一种基于链环代数 S 盒、罗斯勒扩散和 4 维超混沌置换的安全多层音频加密方案

《Scientific Reports》：A secure multilayer audio encryption scheme based on chain ring algebraic S-boxes, R?ssler diffusion, and 4D hyperchaotic permutation

　　摘要数字音频的安全传输需要加密技术来保护音频信息免受不同类型密码分析攻击的威胁。现有的基于混沌的音频加密方法通常采用基于常规GF(2^8)的替换表（S盒），并使用单一的低维混沌系统同时实现扩散和置换，这限制了可实现的非线性混淆能力和加密过程的整体不可预测性。本研究利用有限交换链环R_13=F_2[x]/?x^13?——一种此前未用于双S盒设计的8192元素结构——构建了两个8×8的S盒。通过从环结构到GF(2^8)的双射映射，再结合射影线性分式变换，获得了所提出的S盒。将这些S盒整合到一个三阶段音频加密方案中，该方案由基于R?ssler系统的XOR扩散、4D Lü超混沌置换和双S盒替换组成，其中扩散和置换分别来源于两个独立的混沌系统而非一个。通过非线性度、熵、相关性、NPCR、UACI、密钥灵敏度、NIST及计算分析等多种指标，对不同音频信号下的所提方法进行了评估。所构建的S盒非线性度达到112，差分近似概率低至0.0148。加密音频的熵值最高可达15.8999比特，相关值低至-0.0017，NPCR值高达99.6783%，UACI值接近33.4%，并完全通过NIST SP 800-22随机性测试套件。对28秒音频文件的加密仅需0.2855秒。结果表明，将链环S盒与混沌扩散及超混沌置换相结合，可在保持实际可行计算效率的同时，为16位音频加密提供强大的混淆和扩散能力。