一种基于多层复杂网络的混沌保密通信系统和方法

本发明属于混沌保密通信，更具体地，涉及一种基于多层复杂网络的混沌保密通信系统和方法。

背景技术：

1、随着工业互联网的迅猛发展，涉及到的数据种类和数量也呈指数级增长。其中包括了诸如生产计划、工艺参数、设备状态等敏感信息，一旦这些信息泄漏，可能导致生产中断、商业竞争力下降甚至知识产权损失。因此，保密通信在工业互联网中存在广泛应用场景，首先体现在数据传输的安全性，通过采用先进的加密算法和通信协议，可以有效防范数据被恶意截获、篡改或窃取的风险。其次，在工业设备之间建立起安全可信任的通信通道，确保信息在传输的过程中不受到干扰，从而保障实时控制和监测的准确性。同时，大数据时代背景下图像、视频、声音等多媒体信息在网络传输中的比例正迅速增长，由于这些数据信息量很大，计算机的计算速度、存储容量等要求较高，使用传统的加密方法难以实现快速高效的加密。为了解决这一问题，研究者一直在寻找新的加密方式来提高信息安全性。

2、一方面，混沌具有初值敏感性、空间混杂性、断续周期性等特征，有利于增加传输信号的复杂性，这对于提升保密通信的抗频谱分析、抗破解能力等系统性能具有重要意义。另一方面，复杂网络具有小世界和无标度等特性，网络的复杂性体现在以下几个方面。首先，网络的连接结构复杂；其次，网络的节点之间可能具有相同的或不同的动力学；另外，相互连接的节点相互之间的作用使得节点本身的动力学特性更加复杂。如何结合混沌以及复杂网络的特性来提高保密通信系统的复杂度成为无线通信环境亟待解决的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于多层复杂网络的混沌保密通信系统和方法，其目的在于，首先考虑到利用混沌序列的高参数敏感性来实现信息加密安全性强，其次利用两组异质的混沌网络来增加混沌信号的复杂性，进一步提升通信安全性，最后还涉及使用混沌网络广义同步的方式来降低噪声对混沌加密的影响；由此解决如何结合混沌以及复杂网络的特性来提高保密通信系统的复杂度的技术问题。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于多层复杂网络的混沌保密通信系统，包括：

3、发射端，包括预处理模块、第一混沌驱动网络和第二混沌驱动网络；所述预处理模块，用于利用随机序列seq对相同长度的二进制原始明文message进行置乱，得到二进制的信息序列m；所述第一混沌驱动网络，用于加密所述信息序列m得到第一混沌序列；所述信息序列m中元素为所述第一混沌驱动网络的系统参数；所述第二混沌驱动网络，用于加密所述随机序列seq得到第二混沌序列；

4、接收端，包括第一同步控制器、第二同步控制器、第一混沌响应网络、第二混沌响应网络和后处理模块；所述第一同步控制器，用于当所述信息序列m中第l位二进制数m(l)＝0时控制所述第一混沌驱动网络和所述第一混沌响应网络同步，当第l位二进制数m(l)＝1时控制所述第一混沌驱动网络和所述第一混沌响应网络不同步；所述第二同步控制器用于控制所述第二混沌响应网络和所述第二混沌驱动网络达到完全同步；所述第一混沌响应网络用于根据所述第一同步控制器的同步误差的数值与预设阈值的大小关系解密所述第一混沌序列得到第一解密信息所述第二混沌响应网络用于解密所述第二混沌序列得到第二解密信息seq；所述后处理模块用于利用所述第一解密信息和所述第二解密信息seq反向恢复得到解密信息message*。

5、在其中一个实施例中，所述第一混沌驱动网络采用统一混沌系统，所述第一混沌响应网络采用lorenz混沌系统；所述第一同步控制器的控制律表达式为：

6、其中，i为节点序号，i＝1,2,...,n；n为第一混沌驱动网络的节点数目；ui1,ui2,ui3均为第一同步控制器的状态变量；xi1,xi2,xi3分别为所述第一混沌驱动网络输出的混沌数据；yi1,yi2,yi3分别为所述第一混沌响应网络输出的混沌数据；ei＝(ei1,ei2,ei3)t表示所述第一混沌驱动网络和所述第一混沌响应网络之间存在的广义同步误差，第一误差参量ei1＝yi1-d1xi1，第二误差参量ei2＝yi2-d2xi2，第三误差参量ei3＝yi3-d3xi3，d1,d2,d3为第一同步控制器的三个参数，h1,h2,h3为预设常数且h1≥0,h2≥0,h3≥0。

