施志榮(漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系，福建漳州 363000)

基于Chen-Mobius算法的信息加密系統(tǒng)的設(shè)計

施志榮
(漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系，福建漳州 363000)

本文從網(wǎng)絡(luò)安全及應(yīng)用的可行性出發(fā)，基于Chen-Mobius變換理論，在LabVIEW平臺開發(fā)了一套新型的信息加密系統(tǒng)，給出對文本信息進行加密的效果，并對其性能進行分析。

Chen-Mobius變換；LabVIEW；信息加密系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)傳輸

隨著計算機技術(shù)高速發(fā)展及互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用日益普及，計算機網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為政府部門、教育機構(gòu)和金融機構(gòu)等諸多領(lǐng)域重要信息的交換手段，網(wǎng)絡(luò)上流通的信息量也呈幾何級數(shù)增加。然而，利用網(wǎng)絡(luò)進行信息交換還存在著諸多不安全因素，比如信息被竊聽、篡改和偽造等。因此，數(shù)據(jù)加密是確保計算機網(wǎng)絡(luò)安全的重要機制。本文利用LabVIEW平臺開發(fā)了一套基于Chen-Mobius算法的信息加密系統(tǒng)。

1 Mobius加密算法及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 Mobius變換

在數(shù)論中，Mobius函數(shù)[1-3]定義為：

(1)

對于定義在(-∞,+∞)上的兩個函數(shù)G(x)和g(x)，有

(2)

通過Chen-Mobius變換，可以求出了sin(ωt)按該周期信號展開的逆變換式：

(3)

那么，對任意奇函數(shù)Q(t)，也就可以將其展開為該周期信號的疊加。

即

(4)

令mn=k，就有

(5)

其中，

(6)

1.2 信息加密系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

信息加密系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)主要是文本信息，實現(xiàn)文本信息的加密可以用多種不同的方法，本系統(tǒng)驗證的方法是利用通信系統(tǒng)里面的鍵控原理，即利用字符的ASCII碼產(chǎn)生一組包含文本信息的數(shù)組，并將該數(shù)組加載在Chen-Mobius加密函數(shù)上。

加密系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)：在服務(wù)器端，用戶利用Chen-Mobius加密函數(shù)對重要數(shù)據(jù)進行加密形成密文，然后通過網(wǎng)絡(luò)進行傳輸；在客戶端，利用Chen-Mobius解密函數(shù)對接收到的加密信息進行解密，還原出相應(yīng)的數(shù)據(jù)。文本信息在密碼學(xué)里面被稱為明文，加載加密函數(shù)的信息為密文，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸就是密文。整個系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 文本信息加密的原理圖

2 基于LabVIEW平臺的信息加密系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1 LabVIEW平臺

LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是一種用圖標代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言。它是建立在Windows Server 2008/2012 R2(64位)、Windows 10/8.1/8/7 SP1(32位和64位)基礎(chǔ)上的圖形化儀器開發(fā)系統(tǒng)(也可以用于Mao OS，Sun，HP-UX等)。與傳統(tǒng)文本編程語言相比，用LabVIEW編程易學(xué)易懂、省時省力，可以節(jié)省大量系統(tǒng)開發(fā)時間，即使對于沒有文本編程語言基礎(chǔ)的非軟件工程師來說，也可以很快學(xué)習、掌握并應(yīng)用LabVIEW來開發(fā)虛擬儀器。

采用LabVIEW作為信息加密系統(tǒng)的開發(fā)平臺，是因為圖形化編程環(huán)境LabVIEW滿足建立靈活的可擴展式應(yīng)用系統(tǒng)的要求，同時滿足以最小成本、最快速地開發(fā)系統(tǒng)的需求。利用LabVIEW簡單易用的GUI控件，可以完全按照使用者的需求進行界面設(shè)計。LabVIEW支持多任務(wù)，同時對外設(shè)有C語言接口，選用LabVIEW開發(fā)還可以提高程序的可靠性。

2.2 文本信息的數(shù)據(jù)加密

信息加密系統(tǒng)處理的對象主要是文本信息。實現(xiàn)文本信息的加密可以用多種不同的方法，本系統(tǒng)驗證的方法是利用通信系統(tǒng)里面的鍵控原理，即利用字符的ASCII碼產(chǎn)生一組包含文本信息的數(shù)組，并將該數(shù)組加載在Chen-Mobius加密函數(shù)上實現(xiàn)信息加密。加密函數(shù)由Chen-Mobius變換計算得出，其部分程序代碼如圖2所示。

