兵工学报 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (8): 2521-2532.doi: 10.12382/bgxb.2022.0275
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收稿日期:
2022-04-19
上线日期:
2023-08-30
通讯作者:
基金资助:
WANG Xikang, MENG Qingwei*(), XU Hua, QI Zisen, ZHANG Yue
Received:
2022-04-19
Online:
2023-08-30
摘要:
为提高物理层信息传输安全,提出一种基于DNA动态编码和变化多参数加权分数傅里叶变换(VMP-WFRFT)的安全通信方法。将DNA编码引入比特置乱,针对现有DNA编码规则少所存在的安全隐患,构造低复杂度四维混沌序列,利用混沌序列随机选择比特矩阵的DNA编码以及运算规则;为进一步掩盖信号调制样式,利用混沌序列动态调整MP-WFRFT参数,从而对调制信号进行VMP-WFRFT变换实现星座的混淆、扩散,同时增强了MP-WFRFT的参数抗扫描能力。仿真结果表明,该方法密钥敏感性良好、密钥空间大,能有效抵御穷举攻击,即使作为加密密钥的混沌初始值仅存在10-15偏差,窃听者的误比特率仍始终保持在0.5左右。
中图分类号:
王西康, 孟庆微, 许华, 齐子森, 张悦. 基于DNA动态编码和VMP-WFRFT的安全通信方法[J]. 兵工学报, 2023, 44(8): 2521-2532.
WANG Xikang, MENG Qingwei, XU Hua, QI Zisen, ZHANG Yue. Secure Communication Method Based on Dynamic DNA Coding and VMP-WFRFT[J]. Acta Armamentarii, 2023, 44(8): 2521-2532.
数据元 | 规则 | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | |
00 | A | A | T | T | C | C | G | G |
01 | C | G | C | G | A | T | A | T |
10 | G | C | G | C | T | A | T | A |
11 | T | T | A | A | G | G | C | C |
表1 DNA编码解码规则
Table 1 DNA coding and decoding rules
数据元 | 规则 | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | |
00 | A | A | T | T | C | C | G | G |
01 | C | G | C | G | A | T | A | T |
10 | G | C | G | C | T | A | T | A |
11 | T | T | A | A | G | G | C | C |
脱氧核苷酸 | A | C | T | G |
---|---|---|---|---|
A | C | A | G | T |
T | G | T | C | A |
C | A | C | T | G |
G | T | G | A | C |
表2 DNA加法操作
Table 2 DNA addition operation
脱氧核苷酸 | A | C | T | G |
---|---|---|---|---|
A | C | A | G | T |
T | G | T | C | A |
C | A | C | T | G |
G | T | G | A | C |
脱氧核苷酸 | A | C | T | G |
---|---|---|---|---|
A | C | G | A | T |
T | G | T | C | A |
C | A | C | T | G |
G | T | A | G | C |
表3 DNA减法操作
Table 3 DNA subtraction operation
脱氧核苷酸 | A | C | T | G |
---|---|---|---|---|
A | C | G | A | T |
T | G | T | C | A |
C | A | C | T | G |
G | T | A | G | C |
脱氧核苷酸 | A | C | T | G |
---|---|---|---|---|
A | A | C | T | G |
T | T | G | A | C |
C | C | A | G | T |
G | G | T | C | A |
表4 DNA异或操作
Table 4 DNA XOR operation
脱氧核苷酸 | A | C | T | G |
---|---|---|---|---|
A | A | C | T | G |
T | T | G | A | C |
C | C | A | G | T |
G | G | T | C | A |
混沌系统 | 加法 | 乘法 | 正弦函数 | 密钥空间 |
---|---|---|---|---|
本文系统 | 11 | 16 | 2 | 1081.2 |
Chen等[ | 41 | 38 | 0 | 1045 |
