CN101488852B - 基于m序列的IP语音隐蔽通信方法 - Google Patents

Abstract

基于m序列的IP语音隐蔽通信方法，属于安全通信领域，适用于以IP语音(Voice over IP，VoIP)技术为载体的通信，其目的是在维护VoIP语音实时性通信的基础上提高隐蔽通信的安全性能。本发明包括预先约定步骤，以下步骤包括：(1)通告参数步骤；(2)嵌入隐秘信息步骤；(3)提取隐秘信息步骤。本发明的加密方法是一种按位加密方式，可以将该操作“融入”到编码过程中，所需加密时间主要取决于线性移存器所采用的阶数，对于VoIP系统延时影响几乎可以忽略不计，因此，本发明不仅适用于大块隐秘数据的传输，对于突发的隐秘数据传输也具有很好的性能。

Description

基于m序列的IP语音隐蔽通信方法

技术领域

本发明属于安全通信领域，特别涉及一种基于m序列的IP语音隐蔽通信方法，适用于以IP语音(Voice over IP，VoIP)技术为载体的通信。

背景技术

Internet技术的迅速发展极大地改变了人类的生产和生活方式。它为人类带来了巨大的好处，同时也为人类带来了各种安全的风险和隐患。人们开始关心网上的消息来自何方、送到何处，消息的保密性、真实性、完整性，通信对象的可信赖性以及个人隐私的保护等。简而言之，就是在开放的Internet环境下，如何进行安全通信的问题。作为维护安全通信的传统措施，信息加密技术是将明文经过一定的处理转变为毫无意义的密文从而保护信息的安全。换句话说，信息加密技术旨在隐藏消息的内容，攻击者即使知道其存在，但难于提取其中的信息。然而，密文所表现出来的随机性，往往使得攻击者易于察觉加密通信的存在，尽管无法提取隐秘消息，但是有可能导致攻击者恶意中断通信。信息隐藏技术是近些年引起普遍关注的一项隐蔽通信技术。它是利用人类感觉器官的不敏感性(感觉冗余)，以及多媒体数字信号本身存在的冗余(数据特性冗余)，将信息隐藏于一个可公开的载体媒体信息中，在不影响载体媒体信息的感觉效果和使用价值的前提下，使得隐秘信息不被察觉。相比于加密技术，它不仅隐藏了隐秘信息的内容，而且掩盖了隐秘信息存在的事实，从而为隐秘信息提供了更好的安全保护。

从现有文献来看，对于信息隐藏的研究主要集中于存储媒体，如图像、音频、视频等，而对于以实时的流媒体为载体的信息隐藏的研究却寥寥无几。然而事实上，流媒体的瞬时性使得攻击者往往不能有足够的时间检测隐蔽通信的存在，从而为隐蔽通信提供了更为安全的保护。同时，由于对于流媒体的信息隐藏往往会增加其通信延迟，而过大的延迟会损害流媒体的通信质量并使得隐蔽通信易于暴露，因此，不同于存储媒体，基于流媒体的信息隐藏技术往往需要在隐蔽通信的安全性需求和流媒体通信的实时性需求之间保持平衡。

