对于数据加密来说,加密算法的安全性是不可忽视的,当然对于加密算法来说也有一定的基本准则,这个准则是混乱和扩散。当然一些加密流程的设计也是采用的循环迭代结构,每轮加密过程中均设计替换和置乱的基本操作。
基于灰度替换或者基于像素置乱的加密模式虽然无法保证设计的加密算法的安全性,但是这二个加密模式分别对应替换和置乱二个基本操作,这二个基本操作是实现混乱和扩散的基本方式,每轮加密过程中均涉及替换和置乱的基本操作。借鉴分组密码体制设计采用的循环迭代结构,研究者提出了多种基于不同混沌系统的循环迭代结构图像加密算法,其的基本结构如图所示:
这类基于像素位置置乱操作设计的图像加密算法存在的二个主要问题是:首先,置乱变换均存在周期性,导致加密算法的安全性无法有效保障;其次,设计的基于置乱操作的图像加密过程也是一种线性操作,不能抵御已知明文攻击和选择明文攻击。
采用循环迭代结构设计图像加密算法需要解决的关键问题包括:
1)轮密钥生成技术。采用循环迭代结构设计的加密算法需要进行多轮加密,每轮加密也需要用到多个不同的子密钥。因此,如何结合混沌系统设计具有良好随机性能的轮密钥是设计加密算法首先要解决的问题。目前,研究者提出了多种不同的轮密钥生成机制,如:基于循环移位操作的轮密钥生成机制,基于混沌系统和迭代计算的轮密钥生成机制等。
2)混沌伪随机序列生成技术。当前设计的加密算法中,像素灰度替换操作和像素位置置乱操作均基于伪随机序列来实现,生成性能良好的伪随机序列是实现加密算法安全的前提。当前,考虑到应用计算机进行迭代计算时有限精度效应的影响,产生的混度序列最终都将退化为周期序列,为了有效解决这一问题,研究者提出了多种不同的解决方案,如:基于随机扰动的伪随机序列生成算法,基于分段结构的伪随机序列生成算法,基于复合混沌系统的伪随机序列生成算法,结合LFSR和混沌系统的伪随机序列生成算法等,这些算法均较有效地改进了生成序列的相关性能。
3)加密反馈机制。在加密过程中,需要采用反馈机制,是明文消息对加密结果产生反馈,这样既能保证设计的算法对明文消息具有敏感性,也能的到更好的雪崩效应和安全性。同时,在设计反馈模式时,不仅需要考虑加密结果的安全性,还需要考虑解密过程的有效性和对称性。
由于当前对于图像加密算法的迭代反馈结构设计的并不具有很大的实用性,因此仍然是以后研究的中的重点。