应急通信网络的信息加解密系统设计
郭晟南+蒋学勤
摘 要： 针对传统应急通信网络中信息加密处理的问题，提出一种应急通信网络的信息加解密系统设计。采用HIE算法对数据信息进行混乱处理，处理后的数据信息即使被泄露在没有解译编码的情况下也无法进行读取，同时使用超混沌计算处理，保证了数据加密的严谨性，避免信息通过概率破译的可能性。为了验证设计的应急通信网络的信息加解密系统的有效性，设计了对比仿真实验，实验数据表明，设计的应急通信网络的信息加解密系统能够有效地对信息数据进行加密。
关键词： 应急通信网络； 信息加解密系统； HIE算法； 超混沌计算
中图分类号： TN92?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）17?0094?04
Design of information encryption and decryption system
for emergency communication network
GUO Shengnan1， JIANG Xueqin2
（1. School of Electrical and Information Engineering， Guizhou Institute of Technology， Guiyang 550003， China；
2. Guizhou Institute of Technology， Guiyang 550003， China）
Abstract： In order to solve the problem of information encryption in traditional emergency communication network， a design of information encryption and decryption system for emergency communication network is proposed. HIE algorithm is used to perform the chaos processing for data information. The processed data information without decoding can′t be read， even if it is leaked. The hyperchaos calculation processing is adopted to guarantee the rigor of data encryption， and avoid the possibility of information decoding by means of probability. In order to verify the effectiveness of the information encryption and decryption system for emergency communication network， the contrast and simulation experiment was designed. The experimental data shows that the information encryption and decryption system of emergency communication network can encrypt the information data effectively.
Keywords： emergency communication network； information encryption and decryption system； HIE algorithm； hyperchaos calculation
0 引 言
应急通信网络是针对发生紧急事故时使用的通信网络装置，是保证事故能够进行紧急连接的应急装置。通过不同的信息技术手段，运用一定的信息安全技术条例以及信息传输加密措施对需要进行传输的信息进行快速传输，应急通信网络是保证出现事故时能够进行应急通信的主要手段[1?2]。在使用相应的传输技术手段进行信息应急传输的情况下，传统的数据信息加密通过加密信息的手段进行加密，在很大程度上容易出现概率破译的情况[3?4]。针对上述情况，本文设计了一种应急通信网络的信息加解密系统，使用HIE计算方法进行数据信息的混乱编码，经过混乱编码过后的信息数据在没有翻译编码的情况下很难被破译，极大地保证了数据信息的安全性。运用超混沌系统对翻译过后的数据信息进行混沌计算，计算过程对不同类型的信息形式进行混沌处理，保证数据信息能够快速准确的进行翻译和加密，并且通过混沌处理的信息能够消耗较小的能量進行传输，非常适用于应急通信网络。传统的保密通信适用的信道需要非常高的要求，使用本文的设计方法能够在极小的信道上进行传输，有效地保证了信息的传输概率，同时通过HIE计算过后的信息属性发生了改变，能够进行断续传输，如果出现信号中断的情况，发送的信息会自动编码为未读信息，当通信无阻时，重新进行依附发送。为了保证本文设计的应急通信网络的信息加解密系统具有一定的可靠性，设计了对比仿真实验，通过实验数据表明，本文设计的应急通信网络信息加解密系统能够有效地进行数据的加密传输。
