電子信息保密通信傳輸鏈加密方法改進研究

宋海靜

（內蒙古祥合福機電設備有限公司，內蒙古鄂爾多斯，017000）

0 引言

傳統的通信模式中將信息調制在發射機的周期載波上，在加密的過程中通常采用數值計算的加密方法，但破譯較為容易[1]。而混沌模式下，通信過程由非線性方程、參數等條件決定，隨機性明顯。而國外學者就此提出了蔡氏電路，運用該電路為模型達成了混沌同步以及保密通信[2]。但使用混沌電路產生隨機數的方法雖然可以達成加密，但應用效果不理想。半導體激光器，具有寬帶、高速、低衰減的優勢，但研究仍在起步階段[3]。

1 電子信息保密通信傳輸量加密方法改進

1.1 完美保密性

相關研究指出了更加理想的加密方案，同時定義了完美保密性，將信號端發送的消息設為M并在編碼器中添加經過密鑰產生的加密密鑰K，并將消息M加密成密文E并傳遞給接收端，而在接收者預先已知密鑰K，通過密鑰K進行解碼，即可獲得還原后的消息。假設在傳輸的過程中密文E被竊聽，消息M= {M1，M2...Mn}，且獲取到的消息取值滿足Mk?{0,1,...,C}，而加密后的密文E={E1,E2,...,En}，密鑰K={K1,K2,...,Kn}，在保密的過程中，需要保證竊聽者即使獲得了密文E但在密文E中無法得到消息M的相關信息，則密文E與消息M，均要滿足：

在（1）當中，P(M)代表消息M的先驗概率，代表在已知密文E后，消息M可驗概率。根據信息論理論，將信源熵設為H(M)，同時也代表信源符號存在的不確定度。則代表竊聽者在收到消息E后仍對M存在的不確定性，即信息疑義度，則可得出公式：

同時密鑰與明文信息通常屬于等概率分布，則信源熵H(M)=log2C。

衛葉斯公式表示為：

而I(M;E)可以代表在竊聽用戶通過密文E獲取到消息M的信息量，作為平均互信息量，則獲得下面公式：

在（5）公式中，竊聽用戶的疑義度和信源的信息熵相等時，同時竊聽用戶得到的信息量為0，此時的通信可以達到完全的保密。而得到較好的保密性，同時要求密鑰的信息熵大于信源信息熵，即H(K)≥H(M)。在消息中，每比特的信息需要1比特的密鑰進行加密。

1.2 激光混沌模型

傳統電路混沌不能適應當前發展下的電路帶寬以及電路高衰減的限制，在當前現代高速寬帶通信網絡中難以應用[4-5]。因此本文選擇激光混沌通信模式來代替傳統的電路混沌。激光器具有復雜的非線性行為。同時激光器也從周期、準周期經歷倍周期分叉并走向混沌。同時混沌激光作為通信載波的環利用激光的特性，發揮光纖傳輸的低衰減的優勢。而本文中選用的激光器為單模運轉的半導體激光器，速率方程可采用耦合的線性方程來描述，不考慮自發輻射噪音影響，則速率方程可表示為：

其中，E(t)代表激光器的光場復漸變振幅，N(t)代表激光器的載流子數，ω(N)代表激光器在沒有外部擾動時振蕩頻率，G(N)代表增益函數，函數關系可表示為，同時Nth代表激光器在沒有外部擾動情況下，激光取得閾值的載流子數，τp代表光子壽命，在半導體激光器中，G(N)的線性表達式為：

在（8）公式中，GN代表微分增益，在激光強度較高時，增益呈現出飽和的狀態，可采用s代表增益飽和參數，則：

在（9）公式中g代表增益系數，而ω(N)的系數和激光器的折射率以及對應的載流子密度相關，可表示為：

在（10）公式中，ωth代表激光器的自由振蕩頻率，而ΔN=N-Nth，n代表折射率，n*代表有效的群速度折射率。而對其中的VCSEL，其種的對數形式的增益為：

在（11）公式中，ΓL代表側向的光場限制因子，ΓZ代表縱向的光場限制因子，vg代表光場激光的群速度，aN代表光的增益系數，εNL代表增益壓縮因子，P(t)代表電場E(t)受到轉換時的光子密度。同時當半導體激光器在缺乏外部擾動的情況下，所注入的電流會超過閾值范圍，當半導體激光器輸出經歷過馳豫振蕩，并進入穩定狀態，且不會產生混沌激光。同時在半導體激光器中產生的混沌激光輸出需要增加自由度，其中的方法可以通過電流直接調制來達成。電流直接調制，運用該方法的一個信號來調制半導體激光器的偏置電流，同時激光器的速率方程可以表示為：