Internet协议语音(Voice over IP，VoIP)是一种典型的流媒体通信技术，它依托于Internet网络连接，为用户提供了一种实时的语音通信手段。随着Internet技术和语音编码技术的发展，Voice over IP以其费用低、通信灵活等特点，和传统公众电话网(Public-Switched Telephone Network，PSTN)一起成为了人们主要的通话媒介。从而，研究基于VoIP的隐蔽通信技术也成为了一个富有挑战性和实用性的课题。迄今为止，已有多个研究机构对此项课题进行了研究。台湾国立暨南大学的Chungyi Wang等尝试将秘密语音嵌入到载体语音中进行传输，见Chungyi Wang，QuingcyWu.Information Hiding in Real-Time VoIP Streams，Proceedings of the 9thIEEE International Symposium on Multimedia，10-12 Dec.2007，pp.255-262。其过程可简单描述为：(1)将秘密语音压缩编码；(2)将编码后的语音比特流嵌入到载体语音的最低有效位(Least Significant Bits，LSB)。该技术旨在保护隐蔽传输的秘密语音。德国马德堡大学的JanaDittmann等人提出一种更为一般性的隐蔽通信技术，它可将任意的隐秘信息嵌入到载入语音，见J.Dittmann，D.Hesse，etc.Steganography andsteganalysis in voice over IP scenarios：operational aspects and firstexperiences with a new steganalysis tool set，Proceedings of SPIE，Vol.5681，Security，Steganography，and Watermarking of Multimedia Contents VII，March 2005，pp.607-618。该技术的核心是将隐秘信息的比特流直接嵌入到载体语音的最低有效位，同时，其所提出的隐蔽通信检测算法能够有效的检测出这种隐蔽通信，成功率达到了98.60％，而该检测算法对于隐秘信息加密后嵌入的通信方式却无能为力。为此，Dittmann等人认为，在嵌入前，对隐秘信息进行加密是一项增强安全性的有效措施。其后，他们引入了Twofish和Tiger加密技术对隐秘信息进行加密，见C.Kratzer，J.Dittmann，T.Vogel etc.Design and evaluation of steganography forvoice-over-IP，Proceedings of 2006 IEEE International Symposium onCircuits and Systems，21-24 May 2006，pp.2397-2340。尽管这一方式有效的提高了安全性，但是不难看出，这种传统加密方式将会给VoIP系统带来很大的通信延迟，而这种延迟给语音质量带来的损害，将使得隐蔽通信陷入另一个易于“暴露”的极端。因而，隐蔽通信技术必须维护安全性需求和通信实时性需求间的一个平衡。

发明内容

本发明提出一种基于m序列的IP语音隐蔽通信方法，其目的是在维护VoIP语音实时通信的基础上提高隐蔽通信的安全性能。

本发明引入m序列对隐秘信息进行安全保护。m序列是由线性移存器(Linear Feedback Shift Register，LFSR)产生的一种典型伪随机序列，由于它具有类似白噪声等特性，被广泛应用于CDMA等扩频技术。m序列的生成取决于线性移存器采用的三个参数：阶数D、初始状态IS和本原多项式。本发明将m序列与隐秘信息进行按位异或操作，利用m序列对隐秘信息进行流加密，同时消除隐秘信息间的相关性，以抵制“统计攻击”。本发明将线性移存器的阶数D、线性移存器的最初状态IS和即将传递的隐秘信息的长度LoM采用接收方公钥以约定的公钥加密算法E进行加密，将这些参数加密后的密文所占比特数LoH和该密文一起作为隐秘信息的头部。

本发明的一种基于m序列的IP语音隐蔽通信方法，包括预先约定步骤：通信双方约定，头部和加密后隐秘信息分开传递，且在传递头部和隐秘信息的首个Internet协议数据包的包头分别嵌入头部开始标志和隐秘信息开始标志；约定用于加密隐秘信息头部的公钥加密算法E且双方互相通告彼此采用的公钥；约定头部的传递顺序依次为LoH、头部数据的密文，并约定头部数据的密文长度LoH所占最大比特数；对于选定的语音编码，采用哪些最低有效位用于隐藏数据；约定所用于控制线性移存器的本原多项式；以下步骤包括：

(1)通告参数步骤：

发送方将线性移存器的阶数D、线性移存器的最初状态IS和即将传递的隐秘信息的长度LoM采用接收方公钥以约定的公钥加密算法E进行加密，将这些参数加密后的密文所占比特数LoH和该密文一起作为头部，在嵌入头部开始标志后，将所述头部替换后续语音包中所约定的既定语音编码的最低有效位，头部传送结束，进行步骤(2)；

(2)嵌入隐秘信息步骤：发送方在语音流中嵌入流加密后的隐秘信息，包括下述过程：

(2.1)流加密：发送方通过约定的本原多项式以及线性移存器的阶数D、线性移存器的最初状态IS，控制线性移存器生成一个m序列；将m序列与隐秘信息M进行按位异或操作从而完成对隐秘信息的流加密，得到M的密文形式M^*；所生成的m序列的周期为P＝2^D-1，m序列的一个周期记作X＝{x_j＝0或1|j＝0，1，…，P-1}；长度为LoM的隐秘信息表示为M＝{m_i＝0或1|i＝0，1，…，LoM-1}，则加密过程形式化表述为：

