葛秀梅， 仲偉波， 李忠梅， 范東升

(江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

隨著Internet的普及及其傳輸速率的提升，網(wǎng)絡(luò)傳輸語音已成為可能，但Internet的開放性對語音通信的安全提出了更高的挑戰(zhàn)。語音信號具有數(shù)據(jù)量大、能量分布不均勻、冗余性高的特點[1]，而混沌系統(tǒng)根據(jù)少量參數(shù)就可以產(chǎn)生滿足密碼學(xué)基本特性的混沌序列，且混沌序列具有短期內(nèi)可預(yù)測但長期不可預(yù)測的特點，非常適合作為加密密鑰并已引起諸多學(xué)者的關(guān)注[2]。雖然近年研究發(fā)現(xiàn)基于混沌流同步加密的方法存在安全方面的問題[3]，但混沌加、解密技術(shù)已成為目前加解密的應(yīng)用研究的熱點[4-5]，并被成功用于語音和圖像加解密中[6-12]。本文把混沌序列作為密鑰，利用其他加密算法對語音進行加密以有效避免混沌流密鑰帶來的失密危險。

TI的5509A DSP由于其低功耗和快速計算能力常被用于語音信號處理中,本文基于該芯片設(shè)計并實現(xiàn)了一種混沌密鑰語音加密系統(tǒng)，發(fā)送端先由根密鑰產(chǎn)生混沌加密密鑰，然后根據(jù)約定的IDEA(International Data Encryption Algorithm)加密算法對語音數(shù)據(jù)進行加密，加密后的語音密文經(jīng)過傳輸?shù)竭_接收端。發(fā)送端同時也將根密鑰加密發(fā)送到接收端，接收端根據(jù)根密鑰和混沌系統(tǒng)自動生成解密密鑰。接收端根據(jù)計算出來的解密密鑰對接收到的語音密文進行解密得語音明文。經(jīng)測試，本文所給出的混沌語音加密系統(tǒng)具體較好的安全性和穩(wěn)定性，可用于語音保密通信中。

1 混沌密鑰及加密算法

系統(tǒng)中混沌語音加、解密可分為混沌密鑰產(chǎn)生和IDEA加解密算法兩部分?；煦缑荑€的產(chǎn)生是將Henon映射和改進后的Logistic映射級聯(lián)生成初始混沌序列，然后對其進行非線性變換得到IDEA加密算法所需的128 b加密密鑰。IDEA是James Massey和來學(xué)嘉提出的數(shù)據(jù)塊加密算法，數(shù)據(jù)塊長度為64 b，密鑰長度為128 b[13]。IDEA算法相對來說是一個比較新的算法，其安全性研究也在不斷進行，雖然已發(fā)現(xiàn)IDEA也存在諸多弱點，但目前已在PGP，SSL等工程中大量應(yīng)用，仍不失為當(dāng)前最優(yōu)秀加解密算法之一[14]。

系統(tǒng)采用的Henon映射為：

(1)

其中：a=1.4；b=0.3。由于Henon序列取值在[-1.3,1.3]，在DSP的C代碼中采用double類型保存所得的映射序列。系統(tǒng)根據(jù)用戶輸入初值x0,y0進行2 000次Henon映射迭代計算得到長度為2 000的迭代序列，將序列最后一個分別與第1 800個和第1 900個值相乘并取其小數(shù)部分，得到d1=(x1999*x1799)mod1，d2=(y1999*y1799)mod1，其中d1,d2∈(0,1)。

系統(tǒng)采用的改進的Logistic映射為:

xn+2=rxn+1(1-xn+1)+(4-r)xn(1-xn)

(2)

其中，xn∈0,1，當(dāng)r∈[0,1.284 9)∪(3.477 6,4]時除個別點外系統(tǒng)都處于混沌狀態(tài)，且迭代結(jié)果中不存在空白窗、穩(wěn)定窗以及(0,1)范圍分布不均勻等安全問題[15]。改進的Logistic映射的初值x0=d1,x1=d2，經(jīng)過2 000次迭代后，將最后16個值保存在數(shù)組d[16]={x1984,x1985,…,x1999}中。

為得到IDEA加密算法所需的128 b二進制密鑰，需將所得到的混沌序列d[16]作如下非線性變換：將區(qū)間[0,1]分成256個子區(qū)間，每個區(qū)間依次用0到255之間的整數(shù)表示，混沌序列d[16]中某元素落在第i個區(qū)間中，將其置換成整數(shù)i并標(biāo)識該區(qū)間；若落入的區(qū)間i已標(biāo)識過，則將i加1模256，直到得到新的整數(shù)為止。如此迭代，即可獲得一個有16個不重復(fù)的序列{a0,a1,…,a15}，其中ai∈{0,1,…,255}，將其中元素用二進制數(shù)表示，即可得128 b二進制密鑰。由于DSP的C語言規(guī)范中unsigned char數(shù)據(jù)類型長度為16 b，將上面得到的16個8 b密鑰合并組成{b0,b1,…,b7}，其中b0=a0?8+a1,…,b7=a14?8+a15。

IDEA算法是一個分組長度為64位，密鑰長度為128 b的分組加密算法，由于系統(tǒng)采用的5509A是16 b的定點處理器，為方便和效率考慮，將明文分成四個16 b的子分組：x1,x2,x3和x4并將其用unsigned short數(shù)據(jù)類型表示，這4個子分組作為第一輪的輸入并進行運算，每一輪的輸出作為下一輪的輸入，經(jīng)過8輪運算之后，得到最終的輸出變換：y1,y2,y3,y4，將y2,y3兩組交換，得到最終的四個密文子分組，最后將這四個子分組重新連接到一起產(chǎn)生密文。IDEA解密過程和加密過程一樣，只是參與運算的密鑰不同而已。IDEA具體每輪的計算過程如圖1所示。