1 应急通信网络的信息加解密系统设计方案
1.1 硬件设计
应急通信网络的信息加解密系统中，网络传输设备的核心是网络前端芯片[5?6]。另外，系统还包括TPM安全芯片控制系统、数据转换连接端口、信息编辑模块、数据库系统、时间显示系统、串行通信接口、联络端网络应急接口、以太网、备用电力系统等[7]。该系统前端设备的内部各模块结构示意图如图1所示。
1.2 使用HIE算法进行信息混乱处理
HIE算法主要是对传输的信息数据进行扩散和混乱处理，这样可以保证本文设计的应急通信网络的信息加解密系统中的数据能够进行有效加密。
HIE算法的扩散加密过程如下：
设为需要进行加密的数据，加密程度矩阵记为在HIE算法中，首先利用Logistic映射进行数据扩散，过程为：
（1）
式中：表示信息单元的扩散能力；表示信息数据的大小；表示扩散的匹配系数；是对应的信息扩散转变过程的信息差量；表示信息数据扩散过程中出现的焓值差。通过式（1）可以把多元信息转变成为单元信息进行处理。HIE算法扩散计算公式为：
（2）
式中：分别为扩散前与扩散后的信息，在计算中要保证-0.7≤≤0.7。分解计算如下：
（3）
（4）
式中：表示信息传输取绝对值；表示扩散权值；表示信息能够依附的信道宽度。通过扩散计算便可以进行扩散加密处理，过程如下：
（5）
式中：为数据信息进行扩散加密的三要素，分别表示信道参数值域、极限依附值、极限扩展值；Length为信息数据参数扩散熵；为匹配函数值；表示移动需要进行次迭代处理；表示异或数据值；表示通过处理后的加密值。为了方便数据信息的解密，设置解密过程与加密过程相似：
（6）
经过扩散加密后的信息数据的安全性还不是很高，使用对应的传输密钥就可以进行破解，同时，在传输过程中也无法适用于本文设计的应急通信网络的信息加解密系统，因此还需要使用HIE算法进行混乱处理，假设信息为三组明文矩阵和分别可表示为：
（7）
根据HIE加密算法中的混乱度计算，得到明文矩阵和对应的密文矩阵和如下：
（8）
式中为明文矩阵经过倒叙排列混合后的矩阵。如果想要破译混乱矩阵必须经过以下的三个步骤。假设三组信息对应的矩阵为：
（9）
经过密文分类后，可以得到对应的解密密文矩阵：
（10）
经过密钥分解后的可以得到原矩阵中的相关矩阵信息：
（11）
得到就能够进行信息识别：
（12）
HIE算法的密钥不变，所以每次进行加密的过程是一样的，因此解码的过程也相同。经过HIE处理加密的数据信息能够适用于设计的应急通信网络的信息加解密系统，同时加密程度也显著提高。但是通过概率计算还是可以进行破译的，因此本文还对信息进行超混沌加密。
1.3 超混沌计算加密
根据传输信息的特点进行数据的超混沌计算，保证本文设计的应急通信网络的信息加解密系统能够对数据信息进行深度加密，超混沌计算预处理如下：
（13）
式中：分别为数据信息对应的跳频极限上值、下值、宽度值、前行值；表示数据信息的律动性。经过预处理的数据便可以进行超混沌加密，过程为：
（14）
（15）
式中：分别为混沌密钥的计算极限值，可以对信息的搭配混乱度以及有序性进行调整；为数据加密过程的适应度；为原始数据的适应度。经过混沌处理过后的数据能够保持较高的加密性，进行解码的公式如下：
（16）
综上所述，本文设计的应急通信网络的信息加解密系统运用HIE计算方法进行系统的信息加密，还使用了超混沌计算加密的方式，通过超混沌计算加密能够使数据达到高级的加密程度，有效地防止概率破译的发生。
2 仿真实验分析
为了测试本文设计的应急通信网络的信息加解密系统能够对应急通信网络中的信息进行加密，设计了对比仿真实验。在应急通信网络中使用传统的方法进行加密，同时使用本文设计的应急通信网络的信息加解密系统进行加密，然后使用对应的破译方法进行破译，为了验证实验的有效性，同时进行加密传输。
2.1 参数设定
为了保证设计的应急通信网络的信息加解密系统能够有效的对时局进行加密，设置明文矩阵经过倒叙排列混合后的矩阵在[100 350]值域内；设置信息数据参数扩散熵为5.4；保证使信息能够依附的信道宽度在适用范围之内。根据上述仿真设定的参量以及环境设定进行实验，结果如下。
2.2 结果分析
传统加密方法的数据破译概率如图2所示。分析图2结果得知，传统的加密方法破译率很高，通过图像可以看出，信息进行传输的过程中就可以被破译出来，破译率超过5以上说明基本已经被破译。
本文系统的数据波动结果如图3所示。分析图3结果得知，本文设计的应急通信网络的信息加解密系统在图像上的所有点都没有超过5的范围，即使有一定程度上的破译，但是很难得知信息的具体情况。
综上所述，本文设计的应急通信网络的信息加解密系统能够有效地对应急通信网络中的信息进行加密，即使使用对应的破译系统都无法进行破译，说明能够达到较高的加密程度。
3 结 语
本文设计了一种应急通信网络的信息加解密系统，运用HIE计算方法对传输信息进行加密，通过HIE加密的数据信息能够有效达到中度加密，为了防止使用概率破译，本文还使用了超混沌计算加密的方式，通过超混沌计算加密能够把中度加密数据转换到高度加密的程度，有效地防止了破译概率的发生。
参考文献
[1] 李俊霞，张长森.一种基于矿井的WSN自适应MAC协议设计[J].河南师范大学学报（自然科学版），2017，3（2）：93?100.