$M^{*}=\underset{i=0}{\overset{\mathrm{LoM}-1}{\mathrm{\Σ}}}{m}_i\⊕x_j;$

其中，j＝i MOD P，

表示异或操作；

(2.2)在嵌入隐秘信息开始标志后，将加密后的隐秘信息替换后续语音包中所约定的既定语音编码的最低有效位；

(3)提取隐秘信息步骤，包括下述过程：

(3.1)接收方监测Internet协议数据包包头中是否包含头部开始标志，是则根据约定的头部传递顺序，首先提取出LoH，继而提取其后的LoH比特的头部数据密文，进行过程(3.2)；否则按正常的VoIP语音通信处理，并继续监测Internet协议数据包包头中是否包含头部开始标志；

(3.2)接收方采用约定的公钥加密算法以自己的私钥解密头部数据密文，得到线性移存器的阶数D，线性移存器的最初状态IS，即将传递的隐秘信息的长度LoM；顺序进行；

(3.3)接收方监测Internet协议数据包包头中是否包含隐秘信息开始标志，是则从当前Internet协议数据包开始，从约定的最低有效位连续提取LoM比特数据，得到隐秘信息的密文形式M^*，进行过程(3.4)；否则按正常的VoIP语音通信处理，并继续监测Internet协议数据包包头中是否包含隐秘信息开始标志；

(3.4)接收方根据线性移存器的阶数D，线性移存器的最初状态IS，按照步骤(2)中过程(2.1)的加密方式，将M^*与生成的m序列按位执行异或操作进行解密，得到原隐秘信息M，结束当前通信，转过程(3.1)。

所述的基于m序列的IP语音隐蔽通信方法，其特征在于，所述步骤(2)中过程(2.1)流加密是实时的按位进行的，从第2位开始，与过程(2.2)并行执行。

所述的基于m序列的IP语音隐蔽通信方法，其特征在于，所述通告参数步骤和嵌入隐秘信息步骤中，头部开始标志和隐秘信息开始标志仅分别出现于开始传递头部信息和隐秘信息的首个Internet协议数据包。

本发明加密原理是：m序列的生成取决于线性移存器采用的三个参数：阶数D、初始状态IS和本原多项式。可以通过对这三个参数的保密而使得生成的m序列(密钥)不为第三方所知。阶数为n的线性移存器可以产生的m序列数量q(n)可由下式计算：

$q\left(n\right)=\frac{(2^n-1)\·\mathrm{\φ}(2^n-1)}{n};$

其中，φ(x)为欧拉函数，其计算式为：

$\mathrm{\φ}\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}1,& x=1\\ \underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Π}}}{p}_i^{e_i-1}\·(p_i-1),& x=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Π}}}{p}_i^{e_i}\end{array}\right.;$

式中，p_i(i＝1，2，…，m)均为素数，且两两不同。如果设定线性移存器的取值范围为1到N，则所有不同阶数的线性移存器共能产生的m序列的数量Q(N)可由下式计算：

$Q\left(N\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}q\left(n\right);$

换句话说，当设定线性移存器最大支持的阶数为N时，密钥(m序列)的取值空间为Q(N)。在申请人实现的系统中，设定线性移存器最大支持的阶数为60(N＝60)，那么密钥的取值空间约为1.4854×10³⁴。假设1纳秒获取一种密钥取值，则遍历该取值空间需要4.71×10²⁶年。因此，基于m序列加密方法能有效抵制“暴力破解”，具有较好的安全性。

本发明实现隐蔽通信的一个重要前提是必须维护VoIP的实时性。由于基于m序列的加密方法是一种按位加密方式，可以将该操作“融入”到编码过程中。所需加密时间主要取决于线性移存器所采用的阶数。申请人测试了采用不同的线性移存器阶数，加密每一位数据的平均时间。结果表明本发明所采用的基于m序列的加密方法对于VoIP系统延时影响几乎可以忽略不计，因此，本发明不仅适用于大块隐秘数据的传输，对于突发的隐秘数据传输也具有很好的性能。

附图说明

图1为本发明流程示意图。

图2为标识了未用字段的Internet协议数据包包头；

图3为本发明用于传递参数的头部结构；

图4为线性移存器的示意图；

图5为在采用不同线性移存器的阶数时，本发明对于每一位数据的平均加密时间的测试结果。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行一步说明。

