◆楊虹

一種新型數(shù)據(jù)加密方法——數(shù)字?jǐn)D壓加密法

◆楊虹

（遼寧警察學(xué)院 遼寧 116036）

數(shù)字?jǐn)D壓加密是以矩陣數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)稱加密并進(jìn)行數(shù)據(jù)有規(guī)律的擠壓，形成一種加密方法，經(jīng)過(guò)多次不同方式的擠壓后，形成一個(gè)加密數(shù)據(jù)包。此加密技術(shù)簡(jiǎn)單，可以解決對(duì)稱加密和非對(duì)稱加密的弱點(diǎn)，做到一次一密鑰，增加破解難度，為數(shù)據(jù)加密提供一個(gè)新的思路。

數(shù)據(jù)擠壓；加密方法；對(duì)稱加密

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)已應(yīng)用到各行各業(yè)。計(jì)算機(jī)的處理能力不斷提高，出現(xiàn)了智能計(jì)算機(jī)。對(duì)數(shù)據(jù)處理的要求也越來(lái)越嚴(yán)苛，包括數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度、數(shù)據(jù)防盜性等，進(jìn)而數(shù)據(jù)的加密倍受重視。加密工作者相繼尋找更加簡(jiǎn)潔、方便、快捷的加密方法，下文將介紹一種有效、實(shí)用的矩陣擠壓加密方法。

1 加密技術(shù)簡(jiǎn)介

目前，世界上加密技術(shù)主要分為兩種，一種是對(duì)稱加密，一種是非對(duì)稱加密。近些年來(lái)，以矩陣形式進(jìn)行加密的方法應(yīng)運(yùn)而生，這些不同的加密方法廣泛地應(yīng)用在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)以及智能政務(wù)、智能警務(wù)等領(lǐng)域中。隨之而來(lái)的是對(duì)信息的可靠性、保密性以及準(zhǔn)確性的要求更高，為此對(duì)計(jì)算機(jī)的信息進(jìn)行加密就顯得非常重要。加密技術(shù)不斷更新，同時(shí)也不斷地被破解，這就要求計(jì)算機(jī)加密技術(shù)更加完善，達(dá)到不可破解的目的。

（1）對(duì)稱加密

對(duì)稱加密方法的加密順序與解密順序是互逆的，其代表的加密方法有AES、DES等。對(duì)稱加密的特點(diǎn)是一個(gè)密鑰、簡(jiǎn)單、運(yùn)算速度快，缺點(diǎn)是字長(zhǎng)較短的數(shù)據(jù)容易被破解，字長(zhǎng)較長(zhǎng)的數(shù)據(jù)加密效果很好。破解對(duì)稱加密的數(shù)據(jù)一般采用窮舉法，所以字長(zhǎng)較長(zhǎng)的數(shù)據(jù)很難破解。

（2）非對(duì)稱加密

非對(duì)稱加密是利用數(shù)學(xué)算法求解原數(shù)據(jù)，是不可逆的，其代表加密方法有RSA、PGP、SET、SSL等。非對(duì)稱加密的特點(diǎn)是兩個(gè)密鑰、算法復(fù)雜、運(yùn)算速度慢，對(duì)字長(zhǎng)較短的數(shù)據(jù)加密效果好，缺點(diǎn)是字長(zhǎng)較長(zhǎng)的數(shù)據(jù)運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng)，影響計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度。

那么，能找到一種將兩種算法相結(jié)合的加密方法是加密研究人員主要的研究方向。數(shù)據(jù)擠壓加密方法很好地解決了兩者之間的矛盾，使得數(shù)據(jù)加密具有對(duì)稱加密的優(yōu)點(diǎn)，又具有短字長(zhǎng)的數(shù)據(jù)不易破解的功能，達(dá)到理想加密數(shù)據(jù)的效果。

2 數(shù)據(jù)擠壓加密方法介紹

現(xiàn)有兩個(gè)數(shù)字，一個(gè)是數(shù)字a，一個(gè)是數(shù)字b，數(shù)字b可以擠壓到數(shù)字a的左側(cè)、右側(cè)、上面或者下面四個(gè)位置，如圖1所示。

數(shù)據(jù)擠壓加密是將數(shù)據(jù)排列成矩陣形式，例如a為n×m的數(shù)據(jù)矩陣，如圖2所示。

圖1 數(shù)字b擠壓到數(shù)字a的四個(gè)位置示意圖

圖2 數(shù)據(jù)矩陣a

對(duì)數(shù)據(jù)矩陣a進(jìn)行數(shù)據(jù)擠壓，可以得到一個(gè)變化后的新矩陣，原矩陣大小可以自由選定，矩陣數(shù)據(jù)為平面數(shù)據(jù)，就像紙張一樣可以對(duì)折。當(dāng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行左右對(duì)折時(shí)，數(shù)據(jù)a1，1和數(shù)據(jù)a1，m重合、數(shù)據(jù)a1，2與數(shù)據(jù)a1，m-1重合，依此類(lèi)推，數(shù)據(jù)擠壓后，a1，m、a1，m-1……，分別排列到a1，1、a1，2、……的下一行，矩陣第二行數(shù)據(jù)也是如此，直至矩陣最后一行數(shù)據(jù)重新排列完成，即將數(shù)據(jù)擠壓到矩陣中去。矩陣a左右對(duì)折、數(shù)據(jù)下移擠壓的結(jié)果如圖3所示。此例為采用圖1（d）所示的擠壓位置，將擠壓數(shù)據(jù)排在下一行，實(shí)際上根據(jù)圖1可以得到變化后不同形式的數(shù)據(jù)矩陣。

