[发明专利]云计算环境中对存储文件的并行混沌加密方法

摘要

云计算环境中对存储文件的并行混沌加密方法为数据文件的加密提供一种可并行的轻量级加密，属于信息安全领域。利用云计算环境的可并行计算机制，如MapReduce并行计算技术，结合混沌加密方法，通过对明文数据进行分组加密，最终实现对整个文件的加密，并上载到云计算环境的存储系统中。方法包含了加密系统初值计算、加密密钥序列计算和数据加密三个步骤。在加密系统初始化中，方法采用三维Lorenz混沌系统和Chen混沌系统生成用于加密的初值和干扰值；在计算加密密钥序列过程中，基于计算出的初始值和干扰值，通过Henon混沌映射和2维Logistic混沌映射的迭代运算，生成用于数据加密的密钥序列；在数据加密过程中，通过密钥序列与明文进行运算，最终实现对明文数据的加密。

主权项

一种云计算环境中对存储文件的并行混沌加密方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤一：数据文件分块记数据文件即明文的长度为L，将明文分成n块，每一块的大小为l_i，i≤n，且要求l_i为4字节的整倍数，记为l_i＝4N；这样前n‑1块为等长的数据块，第n块为剩余部分数据，即：$\begin{array}{cc}{l}_i=4N& (i\<n)\\ l_i=L-(n-1)\·4N& (i=n)\end{array}---\left(1\right)$步骤二：应用非线性混沌系统生成初始序列和干扰序列对于每一个分块，通过三维连续混沌系统Lorenz混沌映射和Chen混沌映射产生初值序列和干扰值序列，方法如下：Lorenz混沌映射方程为：$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{dx}}_1}{dt}=p(x_2-x_1)\\ \frac{{\mathrm{dx}}_2}{dt}=-x_1{x}_3+{\mathrm{rx}}_1-x_2\\ \frac{{\mathrm{dx}}_3}{dt}=x_2{x}_1-{\mathrm{tx}}_3\end{array}\right.---\left(2\right)$Chen混沌系统方程为：$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{dx}}_4}{dt}=a(x_5-x_4)\\ \frac{{\mathrm{dx}}_5}{dt}=(c-a)x_4-x_4{x}_6+{\mathrm{cx}}_5\\ \frac{{\mathrm{dx}}_6}{dt}=x_4{x}_5-{\mathrm{bx}}_6\end{array}\right.---\left(3\right)$其中χ＝(x₁,x₂,x₃,x₄,x₅,x₆)为要生成的混沌序列,p,r,t和a,b,c为系统要给定的参数，利用4阶龙格库塔法求解混沌系统方程(2)和(3)，每次迭代分别生成三个随机序列值，即6个混沌序列值χ＝(x₁,x₂,x₃,x₄,x₅,x₆)；为了计算得到这个混沌序列值，首先获取明文块第一个字节的偏移量θ_i，取Lorenz系统的初始迭代次数为N₀，Chen系统的初始迭代次数为M₀，记Lorenz系统的迭代次数为ρ_L，Chen系统的迭代次数为ρ_C，则有：$\begin{array}{cc}{\mathrm{\ρ}}_L=\frac{{\mathrm{\θ}}_i}{N}+N_0& {\mathrm{\ρ}}_C=\frac{{\mathrm{\θ}}_i}{N}+M_0\end{array}---\left(4\right)$则每个分块的对应的混沌序列为χ_ρ＝(x₁(ρ_L),x₂(ρ_L),x₃(ρ_L),x₄(ρ_C),x₅(ρ_C),x₆(ρ_C))   (5)为了使两个系统产生的序列具有耦合性，将得到的Lorenz系统产生的随机序列对和Chen系统产生的随机序列对进行异或运算：$\begin{array}{c}{x}_4\left({\mathrm{\ρ}}_C\right)=x_4\left({\mathrm{\ρ}}_C\right)\⊕x_1\left({\mathrm{\ρ}}_L\right)\\ x_5\left({\mathrm{\ρ}}_C\right)=x_5\left({\mathrm{\ρ}}_C\right)\⊕x_2\left({\mathrm{\ρ}}_L\right)\\ x_6\left({\mathrm{\ρ}}_C\right)=x_6\left({\mathrm{\ρ}}_C\right)\⊕x_3\left({\mathrm{\ρ}}_L\right)\end{array}---\left(6\right)$计混沌序列χ_ρ为初值序列和干扰序列步骤三：用初值序列计算加密密钥的混沌序列将初值序列中的(x₁(ρ_L),x₂(ρ_L))小数部分作为Hénon混沌映射迭代的初始值、(x₃(ρ_L),x₄(ρ_C))小数部分作为二维Logistic混沌映射迭代的初始值，递归产生加密的密钥序列ω_ρ＝(ω₁(ρ),ω₂(ρ),ω₃(ρ),ω₄(ρ))，其中(ω₁(ρ),ω₂(ρ))由式(7)的Hénon系统方程迭代产生：$\left\{\begin{array}{c}{x}_{n+1}=y_n+1-a{x}_n^2\\ y_{n+1}={\mathrm{bx}}_n\end{array}\right.---\left(7\right)$(ω₃(ρ),ω₄(ρ))由式(8)的二维Logistic混沌映射系统方程迭代产生：$\left\{\begin{array}{c}{x}_{n+1}={\mathrm{\μ}}_1{x}_n(1-x_n)+{\mathrm{\γ}}_1{y}_n^2\\ y_{n+1}={\mathrm{\μ}}_2{y}_n(1-y_n)+{\mathrm{\γ}}_2(x_n^2+x_n{y}_n)\end{array}\right.---\left(8\right)$映射中的参数取值为：2.75＜μ₁＜3.4,2.7＜μ₂＜3.45和0.15＜γ₁＜0.21,0.13＜γ₂＜0.15；步骤四：重构加密密钥序列得到加密密钥序列后，由于其产生的值并不能和明文进行异或操作，所以需要将加密密钥序列根据下式进行转换：为了使两个系统产生的序列具有耦合性，进行如下计算：$\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_3\left(\mathrm{\ρ}\right)={\mathrm{\ω}}_1\left(\mathrm{\ρ}\right)\⊕{\mathrm{\ω}}_3\left(\mathrm{\ρ}\right)\\ {\mathrm{\ω}}_4\left(\mathrm{\ρ}\right)={\mathrm{\ω}}_2\left(\mathrm{\ρ}\right)\⊕{\mathrm{\ω}}_4\left(\mathrm{\ρ}\right)\end{array}---\left(10\right)$步骤五：数据加密在生成了加密密钥序列后，将进行明文文件的加密，加密操作是依次在明文中取4个字节长度数据块对应的ASCII码M，同加密密钥序列进行异或(XOR)操作得到中间结果，然后再同干扰序列进行二次异或操作得到最终的密文C：$\left\{\begin{array}{c}{C}_{4k+1}=(M_{4k+1}\⊗{\mathrm{\ω}}_1(k+1\left)\right)\⊕x_5(k+1)\\ C_{4k+2}=(M_{4k+2}\⊗{\mathrm{\ω}}_2(k+1\left)\right)\⊕x_6(k+1)\\ C_{4k+3}=(M_{4k+3}\⊗{\mathrm{\ω}}_3(k+1\left)\right)\⊕x_5(k+1)\\ C_{4k+4}=(M_{4k+4}\⊗{\mathrm{\ω}}_4(k+1\left)\right)\⊕x_6(k+1)\end{array}\right.---\left(11\right)$其中k代表数据块的序号，C_4k+1，C_4k+2，C_4k+3，C_4k+4分别为数据块中对应于第1、2、3和4个字节的加密密文；在方法提出的加密方法中，密钥空间包括密钥序列的初始值χ(0)＝(x₁(0),x₂(0),x₃(0),x₄(0),x₅(0),x₆(0))、Lorenz和Chen系统的初始迭代次数N₀和M₀，以及两个混沌系统的参数p,r,t和a,b,c。