本发明的处理流程如图1所示：包括预先约定步骤、通告参数步骤、嵌入隐秘信息步骤和提取隐秘信息步骤。

1.预先约定步骤中，通信双方预先约定：(1)头部和加密后隐秘信息分开传递，其中，头部用于传递隐蔽通信的相关参数，且在传递头部和隐秘信息的首个Internet协议数据包的包头分别嵌入头部开始标志和隐秘信息开始标志。其理由如下：VoIP构建于IP技术之上，所有的语音帧都是封装在Internet协议数据包中进行传递。然而，Internet协议数据包的包头存在着很多未用比特，如图2阴影字段所示，累计共有64bit。因此，可以将头部开始标志(Beginning of Header，BoH)和隐秘信息开始标志(Beginning of Message，BoM)按事先协商的方式“隐藏”到Internet协议数据包头中。一般可将开始标志设置成长度为2～8比特的比特序列，且该比特序列和嵌入位置都可以随时间而变化，因此，攻击者几乎不可能察觉该开始标志信息的传递，从而保证了开始标志信息传输的安全性。为维护同步，发送方应在包含头部信息和隐秘信息的首个Internet协议数据包的包头分别嵌入头部开始标志和隐秘信息开始标志；而在未传递隐秘信息且不准备传递隐秘信息时，确保每个Internet协议数据包的包头不出现头部开始标志和隐秘信息开始标志。在未接收头部信息或隐秘信息时，接收方不断的监视Internet协议数据包的包头中是否出现头部开始标志和隐秘信息开始标志，若未出现，则按正常的VoIP通信处理；若出现，除正常处理VoIP通信外，从该Internet协议数据包开始接收并提取相应的隐秘信息。(2)为确保头部中的各参数的安全性，采用公钥加密算法对它们进行加密。因此，通信开始前，双方须约定采用的公钥加密算法E并互相通告彼此的公钥。本实施例选择RSA算法作为头部参数的加密算法；(3)用于传递参数的头部结构如图3所示，约定传递顺序依次为LoH、头部数据的密文，且约定头部数据的密文长度LoH所占比特数；(4)对于选定的语音编码，确定采用哪些最低有效位用于隐藏数据。本实施例选择ITU-T G.729a作为实验语音编码，苏亚敏等分析了G.729a编码中各参数抵制噪音和携带隐秘信息的能力，并指出固定码书参数具有最佳的信息隐藏能力，见Ya-min Su，Yong-feng Huang，and Xing Li.“Steganography-Oriented Noisy Resistance Model of G.729a”，Proceedings of IMACS Multi-conference on Computational Engineering inSystems Applications，vol.1，4-6 Oct.2006，pp.11-15。本实施例即选择该参数作为隐藏数据的最低有效位；(5)图4为n阶线性移存器的示意图。图中，a_i＝0或1(i＝0，1，…，n-1)表示第i个线性移存器的状态；c_i＝0或1(i＝0，1，…，n-1)表示第i个反馈线的状态，0表示不反馈，1表示反馈；因此，线性移存器的状态转换取决于特征多项式：

$f\left(x\right)=c_0+c_{1}x+c_2{x}^2+\·\·\·+c_n{x}^n=\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{c}_i{x}^i;$

当取特征多项式为本原多项式时，线性移存器产生的m序列可达到最大周期P＝2^D-1。因此，双方在通信前必须约定采用的本原多项式。

本原多项式的生成算法可参见“吕辉，何晶，王刚.伪随机序列中本原多项式生成算法[J]，计算机工程，2004，30(16)，108-109，165”。

2.在通告参数步骤中，发送方向接收方通告所选择的如下参数：线性移存器的阶数D(本实施例支持的最大线性移存器阶数为60，即D∈[1，60])，线性移存器的最初状态IS，即将传递的隐秘信息的长度LoM，将所述三参数采用RSA以接收方的公钥加密后的长度，即头部的数据长度所占比特数LoH；LoH以及参数D、IS和LoM的密文形式以图3所示结构组成头部信息。

3.嵌入隐秘信息步骤中，发送方在语音流中嵌入流加密后的隐秘信息，包括下述过程：(1)发送方采用D阶线性移存器，生成的m序列的周期为P＝2^D-1，m序列的一个周期记作X＝{x_i＝0或1|i＝0，1，…，P-1}；长度为LoM bit的隐秘信息表示为M＝{m_i＝0或1|i＝0，1，…，LoM-1}，基于m序列的流加密过程就是将隐秘信息的某一位与m序列的对应位执行异或操作( ${m_i}^{*}=m_i\⊕x_j,$ j＝i MOD P，

