單向HASH函數下的密鑰矩陣加密方法分析

王毅銘

（廣西大學國際學院，廣西 南寧 530004）

0 引言

隨著網絡的發展，改變了人們日常的工作生活，網絡在給人們帶來方便的同時，也存在潛在的危險，需要人們注意信息安全。為了保證信息的安全，就可以通過加密的方式構造出安全的密碼算法，把其應用在圖像、文字等方面，本文就是通過混沌理論來加密構造單向HASH函數。

1 單向HASH函數的相關概述

1.1 單向HASH函數的概念

單向HASH函數是指單向散列函數，就是把任意長的輸入消息串變化成固定長的輸出串且輸出串難以得到輸入串的一種函數。HASH函數可以更好地校驗和提高數字的有效性，算法是偽隨機函數[1]。

該函數在運行過程中不需要保密，因為單向性決定了它的安全性，在輸入數據后就可以求出HASH值。在反推的過程中需要依賴于輸入，這一算法能夠更好地降低概率，保證算法的安全性[2]。常見的單向散列函數有MD5，SHA，MAC，CRC，MD5使用的比較廣泛，可以把不同的數據塊通過編碼的方式變成128位的數值。SHA算法可以把任意長度的數據運算成160位的數值。MAC可以通過系統或用戶間的認證來完成加密。CRC可以更好地檢驗錯誤，便于人們對于數據進行校驗。

1.2 混沌單向HASH函數的構造

目前，很多加密都需要依賴于HASH函數，人們在使用計算機時，就考慮到了建立計算機密碼系統，MDS，SHA-1兩個HASH算法相對安全。隨著科學技術的不斷發展，人們開始發現混沌理論更加符合HASH函數的構造要求，開始向混沌的單向HASH函數構造方面進行研究，主要分為Logistic映射、分段線性混沌映射、貓映射、混沌神經網絡、耦合映像格子。

2 混沌密碼學發展中存在的問題

和以往的密碼學相比，混沌密碼學發展時間較晚，在密碼技術方面存在一定的不足，主要體現在以下幾個方面：（1）缺少相關的安全性理論體系。對于混沌理論的研究還比較少，人們多是通過簡單理論對密碼進行安全分析。可以通過密鑰來進行相關信息的交流，運用傳統密碼學中的理論來驗證混沌密碼體制，研究出具有密碼特性的混沌映射。（2）有關動力學特性退化的問題。混沌系統下對空間的定義是整個實數域，計算機的精度有限，在設計密碼時容易出現這一問題，會影響到系統落不到運行軌道中，導致密碼出現死循環影響到算法[3]。在面對這一問題時，可以通過多個混沌系統聯合或運用更復雜的混沌系統來增加特性，對影響到系統參數的數值進行干擾，提高系統的準確度。（3）連續系統的離散化和算法復雜。密碼設計是通過數字化的方式完成的。隨著相關技術的不斷發展，人們只能通過系統進行簡單的數字運算，當面對大量數據時，密碼系統的計算難度就會進一步增大，會影響到它的廣泛應用。為了更好地解決這一問題，可以通過選擇穩定性能好的映射、時空混沌系統、提高混沌性能、發揮傳統密碼技術的優點來提高密碼的安全性。

雖然存在上述問題，但是它屬于一個新的密碼設計方法，可以豐富密碼學的內容，讓人們可以攻克更多密碼體制相關的問題，能夠促進密碼學的研究。

3 時空混沌HASH編碼硬件系統的應用

3.1 硬件系統結構的概述

時空混沌HASH編碼系統的硬件結構是由外部接口來保證數據的輸入和輸出，在輸入接口是由HASH編碼硬件系統和主處理單元的通信接口組成。輸入消息數據時通過該硬件系統，得出相應的HASH碼，通過傳回處理單元的方式對相關消息的安全進行驗證，等到認證結束后才能保證消息的可靠性，當收到消息被篡改，就說明這條消息不可靠。