在上述公式中ωmod代表調制頻率，根據調制頻率的增加，激光器激光的馳豫振蕩頻率中，激光器在由倍周期分岔中進入混沌工作區。同時在外部光的注入條件下，當頻差不斷增大，半導體激光器中的副激光器會產生倍周期分岔，同時進入到混沌工作區中，當注入的系數過大時，副激光器也從穩定、周期進入到混沌狀態中。而放置在半導體激光器外部的反射器件，將激光器的輸出重新返回，形成外部光反饋。受到外部光反饋，激光呈現出多個特征值，同時通過調節激光器的反饋系數以及驅動電流，表現出更復雜的混沌形態。

1.3 加密算法過程

根據文獻資料證實，數據的加密往往通過原始數據的置亂以及對置后的數據進行修改的過程，為了提高加密的安全性，需要對明文數據經過多次數的置換以及擴散交替[6]。本文對信息的加密處理進行改進，具體流程首先，處理所需傳輸的信息。在傳輸信息置亂過程中，混沌映射的方法有很多，但均需要將所傳遞的信息因素映射到不同的方陣里，因此在置亂的過程中，需要將加密信息分成和方陣中所分割數目一樣的分組。而且在進行應用時，要保證加密信息數據量每次傳輸均不同，當出現不能分割成足夠數量的分組時，需填充信息數據，滿足信息置亂的條件因素。其次對信息數據進行置亂操作，將方陣中的信息元素映射至分組內，同時使用混沌映射來對信息進行方程置亂，方陣中的每個分組元素都要進行位置置亂，而進行置亂的混沌映射數據則作為加密密鑰K的一部分。在置亂完成后，對信息數據進行擴散處理，通過對變換公式中，不同分組下的置亂后的數據信息的替換，增強加密信息的安全性，同時在方陣中的數據信息值也要進行擴散，保證數值不僅僅與本身有關，同樣和其他元素值相關，在明文分組中，所映射的N×N方陣里，反映出的擴散變化公式為：

在（14）公式中，gi,j代表在方陣i,j處在信息元素擴散前的值，則代表在方陣i,j中處在信息元素擴散后的值，其中i,j∈{0,1...G-1}，f(i,j)代表其中的某個以i和j作為自變量的函數，同時作為特定的運算模式。

2 實驗結果與分析

為驗證本文對電子信息保密通信傳輸量加密方法的改進有效性，設計仿真實驗，在同等保密中斷概率的條件下，對改進后與改進前加密方法的保密吞吐量，驗證有效性。

2.1 實驗參數

在實驗過程中，使用的計算機的設備為：顯示器為金正X24A，24英寸。主板為華南金牌X79主板，CUP接口為LGA20011，內存類型為DDR3，內存容量為32GB，顯卡為Asus GTX1060 3G，接口類型為PCI Express 2.0 16X。硬盤型號為WD/西部數據 1TB，容量為1TB，接口類型為SATA，硬盤轉速為7200轉。

2.2 實驗結果

兩種方法在相同保密中斷概率下，保密吞吐量如下圖1所示。

圖1 不同保密中斷概率下加密方法吞吐量情況

在圖1中可以看出，在經過改進后的加密方法在保密中斷概率提高的情況下，吞吐量高于傳統加密方法，為了進一步進行驗證，對合法信道的平均信噪比Γ進行改變，檢測兩種加密方方法的使用情況。

在圖1和圖2中可以看出，在進行低發射功率、高保密性的通信信息數據傳輸中，在廣義的保密中斷概率數值改變時，本文改進后的加密方法信息數據吞吐量更高，同時在不同的合法信道信噪比的情況下，改進后的加密方法通信能力更強。

圖2 不同發射功率下加密方法吞吐量對比

3 結束語

本文通過使用半導體激光器對傳統的加密方法進行改進，且具有更高的數據保密吞吐率，證明改進的可行性。在未來工作中，可以進一步的提高激光混沌通信的速率，同時也可對多信道復用激光展開研究。