4-D chaos系统[ | 41 | 54 | 8 | 1070.7 |
7-D chaos系统[ | 221 | 118 | 4 | >10105 |
表5 不同混沌系统的比较
Table 5 Comparison of different chaotic systems
混沌系统 | 加法 | 乘法 | 正弦函数 | 密钥空间 |
---|---|---|---|---|
本文系统 | 11 | 16 | 2 | 1081.2 |
Chen等[ | 41 | 38 | 0 | 1045 |
4-D chaos系统[ | 41 | 54 | 8 | 1070.7 |
7-D chaos系统[ | 221 | 118 | 4 | >10105 |
图像 | 图片尺寸/像素 | 信息熵 | ||||
---|---|---|---|---|---|---|
原始图像 | 文献[22]算法 | 文献[23]算法 | 文献[24]算法 | 本文算法 | ||
| 256×256 | 3.8212 | 7.9958 | 7.9972 | 7.9909 | 7.9975 |
512×512 | 3.3097 | 7.9983 | 7.999 | 7.9921 | 7.9992 | |
| 256×256 | 3.2677 | 7.9974 | 7.997 | 7.9912 | 7.9973 |
512×512 | 3.1958 | 7.9991 | 7.9991 | 7.9925 | 7.9992 | |
| 256×256 | 3.5024 | 7.9939 | 7.9971 | 7.9915 | 7.9973 |
512×512 | 3.2639 | 7.9972 | 7.9993 | 7.9923 | 7.9993 | |
| 256×256 | 3.6347 | 7.9975 | 7.9974 | 7.9913 | 7.9973 |
512×512 | 3.1435 | 7.9994 | 7.9995 | 7.9924 | 7.9994 | |
| 256×256 | 3.2921 | 7.9941 | 7.9973 | 7.9907 | 7.9971 |
512×512 | 3.2827 | 7.9988 | 7.9992 | 7.9924 | 7.9994 | |
| 256×256 | 3.5501 | 7.9938 | 7.997 | 7.9912 | 7.9972 |
512×512 | 3.2925 | 7.9981 | 7.999 | 7.9922 | 7.9993 |
表6 不同方案下普通图像和密码图像的信息熵比较
Table 6 Comparison of information entropy between ordinary image and cipher image under different schemes
图像 | 图片尺寸/像素 | 信息熵 | ||||
---|---|---|---|---|---|---|
原始图像 | 文献[22]算法 | 文献[23]算法 | 文献[24]算法 | 本文算法 | ||
| 256×256 | 3.8212 | 7.9958 | 7.9972 | 7.9909 | 7.9975 |
512×512 | 3.3097 | 7.9983 | 7.999 | 7.9921 | 7.9992 | |
| 256×256 | 3.2677 | 7.9974 | 7.997 | 7.9912 | 7.9973 |
512×512 | 3.1958 | 7.9991 | 7.9991 | 7.9925 | 7.9992 | |
| 256×256 | 3.5024 | 7.9939 | 7.9971 | 7.9915 | 7.9973 |
512×512 | 3.2639 | 7.9972 | 7.9993 | 7.9923 | 7.9993 | |
| 256×256 | 3.6347 | 7.9975 | 7.9974 | 7.9913 | 7.9973 |
512×512 | 3.1435 | 7.9994 | 7.9995 | 7.9924 | 7.9994 | |
| 256×256 | 3.2921 | 7.9941 | 7.9973 | 7.9907 | 7.9971 |
512×512 | 3.2827 | 7.9988 | 7.9992 | 7.9924 | 7.9994 | |
| 256×256 | 3.5501 | 7.9938 | 7.997 | 7.9912 | 7.9972 |
512×512 | 3.2925 | 7.9981 | 7.999 | 7.9922 | 7.9993 |
|
表7 Lena图像明文与密文在水平、竖直、斜线3个方向的相关分布
Table 7 Correlation distribution of the plaintext and ciphertext in the horizontal, vertical and oblique directions of Lena images
|
图像名称 | 水平方向 | 垂直方向 | 斜线方向 |
---|---|---|---|
Lena | 0.0023 | 0.0003 | 0.0014 |
Lena[ | -0.0048 | -0.0112 | -0.0045 |
Cameraman | -0.0083 | 0.0086 | 0.0113 |
