基于超混沌系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)用戶隱私信息加密仿真

韓 飛，張葛祥

(1.浙江師范大學(xué)工學(xué)院，浙江 金華 321004；2.成都理工大學(xué)信息與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610059)

1 引言

目前網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)快速發(fā)展，已逐漸成為經(jīng)濟技術(shù)進步的重要途徑，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息傳輸，并采用多種圖像、圖表、視頻、文字等表現(xiàn)形式，對各類信息完成表達[1]。在享受數(shù)據(jù)便利的同時，也需要承受因其帶來的信息安全等問題，在開放的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，大量不法分子利用不正當(dāng)手段對人們的信息數(shù)據(jù)進行竊取和利用，導(dǎo)致隱私泄露等嚴(yán)重性問題，威脅著公共社會安全[2]。為了有效提高網(wǎng)絡(luò)信息安全性，需要對隱私信息進行合理的加密保護。

文獻[3]提出數(shù)據(jù)能量守恒的加權(quán)融合私密信息加密方法，根據(jù)節(jié)點數(shù)據(jù)能量均衡，建立數(shù)據(jù)分析模型，將數(shù)據(jù)分路中的每個私密信息節(jié)點都進行能量平衡，再加入密鑰，保證各信息節(jié)點的完整性及能量狀態(tài)的平衡，增強節(jié)點的抗攻擊性，實現(xiàn)私密信息的加密保護。此方法提高了信息傳輸安全性，但存在加密時間較長的問題。文獻[4]提出基于密碼學(xué)的網(wǎng)絡(luò)多模態(tài)信息動態(tài)加密方法，通過網(wǎng)絡(luò)加密卡設(shè)計，加密功能狀態(tài)，采用PCIE總線接口，完成基本協(xié)議功能并進行數(shù)據(jù)交互，根據(jù)密碼體制改變密鑰長度，運用密碼學(xué)動態(tài)算法，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)多模態(tài)信息動態(tài)加密。該方法的抗攻擊能力較強，但整體的復(fù)雜程度過高，導(dǎo)致私密信息的加密效果較差。

針對上述問題，提出基于超混沌系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)用戶隱私信息加密方法，引入基于混沌映射的私密信息加密密鑰，分布排列原始信息，實現(xiàn)信息時間與空間序列的均勻分布。將數(shù)據(jù)空間劃分為多個子空間并在其空間內(nèi)部設(shè)立數(shù)據(jù)讀取節(jié)點，將私密信息傳輸至此節(jié)點然后進行加密，再通過密鑰保證加密傳輸過程的安全性，增強加密后信息的抗攻擊性。

2 超混沌系統(tǒng)

根據(jù)大數(shù)據(jù)環(huán)境下私密信息的數(shù)據(jù)特征及屬性，利用超混沌系統(tǒng)進行加密計算，提高信息私密性并改善網(wǎng)絡(luò)安全性能，其具體系統(tǒng)方程為

(1)

超混沌系統(tǒng)的與其它系統(tǒng)相比之下，具有Lyapunov exponent(李雅普諾夫)指數(shù)[5]，表明其擁有較明顯的不確定性和隨機性，且系統(tǒng)變量及狀態(tài)變化參數(shù)的整體復(fù)雜性都較強，這樣當(dāng)系統(tǒng)變化參數(shù)為xi=0.2時，李雅普諾夫指數(shù)就表示為x1=1.552、x2=0.023、x3=0、x4=-12.573、x5=-6.231。

由于關(guān)系等式中存在李雅普諾夫指數(shù)，而此指數(shù)會使系統(tǒng)的程序行為形成一種復(fù)雜多變的表現(xiàn)形式，其變量的隨機性和不確定性也同時就會隨之增加，且具有更豐富的動態(tài)變量表現(xiàn)特性，所以將超混沌系統(tǒng)引入到私密信息加密過程中的話，會在一定程度上增加算法的抗破譯與抗攻擊性，也就大大地提升了安全性能，使其變得更為縝密實現(xiàn)整體質(zhì)量的有效提升，且對于現(xiàn)階段的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境來說具有很好的實用和利用價值。

3 生成私密信息密鑰

為了提高隱私信息加密算法的安全性及完整性，需要將基于初始數(shù)據(jù)的超混沌信息序列實施整合改造，生成有關(guān)其隱私信息的密鑰，方便后續(xù)算法進行，保證隱私數(shù)據(jù)的均勻分布，確保加密質(zhì)量，其具體操作步驟如下：