圖1 IDEA加密流程圖

由IDEA加密算法可知，在整個加密運算中總共需要52個16 b二進制子密鑰，這52子密鑰是根據(jù)128 b二進制混沌密鑰生成的。52個加密密鑰在DSP中實現(xiàn)過程如圖2所示。由IDEA算法可知其加密過程和解密過程相同，所不同的是參與運算的密鑰，52個解密密鑰可由加密時所使用的52個加密子密鑰計算得到，在DSP中實現(xiàn)過程如圖3所示。其中inv()函數(shù)中要對65 537求余，因此該函數(shù)中所有變量的數(shù)據(jù)類型都為long，最后將inv()函數(shù)返回的數(shù)據(jù)強制轉(zhuǎn)換為unsigned short類型，由于返回數(shù)據(jù)的取值在unsigned short類型表示的范圍，強制類型轉(zhuǎn)換不會產(chǎn)生錯誤。

2 語音加、解密的實現(xiàn)與測試

本文設(shè)計實現(xiàn)的混沌語音加、解密系統(tǒng)以DSP5509A為核心，使用CCStudio和XDS100V2仿真器進行開發(fā)調(diào)試。DSP5509A完成語音信號的加密解密算法并控制整個系統(tǒng)的運行，音頻編解碼芯片TLV320AIC23用來完成語音數(shù)據(jù)的采集和回放，模擬語音信號經(jīng)過麥克風(fēng)輸入或線輸入，通過TLV320AIC23使之轉(zhuǎn)換為PCM碼，PCM編碼通過多通道緩沖串口McBsp進入DSP5509A，并存儲在外擴SDRAM中。DSP5509A對語音PCM碼數(shù)據(jù)進行混沌加密并將其通過以太網(wǎng)發(fā)送出去。接收端通過以太網(wǎng)得到語音數(shù)據(jù)密文和混沌根密鑰，先根據(jù)混沌根密鑰計算出IDEA解密密鑰，然后把語音密文解密成明文。

圖2 加密密鑰求解流程圖

圖3 解密密鑰求解流程圖

系統(tǒng)首先是初始化CSL庫，設(shè)置系統(tǒng)DSP的工作頻率為144 MHz，然后初始化IIC，主要包括設(shè)置地址模式為7 b地址模式、IIC傳輸速率為84 MHz、傳輸字節(jié)中包含16 b及打開數(shù)據(jù)環(huán)路模式，通過IIC對AIC23進行配置和管理，AIC23復(fù)位后設(shè)置AIC23的采樣率為44.1 kHz。配置EMIF為全EMIF接口模式，并初始化DSP的外部SDRAM。對McBsp0的初始化后，打開McBsp0與AIC23進行數(shù)據(jù)交換。

為驗證所設(shè)計的語音加、解密方案的可行性和代碼的正確性與可靠性，先在CCS上進行算法的調(diào)試驗證，采集從PC播放的音樂數(shù)據(jù)，隨機保存200個連續(xù)數(shù)據(jù)，如圖4(a)所示，對其進行混沌加密，加密結(jié)果如圖4(b)所示，此次加密中使用的混沌根密鑰，也即Henon映射的初值為0。將加密密文和根密鑰通過以太網(wǎng)發(fā)送到接收板，接收板根據(jù)根密鑰計算出解密密鑰并對數(shù)據(jù)密文進行解密，解密后結(jié)果如圖4(c)所示，解密結(jié)果與其明文完全一致。若在解密過程中使用的根密鑰與加密根密鑰不一致，解密結(jié)果則與原明文相差甚遠(yuǎn)，如圖4(d)所示。

圖4(a) 原始語音信號

圖4(b) 加密語音信號

圖4(c) 解密語音信號 圖4(d) 錯誤解密語音信號

從以上結(jié)果可知，本文給出的基于混沌密鑰的IDEA加解密方法適合網(wǎng)絡(luò)語音加、解密，加密后的語音數(shù)據(jù)量不變，但數(shù)據(jù)本身變化很大，對語音網(wǎng)絡(luò)傳輸不會造成帶寬上的壓力，同時也證明了本文給出的基于混沌密鑰的語音加、解密算法對密鑰的敏感性和有效性。

本文設(shè)計實現(xiàn)的語音混沌加、解密系統(tǒng)實物圖如圖5所示。圖中左邊的DSP板卡是加密端，右邊的板卡是解密端，從PC機播放的wav格式的語音通過線輸入傳送到DSP板卡進行加密處理后，加密后的數(shù)據(jù)包經(jīng)過以太網(wǎng)傳送到另一端，另一端對語音包和根密鑰包進行解密，由線輸出連接到音響。

圖5 混沌語音加解密系統(tǒng)實物圖

3 結(jié) 語

本文中將混沌密鑰和IDEA加密算法相結(jié)合進行語音加、解密處理以提供網(wǎng)絡(luò)語音的安全性，混沌密鑰的生成采用了Henon映射和改進的Logistic映射兩種混沌映射級聯(lián)迭代，將迭代結(jié)果經(jīng)過非線性替換形成IDEA加密密鑰，采用IDEA加密算法對語音信號進行了加解密。經(jīng)多次加、解密測試表明，本文中設(shè)計實現(xiàn)的混沌加密系統(tǒng)能夠滿足語音傳輸?shù)膶崟r性要求，使得該系統(tǒng)具有一定的民用價值和軍用價值，尤其在物聯(lián)網(wǎng)、海上捕魚漁船之間的通信、多媒體通信等方面有著廣泛的應(yīng)用。但在語音傳輸?shù)倪^程中，語音會出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，說明該系統(tǒng)還有待進一步優(yōu)化，才能達到更好的加密效果。

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