[2] 孟祥辉，曾学文，陈晓，等.iSCSI网络存储系统中加密方法研究与设计[J].计算机工程与科学，2016，38（12）：2456?2462.
[3] 张林.一种支持隐私保护的加密方法在云存储中的应用[J].电子设计工程，2016，24（11）：124?126.
[4] 王涛，严飞，王庆飞，等.基于软件定义网络的非集中式信息流控制系统：S?DIFC[J].计算机应用，2015，35（1）：62?67.
[5] 韦相和，张宏.机会社会网络用户信息资源加密仿真研究[J].计算机仿真，2016，33（12）：270?273.
[6] 邵彩幸，冷甦鹏，张可，等.基于车队模型的车辆与车辆通信网络连通度研究[J].电子技术应用，2015，41（8）：76?78.
[7] 苏文莉，叶晟.一种基于无线传感器网络的灾害预警系统设计[J].现代电子技术，2015，38（24）：72?75.
[8] 谢小军，施若馨，芦翰晨.应急救援态势图的离线管理和显示处理方法[J].计算机工程与设计，2016，37（7）：1965?1969.
[9] 许柯，刘绪崇，符振艾，等.网络信息加密RSA算法的运算速度和保密性优化[J].科技通报，2015，10（7）：144?147.
[10] 葛滨，鲁华祥，陈旭，等.基于超混沌的快速图像加密算法[J].系统工程与电子技术，2016，38（3）：699?705.
摘 要： 针对传统应急通信网络中信息加密处理的问题，提出一种应急通信网络的信息加解密系统设计。采用HIE算法对数据信息进行混乱处理，处理后的数据信息即使被泄露在没有解译编码的情况下也无法进行读取，同时使用超混沌计算处理，保证了数据加密的严谨性，避免信息通过概率破译的可能性。为了验证设计的应急通信网络的信息加解密系统的有效性，设计了对比仿真实验，实验数据表明，设计的应急通信网络的信息加解密系统能够有效地对信息数据进行加密。
关键词： 应急通信网络； 信息加解密系统； HIE算法； 超混沌计算
中图分类号： TN92?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）17?0094?04
Design of information encryption and decryption system
for emergency communication network
GUO Shengnan1， JIANG Xueqin2
（1. School of Electrical and Information Engineering， Guizhou Institute of Technology， Guiyang 550003， China；
2. Guizhou Institute of Technology， Guiyang 550003， China）
Abstract： In order to solve the problem of information encryption in traditional emergency communication network， a design of information encryption and decryption system for emergency communication network is proposed. HIE algorithm is used to perform the chaos processing for data information. The processed data information without decoding can′t be read， even if it is leaked. The hyperchaos calculation processing is adopted to guarantee the rigor of data encryption， and avoid the possibility of information decoding by means of probability. In order to verify the effectiveness of the information encryption and decryption system for emergency communication network， the contrast and simulation experiment was designed. The experimental data shows that the information encryption and decryption system of emergency communication network can encrypt the information data effectively.
