 他們是用非周期 有界和對初值的敏感性這三個方面的本質(zhì)特征來對混 沌進行刻畫的 定義2 d e v a n e y 混沌定義 r l d e v a n e y 采用拓撲方法給出了混沌的定義 3 1 1 拓撲傳遞性 f r 打哼r 稱為是拓撲傳遞的 如對任何一對開集 u vcr 存在k 0 使得 u r 礦 其中 廠 己廠 表示迭代k 次的函 數(shù) 2 對初始條件的敏感依賴性 f 尺4 哼r 有對初始條件的敏感依賴性 如存在萬 0 對任何x r 和x 的任何領(lǐng)域 存在y n 和自然數(shù)n 使得 礦 f y f 萬 3 周期點在y 中稠密 定義3 連續(xù)流混沌 對于系統(tǒng)j 功 以 為初始值的解表示為伊 f 烈o 功 x 記 r 1 緲 1 x r 2 緲 2 x r 刀 妒 刀 x 刀 n 如果t o r 2 r o 是 混沌序列 則系統(tǒng)j 刁是混沌的1 2 4 1 但是 在實際研究混沌運動規(guī)律 證明某一系統(tǒng)是否會有混沌現(xiàn)象產(chǎn)生 時 我們往往不是通過混沌的數(shù)學定義來確定 而是通過混沌的一些性質(zhì)去 研究和判斷 以下將介紹一下混沌的幾個主要特征 2 4 2 混沌的性質(zhì) 混沌理論作為一個科學理論 它具有三個關(guān)鍵概念 或者說是三個特性 2 1 黑龍江大學碩士學位論文 初值敏感性 分形