1)基于原始數(shù)據(jù)生成的超混沌信息序列表現(xiàn)為以下形式

{xj(i)：i=1，2，…，N0+L/4；j=1，2，3，4}

(2)

式(2)中，{xj(i)}中包含4個實數(shù)集(j=1，2，3，4)且它們長度大小相等都為(N0+L/4)，L表示待加密信息的總數(shù)。

2)為了解決因初始數(shù)據(jù)而形成的暫態(tài)過程[6]，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)易出現(xiàn)混淆的情況，通過增加信息序列的敏感度，實現(xiàn)有效改善，刪除初始數(shù)據(jù)序列中的前N0個信息，就可得到大小為L/4的序列，將其按照{(diào)xj(i)}進行轉(zhuǎn)換改造，得到以下有關(guān){yj(i)}的序列關(guān)系

yj(i)=[2×xj(i)-(max＿xj+min＿xj)]

/(max＿xj+min＿xj)

(3)

式(3)中，在有關(guān)j的信息序列中，max＿xj表示最大值；min＿xj表示最小值，且j=1，2，3，4。再根據(jù)步驟2)中的有關(guān){yj(i)}序列進行再次改進，就可得到三次改進序列{zj(i)}及有關(guān)密鑰混沌序列[7]表示為

zj(i)=(floor(|yj(i)|)×10m，256)

i=1，2，…，L/4；j=1，2，3，4

(4)

式(4)中，x的絕對值表示為|x|，m的絕對值表示為m=14，floor(x)的絕對值則取有關(guān)x的最大值或最小值的正整數(shù)。

3)將經(jīng)過上述步驟改進后的所有子序列進行整合處理，并將這些子序列L的和與其大小相等的混沌信息序列K進行混合，就可得到關(guān)于兩者的序列關(guān)系如下所示

K=[z1(1)，z2(1)，z3(1)，z4(1)，…，z1(L/4)，

z2(L/4)，z3(L/4)，z4(L/4)]

(5)

依照上述步驟逐一進行改進，就能以原始混沌序列為基礎(chǔ)，將所有子序列依次進行數(shù)據(jù)改造及合并，得到有關(guān)所有混沌子序列的子密鑰，且它們大小和長度等同，這樣就可以保證全部有關(guān)超混沌的子密鑰序列[8]，實現(xiàn)均勻分布，且隨機性較強，在基于密集數(shù)據(jù)的隱私信息加密情況下，也能有效保證數(shù)據(jù)序列呈均勻分布狀態(tài)，減少加密工作量，提高效率。

4 引入混沌映射

通過引入混沌映射的方式，增強加密算法的安全性。首先，假設(shè)在加密過程中產(chǎn)生的對隱私數(shù)據(jù)敏感度的映射參數(shù)為a，其參數(shù)關(guān)系表示為a1，a1，…，at，其中t表示循環(huán)變換的周期。其具體引入混沌映射[9]后的加密效果如圖1所示。

圖1 混沌序列引入示意圖

從圖1中可以看出，映射參數(shù)會形成有關(guān)隱私信息的周期性變化，信息序列A和B會不斷改變狀態(tài)，依次進行迭代。為了使隱私序列可以根據(jù)用戶信息產(chǎn)生對應(yīng)敏感度，將通過依次推進的方式逐步增加敏感度[10]。在網(wǎng)絡(luò)用戶的隱私信息中截取大小為X×Y的信息區(qū)間，并為其引入混沌映射表示為F(hn)，通過此步驟傳輸?shù)男畔⒎謩e表達為h(0)，h(1)，h(2)，…，h(X×Y-1)，因為0h(n)1，所以就可得以下關(guān)系

h(n)=0.kn(0)kn(1)kn(3)kn(L-1)

(6)

根據(jù)此關(guān)系式，h(n)表示每次引入后信息的敏感度值，對所有隱私數(shù)據(jù)都引入混沌映射，就可逐步增加隱私信息的敏感度，保證加密效率。

5 隱私信息加密算法實現(xiàn)

在現(xiàn)階段的大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，信息數(shù)量急劇上升，為了能有效提高加密質(zhì)量及效率，通過設(shè)立有關(guān)隱私信息網(wǎng)絡(luò)空間的方式實現(xiàn)有效加密。