7、在其中一个实施例中，所述第一同步控制器的三个参数d1,d2,d3随周期更新，记为d1(k),d2(k),d3(k)；

8、第1个周期对应的参数d1(1),d2(1),d3(1)通过预先设置；

9、第k个周期的参数表示为：ds(k)＝mod(temp(s),r)+1；

10、其中，s为参数序号，取值1、2、3；中间参量temp(1)、temp(2)和temp(3)为：bin2dec(·)表示将二进制数字转换成十进制数字，mod(temp(s)，r)表示temp(s)对常数r取余数，dlen＝floor(n/3)，floor(·)表示向下取整运算。

11、在其中一个实施例中，所述第一混沌响应网络用于计算第k个传输周期内时段区间[(k-1)t+δt,kt]的同步误差ei(t)的积分其中时间间隔δt、周期t为预设常数；

12、若则第i个节点的解密信息为若则第i个节点的解密信息为阈值eth为预设常数；

13、将各节点的解密信息按照节点优先的顺序排列，选取序列中位置处于[1,length]之间的数据作为所述第一解密信息length为所述信息序列m长度。

14、在其中一个实施例中，所述第二混沌驱动网络和所述第二混沌响应网络均采用忆阻混沌系统；所述第二混沌驱动网络用于将所述随机序列seq融入自身网络参数当中并进行参数调制得到所述第二混沌序列；

15、所述第二混沌驱动网络中第i个节点的第r个参数air的相关映射函数为：

16、

17、其中，r为参数序号，r＝1,2,3,4，maxr,minr为预设常数，所述映射函数将air的取值范围限定为[minr,maxr]，p为序列seq中元素的最大值；q为序列seq中元素的最小值。

18、在其中一个实施例中，所述第二同步控制器的控制律表达式为：

19、

20、参数自适应律为：

21、其中，i代表所述第二混沌响应网络的节点序号，i＝1,2,...,m；m为第二混沌驱动网络的节点数目；ui1,ui2,ui3,ui4均为所述第二同步控制器的状态变量；四个状态误差分别表示为：ei1＝yi1-xi1，ei2＝yi2-xi2，ei3＝yi3-xi3，ei4＝yi4-xi4；xi1,xi2,xi3,xi4分别为所述第二混沌驱动网络输出的混沌数据；yi1,yi2,yi3,yi4分别为所述第二混沌响应网络输出的混沌数据；中间变量和分别为常数h1,h2,h3,h4≥0，常数k1,k2,k3,k4＞0。

22、在其中一个实施例中，所述第二混沌响应网络用于利用进行解密得到第二解密信息seq：i为第二混沌响应网络的节点序号，round(·)表示四舍五入取整操作。

23、在其中一个实施例中，所述后处理模块基于所述第一解密信息和所述第二解密信息seq，利用公式反向恢复得到解密信息message*，l表示序列序号，l＝1,2,...,length，length为所述信息序列m的总长度。

24、在其中一个实施例中，所述第一混沌驱动网络和所述第一混沌响应网络的节点数相等，节点数n≥4；

25、所述第二混沌驱动网络和所述第二混沌响应网络的节点数相等，节点数m与信息序列m长度length的关系为：其中函数ceil(·)表示向上取整。

26、按照本发明的另一方面，提供了一种基于多层复杂网络的混沌保密通信方法，应用于上述混沌保密通信系统，包括：

27、在发射端执行的操作包括：利用随机序列seq对相同长度的二进制原始明文message进行置乱，得到二进制的信息序列m，将所述信息序列m输入第一混沌驱动网络进行加密得到第一混沌序列，将所述随机序列seq输入第二混沌驱动网络进行加密得到第二混沌序列；其中，所述信息序列m中元素为所述第一混沌驱动网络的系统参数；

