电子信息保密通信传输链加密方法改进研究

宋海静

（内蒙古祥合福机电设备有限公司，内蒙古鄂尔多斯，017000）

0 引言

传统的通信模式中将信息调制在发射机的周期载波上，在加密的过程中通常采用数值计算的加密方法，但破译较为容易[1]。而混沌模式下，通信过程由非线性方程、参数等条件决定，随机性明显。而国外学者就此提出了蔡氏电路，运用该电路为模型达成了混沌同步以及保密通信[2]。但使用混沌电路产生随机数的方法虽然可以达成加密，但应用效果不理想。半导体激光器，具有宽带、高速、低衰减的优势，但研究仍在起步阶段[3]。

1 电子信息保密通信传输量加密方法改进

1.1 完美保密性

相关研究指出了更加理想的加密方案，同时定义了完美保密性，将信号端发送的消息设为M并在编码器中添加经过密钥产生的加密密钥K，并将消息M加密成密文E并传递给接收端，而在接收者预先已知密钥K，通过密钥K进行解码，即可获得还原后的消息。假设在传输的过程中密文E被窃听，消息M= {M1，M2...Mn}，且获取到的消息取值满足Mk⊆{0,1,...,C}，而加密后的密文E={E1,E2,...,En}，密钥K={K1,K2,...,Kn}，在保密的过程中，需要保证窃听者即使获得了密文E但在密文E中无法得到消息M的相关信息，则密文E与消息M，均要满足：

在（1）当中，P(M)代表消息M的先验概率，代表在已知密文E后，消息M可验概率。根据信息论理论，将信源熵设为H(M)，同时也代表信源符号存在的不确定度。则代表窃听者在收到消息E后仍对M存在的不确定性，即信息疑义度，则可得出公式：

同时密钥与明文信息通常属于等概率分布，则信源熵H(M)=log2C。

卫叶斯公式表示为：

而I(M;E)可以代表在窃听用户通过密文E获取到消息M的信息量，作为平均互信息量，则获得下面公式：

在（5）公式中，窃听用户的疑义度和信源的信息熵相等时，同时窃听用户得到的信息量为0，此时的通信可以达到完全的保密。而得到较好的保密性，同时要求密钥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比特的密钥进行加密。

1.2 激光混沌模型

传统电路混沌不能适应当前发展下的电路带宽以及电路高衰减的限制，在当前现代高速宽带通信网络中难以应用[4-5]。因此本文选择激光混沌通信模式来代替传统的电路混沌。激光器具有复杂的非线性行为。同时激光器也从周期、准周期经历倍周期分叉并走向混沌。同时混沌激光作为通信载波的环利用激光的特性，发挥光纤传输的低衰减的优势。而本文中选用的激光器为单模运转的半导体激光器，速率方程可采用耦合的线性方程来描述，不考虑自发辐射噪音影响，则速率方程可表示为：

其中，E(t)代表激光器的光场复渐变振幅，N(t)代表激光器的载流子数，ω(N)代表激光器在没有外部扰动时振荡频率，G(N)代表增益函数，函数关系可表示为，同时Nth代表激光器在没有外部扰动情况下，激光取得阈值的载流子数，τp代表光子寿命，在半导体激光器中，G(N)的线性表达式为：

在（8）公式中，GN代表微分增益，在激光强度较高时，增益呈现出饱和的状态，可采用s代表增益饱和参数，则：

在（9）公式中g代表增益系数，而ω(N)的系数和激光器的折射率以及对应的载流子密度相关，可表示为：

在（10）公式中，ωth代表激光器的自由振荡频率，而ΔN=N-Nth，n代表折射率，n*代表有效的群速度折射率。而对其中的VCSEL，其种的对数形式的增益为：

在（11）公式中，ΓL代表侧向的光场限制因子，ΓZ代表纵向的光场限制因子，vg代表光场激光的群速度，aN代表光的增益系数，εNL代表增益压缩因子，P(t)代表电场E(t)受到转换时的光子密度。同时当半导体激光器在缺乏外部扰动的情况下，所注入的电流会超过阈值范围，当半导体激光器输出经历过驰豫振荡，并进入稳定状态，且不会产生混沌激光。同时在半导体激光器中产生的混沌激光输出需要增加自由度，其中的方法可以通过电流直接调制来达成。电流直接调制，运用该方法的一个信号来调制半导体激光器的偏置电流，同时激光器的速率方程可以表示为：

