基于混沌映射的数据库信息隐私加密储存算法.pdf
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1、文章编号5896(2023)03-0459-06Journal of JilinInformationScience EditionMay20232023年5月No.3Vol.41吉林大学学报(信息科学版)第3期第41卷基于混沌映射的数据库信息隐私加密储存算法熊爱明,李明倩,刘芳2(1.武汉城市学院实验实训中心,武汉430 0 8 3;2.武汉大学计算机学院,武汉430 0 7 2)摘要:针对数据库信息隐私易受到非法攻击,安全性较低且储存空间较少的问题,提出基于混沌映射的数据库信息隐私加密储存算法。通过扰动Logistic混沌映射控制参量生成混沌序列,将该序列与其他系统生成的混沌序列混合产生新
2、的混沌序列,然后通过动态编码算法进行非线性变换。将输出序列作为数据库明文密钥加密明文,构建用于数据库加密信息查询索引字段并通过哈希函数压缩,与加密信息共同储存于数据库中,实现可查询的混沌映射数据库信息隐私加密储存。实验结果表明,采用所提方法能缩短加、解密用时,减少空间占用,降低算法能耗。关键词:混沌映射;数据库;加密储存;混沌序列扰动;哈希函数中图分类号:TP309.7文献标志码:AEncryption Storage Algorithm for Database InformationPrivacy Based on Chaos MappingXIONG Aiming,LI Mingqian
3、,LIU Fang?2(1.Research and Training Center,Wuhan Institute of City,Wuhan 430083,China;2.School of Computer Science,Wuhan University,Wuhan 430072,China)Abstract:Information privacy of database is vulnerable to illegal attacks.It has low security and less storagespace.In order to solve the problems an
4、 encryption storage algorithm database information privacy for based onchaotic mapping is proposed.The chaotic sequence is generated by disturbing the control parameters of Logisticchaotic mapping,and the sequence is mixed with the chaotic sequence generated by other systems to generate anew chaotic
5、 sequence.Then,the non-linear transformation is carried out through the dynamic coding algorithm.The output sequence is used as the database plaintext key to encrypt the plaintext.The index field for databaseencryption information query is constructed,compressed by hash function,and stored in the da
6、tabase togetherwith the encrypted information realizing the information privacy encrypted storage of searchable chaotic mappingdatabase.The experimental results show that the proposed method can shorten the time of encryption anddecryption,reduce the space occupation and reduce the energy consumptio
7、n.Key words:chaotic map;database;encrypted storage;chaotic sequence disturbance;hash function0引言数据库作为数据共享的重要媒介1-2】,使其成为最易受到非法人侵者攻击的目标之一,因此对数据库的安全性提出了更高要求。数据泄露和篡改是最为常见的数据库安全问题3,会导致数据保密性、完整性和可用性遭到破坏,如何通过科学有效技术手段保障数据安全储存是国内外信息安全领域的重要课题康海燕等4 改进对称加密算法建立改进的双重DES加密算法(IBDES:Imp r o v e d Bi D ESe n c r y p
8、t i o n收稿日期:2 0 2 2-0 5-17基金项目:国家自然科学基金资助项目(6 2 0 7 2 346)作者简介:熊爱明(198 2 一),男,湖北黄冈人,武汉城市学院实验师,主要从事实验室管理、大数据应用分析研究,(Tel)86-13871195642(E-m a i l)332 7 6 2 7 46 q q.c o m;刘芳(198 0 一),女,湖北钟祥人,武汉大学副教授,主要从事深度学习与大数据研究,(Tel)86-13784327002(E-mail)。第41卷吉林大学报(信息科学版)460algorithmbasedonTriDESand ISKDES)用于提高加密安全
9、性,改进非对称加密算法构建增强质数判断的RSA算法(EPNRSA:RSA a l g o r i t h m b a s e d o n En h a n c e d Pr i m e Nu m b e r d e c i s i o n)用于保障加密质量,将两者相混合,用于数据库信息隐私加密储存。黎琳等5 将同态密码体制和数据库外层加密算法相结合作为算法的主要框架,重写结构化查询语言数据库(SQL:St r u c t u r e d Q u e r y La n g u a g e s e r v e r d a t a b a s e)表达式为重加密表达式形式,实现数据库信息隐私加密储存