圖3 矩陣a左右對(duì)折、數(shù)據(jù)下移擠壓結(jié)果

如果矩陣是上下折疊，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)擠壓后得出以下形式：

最后一行數(shù)據(jù)與第一行數(shù)據(jù)位交錯(cuò)存放，第二行數(shù)據(jù)與倒數(shù)第二行數(shù)據(jù)位交錯(cuò)存放，依此類(lèi)推，將矩陣數(shù)據(jù)擠壓存放完畢。若采用圖1（b）所示的擠壓位置，矩陣a上下對(duì)折、數(shù)據(jù)右移擠壓的結(jié)果如圖4所示。

圖4 矩陣a上下對(duì)折、數(shù)據(jù)右移擠壓結(jié)果

利用這種方法可以反復(fù)幾次的擠壓數(shù)據(jù)，得到一個(gè)完全不同排列的數(shù)據(jù)矩陣。這種擠壓數(shù)據(jù)方法為對(duì)稱加密方法，由于矩陣的數(shù)據(jù)塊a可以相繼進(jìn)行多次擠壓進(jìn)行加密，因此，增加了破解難度。

根據(jù)圖1還可以得到多個(gè)矩陣同時(shí)擠壓，即4個(gè)矩陣對(duì)a矩陣進(jìn)行擠壓，一次性填寫(xiě)完成一個(gè)單元數(shù)據(jù)上、下、左、右的擠壓。

3 數(shù)字?jǐn)D壓加密的優(yōu)勢(shì)

眾所周知，以目前技術(shù)4096位加密數(shù)據(jù)是無(wú)法解密的，采用矩陣數(shù)據(jù)擠壓加密，可以得到一個(gè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于4096位（個(gè)）的數(shù)據(jù)。假設(shè)采用64*64的數(shù)據(jù)矩陣，用數(shù)字?jǐn)D壓方法進(jìn)行加密，并且是左右對(duì)折，其中一行加密變化全排列為432=264，64行數(shù)據(jù)應(yīng)該是64個(gè)264相乘，即24096，這個(gè)數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于4096。類(lèi)似地，如果是8*8的數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行擠壓加密，可以得到變化的全排列為264。因此，對(duì)于n*m的數(shù)據(jù)矩陣來(lái)說(shuō)，需要破解難度系數(shù)為2n*m。

由于數(shù)字?jǐn)D壓加密沒(méi)有采用任何數(shù)學(xué)公式和邏輯運(yùn)算，要想破解這種加密數(shù)據(jù)，只能采用窮舉法，而數(shù)據(jù)擠壓加密解決了傳統(tǒng)對(duì)稱加密存在數(shù)據(jù)位短容易破解的缺點(diǎn)，同時(shí)也解決傳統(tǒng)非對(duì)稱加密存在數(shù)據(jù)位長(zhǎng)運(yùn)算速度慢的問(wèn)題，這種加密方法利用數(shù)據(jù)批處理功能，對(duì)數(shù)據(jù)塊整體處理，統(tǒng)一打包，得到一個(gè)無(wú)法破解的數(shù)據(jù)包

要想破解采用此加密方法加密的數(shù)據(jù)包必須獲得兩個(gè)內(nèi)容。一是公鑰和密鑰，公鑰和私鑰是破解加密重要環(huán)節(jié)，此方法利用公鑰和私鑰之和得到數(shù)據(jù)擠壓加密方法（加密順序表）。二是矩陣的行、列值，根據(jù)行、列值才能得到矩陣折疊（對(duì)半）數(shù)據(jù)在什么位置。

數(shù)據(jù)擠壓加密方法可以是一個(gè)數(shù)據(jù)包對(duì)應(yīng)不同的密鑰值，如8+2=10，10就對(duì)應(yīng)一種固定加密順序，也可以用7+3=10，可以看出10就是一個(gè)固定加密方法，而8和7都作為公鑰，那么2和3分別是私鑰，這樣兩個(gè)數(shù)據(jù)包有兩個(gè)公鑰和兩個(gè)私鑰，用同樣方法可以得到很多的公鑰和私鑰。

在實(shí)際加密應(yīng)用中，一個(gè)加密密鑰對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)據(jù)包，不同數(shù)據(jù)包各自有自己的密鑰，這是最理想的加密方法。