Cameraman[ | -0.0095 | -0.0170 | -0.0170 |
Airplane | -0.0133 | 0.0008 | 0.0028 |
Airplane[ | 0.0180 | 0.0061 | -0.0079 |
Peppers | 0.0128 | -0.0021 | -0.0056 |
Peppers[ | 0.0194 | 0.0194 | 0.0123 |
表8 图像相关系数
Table 8 Correlation coefficients of images
图像名称 | 水平方向 | 垂直方向 | 斜线方向 |
---|---|---|---|
Lena | 0.0023 | 0.0003 | 0.0014 |
Lena[ | -0.0048 | -0.0112 | -0.0045 |
Cameraman | -0.0083 | 0.0086 | 0.0113 |
Cameraman[ | -0.0095 | -0.0170 | -0.0170 |
Airplane | -0.0133 | 0.0008 | 0.0028 |
Airplane[ | 0.0180 | 0.0061 | -0.0079 |
Peppers | 0.0128 | -0.0021 | -0.0056 |
Peppers[ | 0.0194 | 0.0194 | 0.0123 |
图像名称 | NPCR/% | UACI/% |
---|---|---|
Lena | 99.61 | 33.48 |
Lena[ | 99.61 | 33.55 |
Cameraman | 99.62 | 33.51 |
Cameraman[ | 99.62 | 33.70 |
Airplane | 99.61 | 33.47 |
Airplane[ | 99.62 | 33.58 |
Peppers | 99.62 | 33.40 |
Peppers[ | 99.58 | 33.35 |
表9 NPCR和UACI
Table 9 NPCR and UACI
图像名称 | NPCR/% | UACI/% |
---|---|---|
Lena | 99.61 | 33.48 |
Lena[ | 99.61 | 33.55 |
Cameraman | 99.62 | 33.51 |
Cameraman[ | 99.62 | 33.70 |
Airplane | 99.61 | 33.47 |
Airplane[ | 99.62 | 33.58 |
Peppers | 99.62 | 33.40 |
Peppers[ | 99.58 | 33.35 |
阶段 | 加法 | 乘法 | 其他 | 总运算 |
---|---|---|---|---|
1 | 12N | 18N | 5N | 35N |
2 | 5N | 14N | 9N | 28N |
3 | 4N | 4N | 3N×log2N | 8N+3N×log2N |
表10 各阶段计算次数
Table 10 Number of calculations for each stage
阶段 | 加法 | 乘法 | 其他 | 总运算 |
---|---|---|---|---|
1 | 12N | 18N | 5N | 35N |
2 | 5N | 14N | 9N | 28N |
3 | 4N | 4N | 3N×log2N | 8N+3N×log2N |
算法 | 时间复杂度 |
---|---|
文献[28] | O(N2) |
文献[29] | O(N2) |
本文算法 | O(N×log2N) |
表11 时间复杂度
Table 11 Time complexity
算法 | 时间复杂度 |
---|---|
文献[28] | O(N2) |
文献[29] | O(N2) |
本文算法 | O(N×log2N) |
参数 | 数值 |
---|---|
信号长度 | 65536 |
信道 | AWGN |
调制方式 | QPSK |
分块尺寸 | 32×32 |
s1, s2, s3, s4, s5 | [0.3, 0.4, 0.1, 0.2, 0.5] |
r1, r2, r3, r4, r5 | [0.2, 0.1, 0.3, 0.6, 0.3] |
m0, m1, m2, m3 | [1, 3, 4, 6] |
n0, n1, n2, n3 | [2, 3, 1, 5] |
表12 系统仿真参数
Table 12 System simulation parameters
参数 | 数值 |
---|---|
信号长度 | 65536 |
信道 | AWGN |
调制方式 | QPSK |
分块尺寸 | 32×32 |
s1, s2, s3, s4, s5 | [0.3, 0.4, 0.1, 0.2, 0.5] |
r1, r2, r3, r4, r5 | [0.2, 0.1, 0.3, 0.6, 0.3] |
m0, m1, m2, m3 | [1, 3, 4, 6] |
n0, n1, n2, n3 | [2, 3, 1, 5] |
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doi: 10.1109/OJCOMS.2021.3103735 URL |
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