基于嵌入式系統(tǒng)的混沌數(shù)字圖像加密研究

摘 要： 常用的PC級(jí)加密算法運(yùn)算量過大，不適合在嵌入式設(shè)備上運(yùn)行。為了使嵌入式設(shè)備的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及傳輸能夠安全地進(jìn)行，利用混沌信號(hào)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密以提高嵌入式設(shè)備數(shù)據(jù)的安全性。在ARM2440+Linux平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了混沌信號(hào)生成功能并利用混沌信號(hào)對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行加密的實(shí)驗(yàn)，最終生成加密后的一份密文信息。
關(guān)鍵詞： 混沌加密；嵌入式系統(tǒng)；ARM；圖像加密；Linux

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，人們使用手機(jī)、PDA處理電子商務(wù)、金融證券的網(wǎng)上交易、手機(jī)銀行和平板電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)念l率也在不斷地提高。但是用戶的個(gè)人重要信息(如密碼、身份認(rèn)證、交易信息等)并沒有得到很好的保護(hù)，信息一旦被非法入侵者竊取，就有可能造成巨大的損失。因此，信息安全對(duì)這類設(shè)備來說極其重要，這就要求此類的嵌入式系統(tǒng)設(shè)備應(yīng)該具有很好的數(shù)據(jù)保密功能。但是目前很多加密算法都是針對(duì)PC級(jí)的并不適合在嵌入式設(shè)備中運(yùn)行[1]。
混沌信號(hào)對(duì)初始條件高度敏感，即使是兩個(gè)完全相同的混沌系統(tǒng)從幾乎相同的初始條件開始演化，而它們的軌道將很快變得互不相關(guān)，這使混沌信號(hào)具有長(zhǎng)期不可預(yù)測(cè)性和抗截獲能力。同時(shí)混沌系統(tǒng)本身又是確定性的，完全由非線性系統(tǒng)的方程、參數(shù)和初始條件所決定，因此又使混沌信號(hào)易于產(chǎn)生和復(fù)制?；煦缧盘?hào)的隱蔽性、不可預(yù)測(cè)性、高復(fù)雜度和易于實(shí)現(xiàn)等特性都特別適用于保密通信[2]。而且混沌具有的初值敏感、參數(shù)可控性和偽隨機(jī)性的特性，正好吻合數(shù)據(jù)加密的兩條原則：擴(kuò)散和混亂。故混沌算法很適合用來進(jìn)行數(shù)據(jù)加密[3]。
1 嵌入式系統(tǒng)圖像混沌加密實(shí)現(xiàn)原理[4]
1.1 混沌加密原理
混沌信號(hào)用于數(shù)據(jù)保密通信中有多種形式，混沌保密是利用混沌信號(hào)的各種特性來實(shí)現(xiàn)的。在數(shù)據(jù)的發(fā)送端將其作為密鑰明文信息和混沌信號(hào)經(jīng)加密變換后形成密文，然后在信道中傳送，在接收端知道解密密鑰和解密變換的合法用戶，能夠得到正確的明文。這種加密原理主要是源于傳統(tǒng)的對(duì)稱密鑰加密算法。
混沌加密中一個(gè)重要的因素是混沌同步，其決定混沌信號(hào)能不能運(yùn)用到加密中，用能夠同步的混沌信號(hào)加密才能正確解密。所謂混沌同步是指一個(gè)系統(tǒng)的混沌動(dòng)力學(xué)軌道收斂于另一個(gè)系統(tǒng)的混沌動(dòng)力學(xué)軌道，以致兩個(gè)系統(tǒng)在以后的時(shí)間里始終保持步調(diào)的一致。目前常用的混沌同步方法主要有以下幾種：驅(qū)動(dòng)-響應(yīng)同步及串聯(lián)同步法、主動(dòng)-被動(dòng)同步法、互耦合混沌同步法、自適應(yīng)同步方法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)同步方法等[5]。本文所用的Chen系統(tǒng)是使用系統(tǒng)中的X作為驅(qū)動(dòng)變量來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)-響應(yīng)同步。下面以Chen系統(tǒng)為例對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行研究。

2 ARM 嵌入式Linux系統(tǒng)的軟硬件平臺(tái)
2.1 系統(tǒng)的硬件平臺(tái)
加密系統(tǒng)平臺(tái)采用三星公司的32 bit微處理器S3C2440A。該處理器內(nèi)部集成了ARM920T內(nèi)核，能夠?qū)崿F(xiàn)MMU、AMBA、BUS和Harvard高速緩沖體系結(jié)構(gòu)。帶有獨(dú)立的16 KB指令Cache和16 KB數(shù)據(jù)Cache，并且集成了很多外圍設(shè)備接口，如RAM控制器、Nand Flash控制器、10/100 M以太網(wǎng)接口、LCD控制器、并行I/O口，主頻最高可達(dá)533 MHz[6]。
硬件平臺(tái)配置了256 MB 8 bit NAND Flash、64 MB 32 bit的SDRAM。通過以太網(wǎng)控制器芯片DM9000擴(kuò)展了一個(gè)網(wǎng)口、一個(gè)SD卡接口、I/O擴(kuò)展接口、觸摸屏接口、RS-232串行通信接口。另外，硬件平臺(tái)上還有一些擴(kuò)展模塊：一個(gè)I/O擴(kuò)展電路接口，用于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集；GPRS模塊接口，用于發(fā)送和接收加密后的數(shù)據(jù)。主板也可以通過以太網(wǎng)接口與外界通信，在實(shí)驗(yàn)中主要是通過以太網(wǎng)以NFS來掛載加密系統(tǒng)在平臺(tái)上運(yùn)行。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。