28、在接收端执行的操作包括：当第l位二进制数m(l)＝0时所述第一同步控制器控制所述第一混沌驱动网络和所述第一混沌响应网络实现同步，当m(l)＝1所述第一同步控制器控制所述第一混沌驱动网络和所述第一混沌响应网络不同步，再利用所述第一混沌驱动网络根据所述第一同步控制器的同步误差的数值与预设阈值的大小关系对所述第一混沌序列进行解密得到第一解密信息利用所述第二同步控制器使得第二混沌响应网络和所述第二混沌驱动网络达到完全同步，并利用所述第二混沌驱动网络对所述第二混沌序列进行解密得到第二解密信息seq，利用所述第一解密信息和所述第二解密信息seq反向恢复得到解密信息message*。

29、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

30、(1)本发明提供一种基于多层复杂网络的混沌保密通信系统，首先、在其发射端设置有用于加密的第一第二混沌驱动网络，在接收端对应设置用于解密的第一第二混沌响应网络，考虑到利用混沌序列的高参数敏感性来实现信息加密安全性强。其次，各个混沌驱动网络和混沌响应网络均包括多个节点，结合两层网络节点数量巨大、连边关系多样的特点设计通信系统，可以提高系统整体架构复杂性。再次、在接收端设置的第一同步控制器根据当前所在链路传输的二进制信息控制第一混沌驱动网络和第一混沌响应网络达到广义同步，基于复杂网络的广义同步，通过判断对应节点间的误差判断传输信息为0或1，提高了噪声鲁棒性。最后、利用第二混沌驱动、响应网络传输的随机序列，即使第一混沌驱动、响应网络被破解，也无法在缺失随机序列的情况下完成数据恢复，进一步提高了系统安全性。

31、(2)本方案中第一同步控制器的控制律分别为：

32、可以实现当所述信息序列m中第l位二进制数m(l)＝0时控制所述第一混沌驱动网络和所述第一混沌响应网络实现同步，当第l位二进制数m(l)＝1时控制所述第一混沌驱动网络和所述第一混沌响应网络不同步。

33、(3)本方案中所述第一同步控制器的三个参数d1,d2,d3随周期更新，第k个周期的参数表示为：ds(k)＝mod(temp(s),r)+1；temp(s)对常数r取余数之后加1的运算是为了避免出现ds(k)＝0从而导致不满足广义同步条件；可以在控制所述第一混沌驱动网络和所述第一混沌响应网络实现广义同步的同时增强通信安全性。

34、(4)本方案中第一混沌响应网络利用计算第k个传输周期内时段区间[(k-1)t+δt,kt]的同步误差ei(t)的积分值，在每个传输周期的信息解密依赖于前一个传输周期的信息，提高了攻击者破密的难度。

35、(5)本方案中所述第二混沌驱动网络用于将所述随机序列seq融入自身网络参数当中并进行参数调制得到所述第二混沌序列；加密方式操作简单但能够实现较高的计算复杂度，从而提升通信安全性。

36、(6)本方案提供了一种优选的第二同步控制器的控制律表达式，其可以使第二混沌驱动网络和第二混沌响应网络达到完全同步，且其控制参数也可以自适应更新，从而提升通信安全性。

37、(7)本方案为所述第二混沌响应网络提供了一种优选的解密方式，利用进行解密得到第二解密信息seq，可以针对不同参数设置不同取值范围，降低了参数泄露风险。

38、(8)本方案中基于所述第一解密信息和所述第二解密信息seq，利用公式反向恢复得到解密信息message*，增加了两个系统的耦合联系，综合提高整个系统的安全性能。

39、(9)本方案中发送端和接收端的节点动力学不必保持一致，增加了设计的灵活性和系统的广泛适用性。

40、(10)本方案中在其发射端利用第一第二混沌驱动网络进行待传输的信息序列和随机序列的加密，在接收端利用第一第二混沌响应网络对应解密，考虑到利用混沌序列的高参数敏感性来实现信息加密安全性强。其次，在接收端利用第一同步控制器根据当前所在链路传输的二进制信息控制第一混沌驱动网络和第一混沌响应网络达到广义同步，基于复杂网络的广义同步，通过判断对应节点间的误差判断传输信息为0或1，提高了噪声鲁棒性。最后、利用第二混沌驱动、响应网络传输的随机序列，即使第一混沌驱动、响应网络被破解，也无法在缺失随机序列的情况下完成数据恢复，进一步提高了系统安全性。