首先設(shè)立基于隱私信息的超混沌密鑰數(shù)據(jù)空間，并將此空間分割成多個大小相同的子空間，在這些子空間內(nèi)加設(shè)數(shù)據(jù)讀取節(jié)點，方便實現(xiàn)加密。當(dāng)用戶的隱私信息傳輸至子空間內(nèi)時，讀取節(jié)點就會向上方獲取密鑰權(quán)限，權(quán)限通過才可繼續(xù)進行下一步，保證整體過程的安全性，其具體加密步驟如下：

將讀取節(jié)點獲取隱私信息設(shè)立數(shù)據(jù)合集表示為D=(d1，…，dx)，將此數(shù)據(jù)集D進行劃分可得到P=(D1，…，Dm)，再將數(shù)據(jù)集P中的所有元素進行排列組合，就可得到下一個數(shù)據(jù)序列A=(a1，…，am)，在A中的所有元素都表達為同一屬性，假設(shè)si′j′代表其表達在第j′時刻下的片段，si代表用戶在此時刻下表達的第i類屬性元素，將二者通過隱私信息表達矩陣[11]可描述為以下關(guān)系

(7)

在此基礎(chǔ)上，建立一個基于子密鑰的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，表示為s，在此節(jié)點上將第j′時刻下的用戶隱私信息si′j′，產(chǎn)生有關(guān)子密鑰ki′j′的對應(yīng)矩陣K，具體表達如下所示

(8)

利用哈希函數(shù)[12]計算對相應(yīng)子密鑰矩陣K進行描述，將有關(guān)子密鑰的哈希函數(shù)表示為H(Hash)()，在各個讀取節(jié)點上設(shè)立唯一對應(yīng)的哈希數(shù)據(jù)鏈，將作未初始數(shù)據(jù)輸入到哈希鏈中，此數(shù)據(jù)鏈中的哈希值表示為|Hi|=l×m+L，在各個時間段內(nèi)對基于隱私信息的哈希數(shù)值進行采集，將數(shù)值為Hi-1的哈希值進行輸入，通過計算得一個時間段內(nèi)的對應(yīng)哈希值為Hi=Hash(Hi-1)，計算在H1時刻下的基于隱私信息的輸入密鑰k0的數(shù)值，根據(jù)上述步驟，依次循環(huán)計算得出最終隱私信息哈希鏈為H={H1，…，Hm}，將此哈希鏈通過分割形成幾個不同的m+1片段，在此中，k1i，…，kmi的作用是對其子空間的隱私信息進行描述，并找對與其對應(yīng)的其它信息子密鑰S1i，…，Smi，將k0j′作為最后保留密鑰，至此，k0j′密鑰就會繼續(xù)在網(wǎng)絡(luò)中移動或傳輸。基于此步驟依次重復(fù)，就可以獲取到所有待加密信息的全部對應(yīng)密鑰矩陣，表示為

(9)

在此之上，保證加密過程的安全性，將引入分割及整合步驟，讓所有的隱私信息經(jīng)過重組及融合，確保信息的完整性。

假設(shè)，ξ代表網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)接收節(jié)點，其隨機選取關(guān)系表示為Sξ(J=|Sξ|)，將其中的任意節(jié)點劃分為多個ζ數(shù)據(jù)片，并在接收節(jié)點ξ中提取出一份數(shù)據(jù)片，將其余的ζ-1信息全部進行加密然后發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中的剩余全部節(jié)點ξ-1內(nèi)，假設(shè)數(shù)據(jù)接收節(jié)點ξ向ζ發(fā)送的用戶隱私信息表示為dξ′ζ′，就可將其中的所有隱私信息進行集合，得到

(10)

當(dāng)ζ已經(jīng)全部接收到經(jīng)過加密后的隱私信息數(shù)據(jù)片后，利用各個節(jié)點間的對應(yīng)子密鑰來實施解密，直到節(jié)點已經(jīng)全部接收到所有剩余隱私信息數(shù)據(jù)片，再將全部數(shù)據(jù)片采取加權(quán)求和，就可得到以下關(guān)系

(11)

將上述過程中進行移動傳輸?shù)娜抗?jié)點，都聚集至最終融合節(jié)點內(nèi)，可以得到

(12)

這樣利用上述步驟，通過將用戶的所有隱私信息進行分割，再實現(xiàn)融合匯聚的方式，有效提高加密過程的安全性，完成隱私保護。還可確保用戶隱私信息的完整性，在不破壞原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)最為高效且合理的網(wǎng)絡(luò)用戶隱私信息加密。