10、。孙泽等6 以安全索引为基础,构建保序加密和非确定性加密结合的数据库结构,采用语义安全的非确定性加密算法和同态加密混合技术实现数据库信息隐私加密储存。但以上方法构建的索引字段过于繁琐,存在加、解密用时长、空间占用多、算法能耗高的问题为解决上述方法中存在的问题,笔者提出基于混沌映射的数据库信息隐私加密储存算法。1基于混沌映射的数据库信息加密算法混沌现象是存在于确定性动态系统中的类似随机不规则运动过程7 ,该系统表现出不可预测、重复和分解等特性,使其非常适合作为加密算法使用。Logistic 混沌映射是典型且最常用的非线性混沌映射之一8 ,其映射系统如下:Zn+1=bhz,(1-zn),(1)其中
11、参数zn,z n+1E0,1,b,表示Logistic控制参量,在确定b,取值的情况下,输人初始值zo,经过迭代即可得到确定的时间序列z1,z2,,z n。当b取不同值时,式(1)映射系统会表现出不同的特性,在b,不断递增过程中,式(1)映射系统经过不断倍周期分叉,使系统达到混沌。当bn=4时,式(1)映射系统生成的序列(z,运动型形式具有随机、规律、遍历、敏感和分形性性质。随机性是映射系统在允许迭代次数内不稳定运动,之后映射系统长时间动态行为会表现出随机性;虽然(z,)表现出随机性,但(z,是由式(1)映射系统生成的,在输人确定z时已经能确定输出的zn,即映射系统具有内在随机性同时具有规律性
12、;混沌变量会依据其自身规律在一定范围内不重复的遍历全部状态,即映射系统遍历性;z极小改变会引起最终序列z,远期行为的极大差别,说明映射系统对初始值具有极高的敏感性;混沌的奇异吸引子在微小尺度上与具有整体自相似的几何结构,即分形性。混沌加密系统的关键是随机数的生成9】,为避免混沌流密码受到非法攻击,通常将两个低维混沌映射系统混合迭代,借助编码算法和动态交换表非线性变换,从而输出伪随机序列作为数据库明文加密的密钥10 ,混沌加密系统基本模型如图1所示。在理想状态下,混沌系统状态应具有无限不重复特性,但因为计算机精度和字长限制,混沌系统在现实中的应用往往无法到达理想状态,序列经迭代会逐渐与预设混沌轨
13、道偏离。假设存在精度为H的混沌序列,则其周期必定小于或等于2 。为更好地将混沌系统应用于数据库加密,必须解决其有限精度效应问题。基于混沌映射的数据库信息隐私加密储存算法通过扰动Logistic控制参量b,和变量,产生混沌序列,Logistic混沌映射系统扰动方程如下:初始值初始值混沌系统1扰动序列混沌系统2UnV编码算法初始序列动态交换表密钥序列明文工异或密文图1混沌加密系统基本模型Fig.1Basic model of chaotic encryption systemZn+1=bnzn(1-zn)+n,(2)将Logistic映射生成的序列与其他系统生成序列相结合,依据一定规则选取随机参数
14、作为混沌系统扰动序列1,其原理如图2 所示。在整个混沌系统中,混沌系统1和2 分别为主、辅混沌系统,两者分别生成混沌序列U,和Vn,U,是系统初始密钥序列,V,用于提取扰动序列。为了提升混沌加密系统的整体周期性,需要同时扰动主、辅混沌系统,扰动序列的提取基于U,和V,,采用编码法生成混沌序列,算法主要流程如下:1)设定主、辅混沌系统初始参数,舍弃前若干次迭代生成的序列,用un和u,表示舍弃后主、辅混沌系统的混沌序列;变熊爱明,基于混沌映射的数据库信私加密储存算法461第3 期2)分别在un和u中提取m/2位数字,m为偶数,用P1,P2,,Pm/2 和q1,92,,9m/2 表示提取出的数字,依
15、据密钥设定规则将两者构成序列R=T,2,m/2 ,若ri=0,则放弃该序列,通过继续迭代或修改规则获取新序列;3)根据序列ie1,n获取下次迭代所需扰动变量b,和,,用表示密钥设定的系统参数,;ER,则b,和,如下:初始值初始值混沌系统1扰动序列混沌系统2S混沌序列V编码算法图2混沌序列扰动原理Fig.2The principle of perturbationof chaotic sequencemT;102-iZr:10-i-b2(b2-bl),b2-b1(3),=8 p n +(1-)q n,b1=3.569 945 68,Lb2=4。4)采用步骤3)中得到的b,和,继续迭代混沌系统,为
16、使输出结果保持在指定范围内,对其做如化bnp,(1-pn)+An,bhpn(1-pn)+,1,Pn+1(4)bup,(1-pn)+,-Lb p,(1-p n)+,J,(bhp,(1-pn)+,1,从而获取下一次混沌序列。5)采用与以上相同的方法获取qn的混沌序列。通过以上方法生成混沌序列,作为数据库明文加密密钥,保障数据库信息的隐私和安全。2数据库加密信息储存为保障数据库信息隐私储存的安全性,对信息加密是一种科学有效的方法,但加密算法会使数据库中信息的某些固有属性产生变化,导致传统明文数据库的SQL查询算法在密文数据库中失效12 。因此储存数据库加密信息时不但要保障数据的安全性,同时也要考虑数
17、据库密文数据的可查询性。用R(Pi,,P,,,Pm)表示传统关系模式,其中,P,表示隐私信息字段,其余表示普通信息字段,P,表示经过混沌映射加密的隐私信息字段,P,表示用于数据库加密信息查询的索引字段,则加密后数据库存储关系模式为R(PI,,PF,,Pm,P)。数据库加密信息查询的索引字段构建需要遵循高效率查询和高安全性两个要求。依据数据库加密表中信息敏感属性构建敏感字段关系矩阵,矩阵中包括字符、头尾字符和字符邻接关系3种信息,用W=(w 1,w 2,,w.)表示任意字符集合,表示字符总数。表示W中任意字符串,构建的布尔矩阵G13,即敏感字段关系矩阵如下:11(5)G3)1其中0,表示字符串相
18、关参数,G的首行表示信息,包含字符对应位置记作1,即首行中1个数为包含字符总数,由G的第2 行到第r+1行为的邻接关系,包含的有序对偶集合对位置记作1,G的末尾两行为的首尾字符信息,字符对应位置记作1。假设存在字符全集(a,b,c,d和字符串aadbc,则aadbc对应的敏感字段关系矩阵如下:moc经第41卷462吉林大学学报(信息科学版)111110000101G=0000(6)00101000010采用矩阵G能描述字符串属性特征,但直接用其作为做索引字段过于繁琐,会造成大量的空间开销。因此引入h个均匀分布的哈希函数压缩G14,对1出现的位置h次哈希变换,映射至一组一维比特串的若干位置上15
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