Keywords： emergency communication network； information encryption and decryption system； HIE algorithm； hyperchaos calculation
0 引 言
应急通信网络是针对发生紧急事故时使用的通信网络装置，是保证事故能够进行紧急连接的应急装置。通过不同的信息技术手段，运用一定的信息安全技术条例以及信息传输加密措施对需要进行传输的信息进行快速传输，应急通信网络是保证出现事故时能够进行应急通信的主要手段[1?2]。在使用相应的传输技术手段进行信息应急传输的情况下，传统的数据信息加密通过加密信息的手段进行加密，在很大程度上容易出现概率破译的情况[3?4]。针对上述情况，本文设计了一种应急通信网络的信息加解密系统，使用HIE计算方法进行数据信息的混乱编码，经过混乱编码过后的信息数据在没有翻译编码的情况下很难被破译，极大地保证了数据信息的安全性。运用超混沌系统对翻译过后的数据信息进行混沌计算，计算过程对不同类型的信息形式进行混沌处理，保证数据信息能够快速准确的进行翻译和加密，并且通过混沌处理的信息能够消耗较小的能量進行传输，非常适用于应急通信网络。传统的保密通信适用的信道需要非常高的要求，使用本文的设计方法能够在极小的信道上进行传输，有效地保证了信息的传输概率，同时通过HIE计算过后的信息属性发生了改变，能够进行断续传输，如果出现信号中断的情况，发送的信息会自动编码为未读信息，当通信无阻时，重新进行依附发送。为了保证本文设计的应急通信网络的信息加解密系统具有一定的可靠性，设计了对比仿真实验，通过实验数据表明，本文设计的应急通信网络信息加解密系统能够有效地进行数据的加密传输。
1 应急通信网络的信息加解密系统设计方案
1.1 硬件设计
应急通信网络的信息加解密系统中，网络传输设备的核心是网络前端芯片[5?6]。另外，系统还包括TPM安全芯片控制系统、数据转换连接端口、信息编辑模块、数据库系统、时间显示系统、串行通信接口、联络端网络应急接口、以太网、备用电力系统等[7]。该系统前端设备的内部各模块结构示意图如图1所示。
1.2 使用HIE算法进行信息混乱处理
HIE算法主要是对传输的信息数据进行扩散和混乱处理，这样可以保证本文设计的应急通信网络的信息加解密系统中的数据能够进行有效加密。
HIE算法的扩散加密过程如下：
设为需要进行加密的数据，加密程度矩阵记为在HIE算法中，首先利用Logistic映射进行数据扩散，过程为：
（1）
式中：表示信息单元的扩散能力；表示信息数据的大小；表示扩散的匹配系数；是对应的信息扩散转变过程的信息差量；表示信息数据扩散过程中出现的焓值差。通过式（1）可以把多元信息转变成为单元信息进行处理。HIE算法扩散计算公式为：
（2）
式中：分别为扩散前与扩散后的信息，在计算中要保证-0.7≤≤0.7。分解计算如下：
（3）
（4）
式中：表示信息传输取绝对值；表示扩散权值；表示信息能够依附的信道宽度。通过扩散计算便可以进行扩散加密处理，过程如下：
（5）
式中：为数据信息进行扩散加密的三要素，分别表示信道参数值域、极限依附值、极限扩展值；Length为信息数据参数扩散熵；为匹配函数值；表示移动需要进行次迭代处理；表示异或数据值；表示通过处理后的加密值。为了方便数据信息的解密，设置解密过程与加密过程相似：
（6）
经过扩散加密后的信息数据的安全性还不是很高，使用对应的传输密钥就可以进行破解，同时，在传输过程中也无法适用于本文设计的应急通信网络的信息加解密系统，因此还需要使用HIE算法进行混乱处理，假设信息为三组明文矩阵和分别可表示为：
（7）
根据HIE加密算法中的混乱度计算，得到明文矩阵和对应的密文矩阵和如下：
（8）
式中为明文矩阵经过倒叙排列混合后的矩阵。如果想要破译混乱矩阵必须经过以下的三个步骤。假设三组信息对应的矩阵为：
（9）
经过密文分类后，可以得到对应的解密密文矩阵：
（10）
经过密钥分解后的可以得到原矩阵中的相关矩阵信息：
（11）
得到就能够进行信息识别：
（12）