6 仿真分析

6.1 仿真數(shù)據(jù)

為了驗證基于超混沌系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)用戶隱私信息加密方法的加密效果，采用MATLAB仿真軟件作為仿真平臺，將以某網(wǎng)絡(luò)平臺的500位意向用戶的隱私信息作為實驗數(shù)據(jù)。分別采用文獻[3]方法和文獻[4]方法的結(jié)果作為對比分析，保證所提方法實驗結(jié)果的真實性與合理性。其實驗數(shù)據(jù)與參數(shù)如表1所示。

表1 具體實驗數(shù)據(jù)與參數(shù)

6.2 實驗結(jié)果對比分析

6.2.1 加密效果對比

在大數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，通過信息吞吐量對加密程度進行表達，在吞吐量逐漸增大的情況下，對比分析不同方法的ASII碼值變化情況，ASII碼值表示基于混沌序列的專屬密文字符，該字符變化越穩(wěn)定，表明加密性越強，對比結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同方法的ASII碼值變化情況對比

從圖2中可以看出，所提方法的ASII碼值變化情況整體較為穩(wěn)定，說明所提方法加密性較強，加密效果較好。因為所提方法在加密處理用戶隱私信息時，有效利用原始隱私信息的特征屬性，并不斷實施改進和整合，確保相關(guān)子密鑰序列的均勻分布，保證其在數(shù)據(jù)信息密集且復(fù)雜的情況下，也能有效完成信息加密，提高加密效果。

而其它兩種方法的ASII碼值變化情況整體波動較大，未考慮因原始數(shù)據(jù)帶來的信息分布不均的問題，導(dǎo)致在加密數(shù)據(jù)量增多的情況下，因?qū)?yīng)子密鑰不能實現(xiàn)均勻分配，從而影響加密數(shù)量，降低加密效果。

6.2.2 抗攻擊性對比

通過引入擾動數(shù)據(jù)的方式，檢驗不同方法的網(wǎng)絡(luò)用戶隱私信息加密抗攻擊性。首先轉(zhuǎn)化處理信息，將原有的隱私信息實現(xiàn)數(shù)字化，再加入不同程度的擾動數(shù)據(jù)后，將它們引入到不同的密鑰序列中，增加加密難度，使實驗結(jié)果更具可信性。對比不同方法在不同的數(shù)據(jù)序列片段中，隱私信息熵值的變化程度，隱私信息熵值越大，不確定性越大，表明在被攻擊時，越易被讀取隱私數(shù)據(jù)，抗攻擊性越弱，對比結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同方法的隱私信息熵值變化情況對比

從圖3中可以看出，不同方法在引入擾動數(shù)據(jù)后均受到了不同程度的影響，隨著數(shù)據(jù)序列片段長度的增加，不同方法的隱私信息熵值均隨之增大。當(dāng)數(shù)據(jù)序列片段長度為64時，所提方法的隱私信息熵值為2bit，而文獻[3]方法和文獻[4]方法的隱私信息熵值分別為3.59bit和3.1bit。由此可知，所提方法的隱私信息熵值較小，不確定性較小，不易被讀取隱私數(shù)據(jù)，抗攻擊性較強。因為所提方法在進行數(shù)據(jù)加密前就對密鑰序列加入了超混沌映射，增強算法對隱私信息的敏感性，保證最終輸出的基于用戶隱私信息的序列為最理想序列，并增強了實現(xiàn)加密后信息的抗攻擊性。而其它兩種方法則未考慮數(shù)據(jù)信息的敏感性，導(dǎo)致加密算法對用戶的隱私信息挖掘度較低，易被讀取隱私數(shù)據(jù)。

7 結(jié)論

本文通過基于超混沌系統(tǒng)對現(xiàn)階段網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的用戶進行隱私信息的加密，引入超混沌系統(tǒng)，可以在一定程度上增強數(shù)據(jù)或信息的敏感度，提高隱私信息加密效果。利用混沌映射隱私序列方法，能夠有效保障用戶信息的完整性，提高整體利用率，使最終加密的信息序列為最優(yōu)序列。在加密過程中合理利用子空間的相互聯(lián)系，保證對每個申請密鑰的子節(jié)點都進行判斷是否給予授權(quán)的措施，增強了對隱私信息加密的抗攻擊性。