在上述公式中ωmod代表调制频率，根据调制频率的增加，激光器激光的驰豫振荡频率中，激光器在由倍周期分岔中进入混沌工作区。同时在外部光的注入条件下，当频差不断增大，半导体激光器中的副激光器会产生倍周期分岔，同时进入到混沌工作区中，当注入的系数过大时，副激光器也从稳定、周期进入到混沌状态中。而放置在半导体激光器外部的反射器件，将激光器的输出重新返回，形成外部光反馈。受到外部光反馈，激光呈现出多个特征值，同时通过调节激光器的反馈系数以及驱动电流，表现出更复杂的混沌形态。

1.3 加密算法过程

根据文献资料证实，数据的加密往往通过原始数据的置乱以及对置后的数据进行修改的过程，为了提高加密的安全性，需要对明文数据经过多次数的置换以及扩散交替[6]。本文对信息的加密处理进行改进，具体流程首先，处理所需传输的信息。在传输信息置乱过程中，混沌映射的方法有很多，但均需要将所传递的信息因素映射到不同的方阵里，因此在置乱的过程中，需要将加密信息分成和方阵中所分割数目一样的分组。而且在进行应用时，要保证加密信息数据量每次传输均不同，当出现不能分割成足够数量的分组时，需填充信息数据，满足信息置乱的条件因素。其次对信息数据进行置乱操作，将方阵中的信息元素映射至分组内，同时使用混沌映射来对信息进行方程置乱，方阵中的每个分组元素都要进行位置置乱，而进行置乱的混沌映射数据则作为加密密钥K的一部分。在置乱完成后，对信息数据进行扩散处理，通过对变换公式中，不同分组下的置乱后的数据信息的替换，增强加密信息的安全性，同时在方阵中的数据信息值也要进行扩散，保证数值不仅仅与本身有关，同样和其他元素值相关，在明文分组中，所映射的N×N方阵里，反映出的扩散变化公式为：

在（14）公式中，gi,j代表在方阵i,j处在信息元素扩散前的值，则代表在方阵i,j中处在信息元素扩散后的值，其中i,j∈{0,1...G-1}，f(i,j)代表其中的某个以i和j作为自变量的函数，同时作为特定的运算模式。

2 实验结果与分析

为验证本文对电子信息保密通信传输量加密方法的改进有效性，设计仿真实验，在同等保密中断概率的条件下，对改进后与改进前加密方法的保密吞吐量，验证有效性。

2.1 实验参数

在实验过程中，使用的计算机的设备为：显示器为金正X24A，24英寸。主板为华南金牌X79主板，CUP接口为LGA20011，内存类型为DDR3，内存容量为32GB，显卡为Asus GTX1060 3G，接口类型为PCI Express 2.0 16X。硬盘型号为WD/西部数据 1TB，容量为1TB，接口类型为SATA，硬盘转速为7200转。

2.2 实验结果

两种方法在相同保密中断概率下，保密吞吐量如下图1所示。

图1 不同保密中断概率下加密方法吞吐量情况

在图1中可以看出，在经过改进后的加密方法在保密中断概率提高的情况下，吞吐量高于传统加密方法，为了进一步进行验证，对合法信道的平均信噪比Γ进行改变，检测两种加密方方法的使用情况。

在图1和图2中可以看出，在进行低发射功率、高保密性的通信信息数据传输中，在广义的保密中断概率数值改变时，本文改进后的加密方法信息数据吞吐量更高，同时在不同的合法信道信噪比的情况下，改进后的加密方法通信能力更强。

图2 不同发射功率下加密方法吞吐量对比

3 结束语

本文通过使用半导体激光器对传统的加密方法进行改进，且具有更高的数据保密吞吐率，证明改进的可行性。在未来工作中，可以进一步的提高激光混沌通信的速率，同时也可对多信道复用激光展开研究。