基于DNA计算和超混沌系统的明文关联图像加密算法研究

Currently, a hot direction in the field of information security focuses on the digital image encryption based on DNA computing and chaotic system. In some of the existing research results, DNA computing used is essentially the binary “add, modulus and XOR” operation, and the secret code steams for encrypting the plain images are only related with the secret keys and unrelated with the plain images, which makes these encryption systems vulnerable against the chosen/known plaintext attacks. .This project is planning to carry out a new study based on our early research results on plaintext related chaotic image encryption algorithm to mend the loopholes of the foresaid encryption systems. The project will start from the construction of novel DNA computing algorithm and then design the pseudo-random number generating algorithm of combining DNA computing with hyper-chaotic systems. After that, the project will study the hash generating algorithm based on fusing the information of plain images and pseudo-random sequences, and devise the algorithm of hash code controlling the ‘enzyme’. Consequently, the project study the digital image encryption algorithm based on the simulation of biological information processing. So this project focuses on the study of the parallel and fast biology engineering image encryption algorithm, and ensures that the proposed algorithm can resist the existing six passive attack methods effectively. The research outputs are mainly used in the information security fields, such as network communications, satellite communications, information storage, e-commerce and etc., and also have a certain value in the state information security fields, such as military information, financial information, electronic warfare and etc.

目前信息安全研究领域的一个热点方向是基于DNA计算与混沌系统的数字图像加密研究。现有的一些研究成果中，使用的DNA计算本质上是二进制数的“加、取模和异或”运算，并且用于加密明文图像的密码流仅受系统密钥控制，与明文图像无关，使得这类加密系统不能有效地对抗选择/已知明文攻击。. 拟在前期明文关联的混沌图像加密算法研究的基础上，针对上述加密系统的不足，从构造新的DNA计算算法入手，研究组合DNA技术和超混沌系统产生伪随机序列的算法，研究融合明文信息与伪随机序列的Hash算法，设计Hash码对“生物酶”的控制算法，从而研究模拟生物信息处理的数字图像加密算法。该项目旨在研究基于超混沌系统的并行快速生物工程图像加密算法，且能有效地对抗现有的六类被动攻击方法。研究成果可应用于网络通信、卫星通信、信息存储和电子商务等信息安全领域，在军事、金融信息和电子对抗等国家机密信息安全领域也有一定的应用价值。

互联网技术和高速通信技术的发展，使得信息安全成为人类社会面临的重要难题。图像加密技术是保障公用信道上传输的图像信息安全的最有效方式，现已成为多媒体信息安全领域的研究热点。在最新的图像密码技术研究成果基础上，项目团队研究了明文关联的数字图像密码技术，其中的重要研究内容和突出成果表现为：（1）提出了借助于混沌系统生成伪随机序列的逐级迭代算法，该算法使得图像密码系统可以使用任意长度的密钥，并且生成的混沌伪随机数序列具有优良的统计特性，均可通过SP800-22的伪随机数标准测试；（2）提出了“遮盖——置乱——扩散——扩散”和“扩散——置乱——扩散”的新型图像密码系统结构，在这类新型结构中，没有循环结构，且只有置乱与明文关联，从而极大地提升了图像加密/解密的速度；（3）提出了加密算法与解密算法共享的统一图像加密系统，这类图像密码系统具有完全相同的加密与解密算法，可以有效地节约一半的计算机软硬件资源，并可以有效地节约一半的伪随机数资源；（4）提出了基于整数卷积算法的图像加密技术，这类图像密码系统借助于加窗的卷积运算实现图像信息的扩散处理，有效地提升了图像加密与解密速度；（5）提出了关联的DNA计算算法，在此基础上研究了基于DNA计算的图像密码系统，这类图像密码系统完全抛弃了现有的DNA编码方法和二进制计算方法，适合于在未来DNA计算机上进行图像加密与解密处理，具有极高的安全性能；（6）深入研究了AES工作在CBC模式下的图像加密系统，编写了基于C#语言的计算机程序，并以此作为衡量基于混沌系统的图像密码系统的性能的参照标准。. 在上述这些研究内容的基础上，项目团队基于Visual Studio 2019使用C#语言设计了图像加密系统软件，并申请了软件著作权，为研究成果的应用推广作好准备工作。同时，研究成果丰富了图像密码学的内容，特别是项目团队提出的统一图像密码系统，拓展了图像密码学的研究新思路和新方向，具有重要的理论和应用研究价值。