白碩 哈爾濱理工大學(xué)榮成學(xué)院

一種視頻加密傳輸系統(tǒng)的設(shè)計

白碩 哈爾濱理工大學(xué)榮成學(xué)院

計算機信息技術(shù)的不斷發(fā)展導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)的應(yīng)用越來越多，例如:網(wǎng)絡(luò)視頻、網(wǎng)絡(luò)游戲、網(wǎng)絡(luò)社交以及電子商務(wù)等。該文回顧了過去的混沌密碼系統(tǒng)理論，介紹了其應(yīng)用的現(xiàn)狀以及尚未解決的問題，并對其進行了綜合評述。在分析現(xiàn)有算法及其問題的基礎(chǔ)上提出了一種基于復(fù)合混沌密碼的視頻實時加密傳輸系統(tǒng)，包括其基本理論、設(shè)計方法、典型應(yīng)用以及解決相關(guān)問題的思路。

視頻加密 現(xiàn)狀問題 復(fù)合混沌密碼系統(tǒng)

1 當(dāng)前視頻實時加密傳輸?shù)默F(xiàn)狀分析

1.1 視頻加密傳輸技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展

LORENZ是第一個發(fā)現(xiàn)混沌系統(tǒng)的，時間是在1963年，至今已有大約七十年的歷史?；煦缦到y(tǒng)以及與系統(tǒng)相關(guān)的應(yīng)用自發(fā)現(xiàn)以來已經(jīng)得到了快速發(fā)展。混沌系統(tǒng)中具有對初始參數(shù)值的很多典型特征，如拉伸折疊變換特性、拓?fù)鋫鬟f性、遍歷性、混合性、周期點稠密性、敏感依賴性、分?jǐn)?shù)維和奇怪吸引子、正的李氏指數(shù)等，這些特征與現(xiàn)代密碼學(xué)中的混淆、散布等特征有著密不可分的聯(lián)系?；煦缦到y(tǒng)中的拉伸折疊變換與香農(nóng)經(jīng)典論文《保密系統(tǒng)的通信理論》中提出的加密方法具有驚人的相似性。明文或密鑰的變化一個很重要的影響因素就是AES算法和DES算法的加密結(jié)果。因此我們可以從某種程度上將它們定義為在有限域上的混沌系統(tǒng)，這種混沌系統(tǒng)的初始狀態(tài)為明文，控制參數(shù)為密鑰。從近年來的關(guān)注量來看，混沌保密通信受到人們廣泛關(guān)注就在情理之中。隨著云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、社交網(wǎng)絡(luò)等信息技術(shù)的快速發(fā)展，像圖像、視頻、音頻等多媒體數(shù)據(jù)的安全性問題愈來愈引起人們的廣泛關(guān)注。因為多媒體數(shù)據(jù)具有實時性，相鄰元素之間的強相關(guān)性，海量等特征，而傳統(tǒng)的文本加密算法如DES和AES等針對這種特征沒有優(yōu)勢之處甚至于處于劣勢，所以傳統(tǒng)的加密算法受到挑戰(zhàn)也就在所難免。

1.2 視頻加密傳輸存在的問題

在對國內(nèi)外的視頻加密傳輸研究現(xiàn)狀詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，可以看到有關(guān)視頻加密存在的問題:

①總結(jié)過去10年混沌密碼分析與設(shè)計經(jīng)驗，歸納混沌密碼設(shè)計原則和安全檢測準(zhǔn)則；

②不少典型的混沌密碼有待分析，供混沌密碼設(shè)計者參考；

③研究高維數(shù)字域混沌系統(tǒng)，融合高維混沌系統(tǒng)與密碼設(shè)計新算法，提高整個系統(tǒng)的安全性能；

④數(shù)字混沌退化程度的衡量尺度有待優(yōu)化和完善。

1.3 我國的視頻加密算法的發(fā)展

一方面，我國的網(wǎng)絡(luò)空間正面臨諸多的問題例如安全威脅等等，與網(wǎng)絡(luò)強國相比仍然有不小差距；另一方面，我國已是名副其實的網(wǎng)絡(luò)大國。例如，2013年的“棱鏡門”事件揭秘了美國運用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)竊取其他國家的各類核心機密。2014年2月，我國本著著重完善網(wǎng)絡(luò)安全的頂層制度設(shè)計的目標(biāo)成立了中央網(wǎng)絡(luò)安全和信息化領(lǐng)導(dǎo)小組。在《國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020)》中我國明確提出要重點研究新型密碼技術(shù)的總體思路，與其相對應(yīng)的“高維系統(tǒng)全局分叉和混沌”在國家自然科學(xué)基金委“十二五”發(fā)展規(guī)劃中列為優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域“高維/無限維非線性系統(tǒng)動力學(xué)與控制”的主要研究方向。在《國家“十二五”科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》中將密碼基礎(chǔ)理論列為重大科學(xué)問題研究方向，強調(diào)加快網(wǎng)絡(luò)與信息安全技術(shù)創(chuàng)新、保障網(wǎng)絡(luò)與信息安全。

2 復(fù)合混沌密碼的視頻實時加密傳輸系統(tǒng)設(shè)計

2.1 研究內(nèi)容和目標(biāo)

本次設(shè)計的最終結(jié)果是開發(fā)一套面向視頻電視電話會議、視頻監(jiān)控、視頻保密通信等實時視頻應(yīng)用的視頻加密軟件。有如下三個方面的目標(biāo)：

①設(shè)計出適合于視頻實時加密的復(fù)合混沌偽隨機序列發(fā)生器；

②開發(fā)出像素級的高安全性視頻實時加密傳輸系統(tǒng)；

③偽隨機密鑰流能通過隨機性測試、加密傳輸系統(tǒng)能滿足安全性和實時性要求。

2.2 研究方法和研究進展

2.2.1 研究內(nèi)容的技術(shù)路線圖

圖1 技術(shù)路線圖

2.2.2 視頻加密研究

實時傳輸視頻加密算法包括視頻采集、視頻加密、視頻密文傳輸、視頻解密和視頻播放五個部分。在服務(wù)器端，采集到視頻并加密后發(fā)送給客戶端。接收端接收視頻數(shù)據(jù)并將其解密后播放。該算法的總體設(shè)計如圖2所示。

圖2 實時視頻加密傳輸示意圖

圖3 密鑰擴散過程示意圖

2.2.3 視頻圖像擴散加密操作

將一幅待加密圖像與混沌序列進行“異或”運算得到密文圖像是最為常見的一種圖像替代方法。這種方法具有加密速度快、操作簡單等優(yōu)點，但同時也容易受到選擇明文攻擊。因此，通常在圖像加密中利用擴散來提高加密系統(tǒng)的安全性。

算法描述：

其中Ci表示原始視頻圖像的第i個像素值，它包含RGB三個通道；Ci表示前面相鄰加密后的像素值；Si表示偽隨機序列作為密鑰；Ii表示原始圖像的第i個像素值；M和N分別為圖像f(x，y)中x和y方向的像素各數(shù)值，M和N根據(jù)圖像變化而改變；min(M，N)表示M和N中較小的值。加密后像素值為本像素值與相鄰前像素值和偽隨機密鑰三者的異或值。密鑰擴散過程如圖3所示。

解密過程的擴散函數(shù)為：

[1]陳鐵明,葛亮.面向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的混沌加密與消息鑒別算法[J].通信學(xué)報,2013

[2]文昌辭,王沁,黃付敏,等.基于仿射和復(fù)合混沌的圖像自適應(yīng)加密算法[J].通信學(xué)報,2012

[3]葛辛,劉粉林,蘆斌,等.基于搜索機制混沌加密算法的密文特性分析[J].電子與信息學(xué)報,2008