4 數(shù)字?jǐn)D壓加密方法與其他加密方法的對(duì)比

各種加密方法具有以下特點(diǎn)：

（1）對(duì)稱加密，多數(shù)是邏輯運(yùn)算、圖形等形式出現(xiàn)。

（2）非對(duì)稱加密，多數(shù)是數(shù)學(xué)計(jì)算公式等。

（3）對(duì)稱加密的缺點(diǎn)，對(duì)字長(zhǎng)短的數(shù)字容易被破解。

（4）非對(duì)稱加密對(duì)字長(zhǎng)長(zhǎng)的數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，影響計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度。

（5）解決對(duì)稱與非對(duì)稱加密之間的矛盾，不是一件易事。

擠壓數(shù)據(jù)加密屬于對(duì)稱加密，采用多數(shù)據(jù)同時(shí)處理，擠壓加密，以矩陣數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，行、列數(shù)據(jù)可以根據(jù)需求隨意變動(dòng)，也就是說(shuō)矩陣大小不固定，加密順序也不固定，根據(jù)公鑰和私鑰之和確定加密方法，無(wú)運(yùn)算公式，類(lèi)似圖形加密方法。

此加密方法雖然屬于對(duì)稱加密，但是可以通過(guò)增加數(shù)據(jù)位數(shù)克服對(duì)稱加密數(shù)據(jù)位短易破解的問(wèn)題。同時(shí)，此加密方法避免了非對(duì)稱加密方法在數(shù)據(jù)位較長(zhǎng)的情況下運(yùn)算復(fù)雜的問(wèn)題。擠壓加密方法是對(duì)稱加密，因此運(yùn)算速度極快。

利用這種加密方法有效解決對(duì)稱加密和非對(duì)稱加密之間難以解決的矛盾問(wèn)題。把位數(shù)短的數(shù)據(jù)通過(guò)矩陣形式，有效連接起來(lái)，達(dá)到增加位數(shù)的目的。

由于擠壓加密方法采用矩陣為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)或位數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于4096個(gè)數(shù)據(jù)或（4096位的數(shù)據(jù)），目前世界公認(rèn)當(dāng)數(shù)據(jù)位數(shù)大于4096位數(shù)時(shí)，將無(wú)法破解。理論上擠壓加密方法的矩陣可以無(wú)限大，因此，擠壓加密方法是無(wú)法用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)破解的。

如果將擠壓加密方法進(jìn)行擴(kuò)展，擴(kuò)展成立體數(shù)據(jù)存放形式，這樣對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行上、下、左、右的數(shù)據(jù)層分別進(jìn)行擠壓加密，可以達(dá)到更好的效果，實(shí)現(xiàn)加密數(shù)據(jù)保密性的提高。

5 結(jié)束語(yǔ)

矩陣數(shù)字?jǐn)D壓加密方法是一種簡(jiǎn)潔、方便、快捷的加密方法，這種加密方法可以應(yīng)用在大數(shù)據(jù)處理、云計(jì)算、數(shù)據(jù)庫(kù)、圖像處理、通信領(lǐng)域等多方面的領(lǐng)域中，尤其是在智慧政務(wù)、智慧警務(wù)等智能應(yīng)用領(lǐng)域，可以保障數(shù)據(jù)的完整性、唯一性。應(yīng)用此加密算法確保網(wǎng)絡(luò)傳輸中數(shù)據(jù)的安全性。該加密方法無(wú)論應(yīng)用在何種領(lǐng)域，都能做到加密過(guò)程中的數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單，不易被破解，適應(yīng)與各種字節(jié)長(zhǎng)度的加密，具有很好的保密性，數(shù)字?jǐn)D壓時(shí)具有很強(qiáng)的靈活性，因此矩陣數(shù)字?jǐn)D壓方法將會(huì)成為一種很好的加密方法。

[1]魏占禎，穆文博，曹浩.基于SIP協(xié)議VoIP系統(tǒng)安全問(wèn)題的研究與分析[J].北京電子科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2017.

[2]祝竹.實(shí)用函數(shù)加密算法研究與應(yīng)用[D].浙江理工大學(xué)，2017.

[3]程顯毅，張啟杰，耿飆. 基于語(yǔ)義水印的數(shù)字簽名算法[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2009.

[4]楊晨.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全中數(shù)據(jù)加密技術(shù)的應(yīng)用研究[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2020.

[5]蔣澤宇.淺談密碼學(xué)及其在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全中的作用[J].價(jià)值工程，2020.

[6]古宜平，馬昌社.支持聯(lián)合查詢的高效可搜索對(duì)稱加密方案[J].華南師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020.

[7]陳月俠.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全中數(shù)據(jù)加密技術(shù)的應(yīng)用[J].網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用，2020.

[8]Xingyuan Wang.Suo GaoImage encryption algorithm based on the matrix semi-tensor product with a compound secret key produced by a Boolean network[J]. Information Sciences，2020.