這一系統包括數據標準化、包檢查、FFO數據緩存，時空混沌運算模塊和HASH編碼輸出模塊。數據標準化是為了保證數據有可以統一的規范，便于對模塊的數據處理。標準化可以把慢速的外部數據接口的數據都緩存都本單元內，能夠在接到數據后，通過該系統傳遞給檢查模塊，當出現數據不統一的情況，需要根據標準化的要求對其進行整齊劃一。在檢查模塊中，需要對相關的數據包進行檢查，保證消息的長度，對其進行標注。算法使用的耦合映像格子數量是固定的，所以需要對不足格子長度的數據包進行標注補充數據，達到要求的數據長度，再把符合要求的數據發送到FFO數據緩存器中。數據緩存器是把數據接收后通過相關運算對數據進行處理，保證數據在運算的過程中不會出現丟失的情況，及時出現丟失也可以在數據緩存器中找到需要的數據，這樣才能生存正確的HASH編碼。

只有完成上述的流程后，才能夠保證輸入信息的完整性，對于進行及時的檢查，發現問題及時解決問題，保證數據的規范性，便于后續模塊對數據進行運算。

3.2 時空混沌運算模塊

這一模塊是HASH編碼硬件系統的核心單元，在輸入消息時要把其劃分為模塊進行運算。這一運算模塊是對輸入的數據進行相應的判斷，把輸入的數據作為該系統的初始值，通過數值來啟動系統多次的進行迭代運行產生偽隨機序列。通過多次的運算后，就可以形成消息模塊生成HASH碼的數據。對數據進行相應的操作，得出與之對應的HASH碼。對多個消息模塊的HASH碼再進行運算就可以得出相應消息的HASH編碼。

在對多個消息模塊進行運算時，可以通過并行運算的方法或串行運算的方法。前者的優點在于可以更快地運算出結果，能夠同時處理多個模塊的數據，在很短的時間內就可以得到結果，缺點是對資源需求比較高，硬件成本相對比較高。后者的運算方式優點是硬件資源需求比較少，通過一個模塊運算的方式就可以完成全部信息的運算，缺點就是在多個模塊數據在同時運算時，運算的速度會比較慢。為了更好地進行運算，就需要充分考慮到資源和速度的因素，找到一個比較平衡的點，根據不同的需求選擇不同的運算方式，滿足數據的運行正確生成HASH碼。

當出現多消息模塊并行運算時，可以在系統處于空閑時，把數據都準備好，把數據同時輸入到各個模塊中進行相關運算。在完成全部的計算后，就可以把生成的結果做最后一步的運算，得出所需要的HASH碼。當系統再次出現空閑的時候，就可以進行下一次的消息輸入，循環往復可以在一定程度上節約計算的時間。

3.3 時空混沌單位模塊運算單元

在這一模塊運算單元中，是為了對消息模塊的數據進行運算，使其生產成本模塊的HASH碼。首先，在這一系統計算過程中，要保證存儲空間的需求。在n（循環次數）和i（耦合格子數）很大的情況下，就需要大的存儲空間對數據進行緩存。在一般的計算機上，由于存儲空間較大，可以完成上面的運算，對于數字邏輯系統來說，本身數據量就大，需要緩存的資源更多，在一定程度上增加了系統的硬件成本，所以減少中間數據可以滿足人們對于存儲空間的需求。

當時空混沌系統的N和I數值越大時，系統的非線性動力學特性就會變得復雜，這樣會更有利于生成HASH碼，通過這一方法可以更好地減少中間數據的存儲空間，讓整個數據量的運算都可以在硬件編程器中進行。

這一單元的運算流程如下：空閑狀態—讀取輸入數據到Line0—時空混沌運算得出Line1—移動到Line0—生成HASH碼。把要運算的數據輸入其中，通過轉移數據的方式在時空混沌系統中進行相關賦值的操作。在讀取數據完成后，可以運算到Line1，再通過相關的計算得出數據轉移到Line0中，進行下次的運算初始值，周而復始的進行新的一輪計算。直到完成N的運算后，就可以進入到生成HASH碼，在運算過程中可以通過十進制小數、二進制整數的方式來對應映射法，還可以通過抽取的方式對數據進行比對，組成HASH碼。

3.4 對仿真結果的分析

通過仿真技術可以對相關的模塊進行功能的測試，保證驗證的設計結果可以符合相關設計的目標。可以通過檢查模塊功能，分析輸入數據是否符合規范化操作，根據浮點數值得出時空混沌系統的初始值。當出現數據長度與輸入消息不對等時，可以通過填充的方式讓消息達到長度標準，進一步提高系統的動力學復雜性。

4 結語

綜上所述，隨著網絡技術的不斷發展，為了保證信息的安全性，人們開始采用單向HASH函數下的密鑰機密方式，對數據進行校驗保證信息的完整性。