HIE算法的密钥不变，所以每次进行加密的过程是一样的，因此解码的过程也相同。经过HIE处理加密的数据信息能够适用于设计的应急通信网络的信息加解密系统，同时加密程度也显著提高。但是通过概率计算还是可以进行破译的，因此本文还对信息进行超混沌加密。
1.3 超混沌计算加密
根据传输信息的特点进行数据的超混沌计算，保证本文设计的应急通信网络的信息加解密系统能够对数据信息进行深度加密，超混沌计算预处理如下：
（13）
式中：分别为数据信息对应的跳频极限上值、下值、宽度值、前行值；表示数据信息的律动性。经过预处理的数据便可以进行超混沌加密，过程为：
（14）
（15）
式中：分别为混沌密钥的计算极限值，可以对信息的搭配混乱度以及有序性进行调整；为数据加密过程的适应度；为原始数据的适应度。经过混沌处理过后的数据能够保持较高的加密性，进行解码的公式如下：
（16）
综上所述，本文设计的应急通信网络的信息加解密系统运用HIE计算方法进行系统的信息加密，还使用了超混沌计算加密的方式，通过超混沌计算加密能够使数据达到高级的加密程度，有效地防止概率破译的发生。
2 仿真实验分析
为了测试本文设计的应急通信网络的信息加解密系统能够对应急通信网络中的信息进行加密，设计了对比仿真实验。在应急通信网络中使用传统的方法进行加密，同时使用本文设计的应急通信网络的信息加解密系统进行加密，然后使用对应的破译方法进行破译，为了验证实验的有效性，同时进行加密传输。
2.1 参数设定
为了保证设计的应急通信网络的信息加解密系统能够有效的对时局进行加密，设置明文矩阵经过倒叙排列混合后的矩阵在[100 350]值域内；设置信息数据参数扩散熵为5.4；保证使信息能够依附的信道宽度在适用范围之内。根据上述仿真设定的参量以及环境设定进行实验，结果如下。
2.2 结果分析
传统加密方法的数据破译概率如图2所示。分析图2结果得知，传统的加密方法破译率很高，通过图像可以看出，信息进行传输的过程中就可以被破译出来，破译率超过5以上说明基本已经被破译。
本文系统的数据波动结果如图3所示。分析图3结果得知，本文设计的应急通信网络的信息加解密系统在图像上的所有点都没有超过5的范围，即使有一定程度上的破译，但是很难得知信息的具体情况。
综上所述，本文设计的应急通信网络的信息加解密系统能够有效地对应急通信网络中的信息进行加密，即使使用对应的破译系统都无法进行破译，说明能够达到较高的加密程度。
3 结 语
本文设计了一种应急通信网络的信息加解密系统，运用HIE计算方法对传输信息进行加密，通过HIE加密的数据信息能够有效达到中度加密，为了防止使用概率破译，本文还使用了超混沌计算加密的方式，通过超混沌计算加密能够把中度加密数据转换到高度加密的程度，有效地防止了破译概率的发生。
参考文献
[1] 李俊霞，张长森.一种基于矿井的WSN自适应MAC协议设计[J].河南师范大学学报（自然科学版），2017，3（2）：93?100.
[2] 孟祥辉，曾学文，陈晓，等.iSCSI网络存储系统中加密方法研究与设计[J].计算机工程与科学，2016，38（12）：2456?2462.
[3] 张林.一种支持隐私保护的加密方法在云存储中的应用[J].电子设计工程，2016，24（11）：124?126.
[4] 王涛，严飞，王庆飞，等.基于软件定义网络的非集中式信息流控制系统：S?DIFC[J].计算机应用，2015，35（1）：62?67.
[5] 韦相和，张宏.机会社会网络用户信息资源加密仿真研究[J].计算机仿真，2016，33（12）：270?273.
[6] 邵彩幸，冷甦鹏，张可，等.基于车队模型的车辆与车辆通信网络连通度研究[J].电子技术应用，2015，41（8）：76?78.
[7] 苏文莉，叶晟.一种基于无线传感器网络的灾害预警系统设计[J].现代电子技术，2015，38（24）：72?75.
[8] 谢小军，施若馨，芦翰晨.应急救援态势图的离线管理和显示处理方法[J].计算机工程与设计，2016，37（7）：1965?1969.
[9] 许柯，刘绪崇，符振艾，等.网络信息加密RSA算法的运算速度和保密性优化[J].科技通报，2015，10（7）：144?147.
[10] 葛滨，鲁华祥，陈旭，等.基于超混沌的快速图像加密算法[J].系统工程与电子技术，2016，38（3）：699?705.