圖2 加密程序部分代碼

根據(jù)前面板的輸入可以得到加密函數(shù)的密鑰頻率、加密階數(shù)、密鑰類型。文本信息經(jīng)過字符串至字節(jié)數(shù)組轉(zhuǎn)換函數(shù)可得到一個數(shù)組，根據(jù)該數(shù)組的長度可計算求得加密函數(shù)的采樣點數(shù)。加密函數(shù)的采樣頻率可由密鑰頻率乘上加密階數(shù)后再乘以常數(shù)計算求得。最后，將包含文本ASCII碼信息的數(shù)組加載在加密函數(shù)上就實現(xiàn)了字符信息的數(shù)據(jù)加密。

2.3 密文數(shù)據(jù)的解密

解密函數(shù)也是由Chen-Mobius變換的計算方法得出，其部分程序代碼如圖3所示。

圖3 解密程序部分代碼

在客戶端，接收到的密文經(jīng)過一個數(shù)組大小函數(shù)就可以計算出解密函數(shù)的采樣點數(shù)，根據(jù)采樣點數(shù)和前面板定好的鑰頻率、加密階數(shù)可計算求得解密函數(shù)的采樣頻率。將加密信息加載在解密函數(shù)上并經(jīng)過低通濾波器濾波之后，便可以獲得文本解密后的波形。

3 運行結(jié)果

加密系統(tǒng)的運行結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 服務(wù)器端前面板

圖5 客戶端前面板

4 與其它加密算法比較

(1)DES算法：DES是一種對稱密碼算法。除了密鑰輸入順序之外，其加密和解密的步驟完全相同，容易標準化。但由于時間久遠，目前黑客已經(jīng)可以在短時間內(nèi)成功地將其破解。而Chen-Mobius加密算法還沒有標準化，屬于比較新的領(lǐng)域，它的破解還需一段時間。

(2)RSA算法：在非對稱密碼系統(tǒng)中，最常用的就是RSA算法。這種算法的保密性非常好，因此在國際上得到了廣泛的應(yīng)用。其缺點是由于RSA涉及高次冪運算，所以實現(xiàn)速度比較慢。

(3)Chen-Mobius算法：Chen-Mobius加密屬于非對稱密鑰密碼系統(tǒng)，加密和解密的函數(shù)是相互正交的函數(shù)族，兩個函數(shù)族滿足千變?nèi)f化的不同函數(shù)變化，因此加密系統(tǒng)有很高的保密性；Chen-Mobius算法沒有涉及到高次冪運算，即使采用普通計算機，系統(tǒng)也可以實現(xiàn)實時傳輸。

5 結(jié)語

本文把Chen-Mobius算法應(yīng)用于信息加密，并利用LabVIEW軟件平臺以及結(jié)合PC機的網(wǎng)絡(luò)端口，開發(fā)了一套保密性很高且實際可行、可隨機加密的系統(tǒng)。整個加密理論和系統(tǒng)說明了Chen-Mobius函數(shù)是一個保密性很高且易于實現(xiàn)和應(yīng)用的加密函數(shù)。

[1]Chen Nan-xian.Modified mobius inverse formula and its applications in physics[J].Phys Rev Lett,1990, 64(11):1193-1195.

[2]John M.Mobius and problems of inversion[J].Nature,1990,344(29):377.

[3]Wei,Yi-chuan,Chen Nan-xian.Square wave analysis[J].Math Phys,1998,39(8):4226-4245.

[4]蘇武潯,陳方,魏滕雄.Chen-Mobius四路載波數(shù)字通信系統(tǒng)的仿真[J].華僑大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2007,28(3):246-251.

[5]蘇武潯,魏騰雄.一種信息加密與唯一識別的全新方法——Chen-Mobius變換的一種新應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報,2008(18):20-21，23.

[6]魏騰雄,孫桂杰,蘇武潯.一種新型的文本信息加密與識別系統(tǒng)——Chen-Mobius變換的一種新應(yīng)用[J].福州大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2008,36(3):347-353.

[7]陳錫輝,張銀鴻.LabVIEW 8.2程序設(shè)計從入門到精通[M].北京:清華大學(xué)出版社,2007:2-7.

[8]LabVIEW(2013)中文版虛擬儀器從入門到精通[M].北京:機械工業(yè)出版社,2014.

Design of Information Encryption System Based on Chen-Mobius Algorithm

SHI Zhi-rong

(Electronic Department,Zhangzhou Institute of Technology,Zhangzhou Fujian 363000,China)

As far as the network safety and application feasibility are concerned, this paper develops a new information encryption system on LabVIEW platform based on the Chen-Mobius transformation theory,shows the encrypted result of text information and analyzes its functions.

Chen-Mobius transformation;LabVIEW;information encryption system;network transmission

2016-11-03

漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院2015年校級科研項目“基于RS-485網(wǎng)絡(luò)的智能實驗室信息管理系統(tǒng)的開發(fā)”(ZZY1511)。

施志榮(1980- )，男，講師，碩士研究生，從事通信技術(shù)與人工智能技術(shù)研究。

TP309

A

2095-7602(2017)06-0043-05