表示异或操作)，最后得到隐秘信息的密文形式M^*。(2)嵌入隐秘信息开始标志后，将加密后的隐秘信息依次替换后续语音包中所约定的既定语音编码的最低有效位。

4.提取隐秘信息步骤，包括下述过程：(1)接收方监测到Internet协议数据包包头中是否包含头部开始标志，是则根据约定的头部传递顺序，首先提取出LoH，继而提取其后的LoH比特的头部数据密文，进行过程(2)；否则按正常的VoIP语音通信处理，并继续监测Internet协议数据包包头中是否包含头部开始标志；(2)接收方采用RSA算法以自己的私钥解密头部数据密文，得到线性移存器的阶数D，线性移存器的最初状态IS，即将传递的隐秘信息的长度LoM；顺序进行；(3)接收方监测Internet协议数据包包头中是否包含隐秘信息开始标志，是则从当前Internet协议数据包开始，从约定的最低有效位连续提取LoM比特数据，得到隐秘信息的密文形式M^*，进行过程(4)；否则按正常的VoIP语音通信处理，并继续监测Internet协议数据包包头中是否包含隐秘信息开始标志；(4)根据线性移存器的阶数D，线性移存器的最初状态IS，控制线性移存器生成m序列。记m序列的一个周期为X＝{x_i＝0或1|i＝0，1，…，P-1}；嵌入的信息为M^*＝{m_i ^*＝0或1|i＝0，1，…，LoM-1}，解密过程就是将嵌入信息的每一位与m序列的对应位执行异或操作( $m_i={m_i}^{*}\⊕x_j,$ j＝i MOD P，

表示异或操作)；最后，组合所有这些比特位即得到原隐秘信息M，结束当前通信。由于接收方须不断监测可能到来的隐秘信息，转过程(1)循环执行。

为对本发明进行评估，申请人测试了采用不同的线性移存器阶数，加密每一位数据的平均时间。图5给出了测试结果。由上述结果，可以看出：每一位数据的平均加密时间与线性移存器所采用的阶数成正比；最大阶数为60时，其平均加密时间也不超过0.7us。因此，本发明所采用的基于m序列的加密方法对于VoIP系统延时影响几乎可以忽略不计，从而有效的维护了VoIP系统的实时性。

Claims (3)

1.一种基于m序列的IP语音隐蔽通信方法，包括预先约定步骤：通信双方约定，头部和加密后隐秘信息分开传递，且在传递头部和隐秘信息的首个Internet协议数据包的包头分别嵌入头部开始标志和隐秘信息开始标志；约定用于加密头部的公钥加密算法E且双方互相通告彼此采用的公钥；约定头部的传递顺序依次为LoH、头部数据的密文，并约定头部数据的密文长度LoH所占最大比特数；对于选定的语音编码，采用哪些最低有效位用于隐藏数据；约定用于控制线性移存器的本原多项式；预先约定步骤之后包括：

(1)通告参数步骤：

发送方将线性移存器的阶数D、线性移存器的最初状态IS和即将传递的隐秘信息的长度LoM采用接收方公钥以约定的公钥加密算法E进行加密，将这些参数加密后的密文所占比特数LoH和该密文一起作为头部，在嵌入头部开始标志后，将所述头部替换后续语音包中所约定的既定语音编码的最低有效位，头部传送结束，进行步骤(2)；

(2)嵌入隐秘信息步骤：发送方在语音流中嵌入流加密后的隐秘信息，包括下述过程：

(2.1)流加密：发送方通过约定的本原多项式以及线性移存器的阶数D、线性移存器的最初状态IS，控制线性移存器生成一个m序列；将m序列与隐秘信息M进行按位异或操作从而完成对隐秘信息的流加密，得到M的密文形式M^*；所生成的m序列的周期为P＝2^D-1，m序列的一个周期记作X＝{x_j＝0或1/j＝0，1，…，P-1}；长度为LoM的隐秘信息表示为M＝{m_i＝0或1/i＝0，1，…，LoM-1}，则加密过程形式化表述为：

$M^{*}=\underset{i=0}{\overset{\mathrm{LoM}-1}{\mathrm{\Σ}}}{m}_i\⊕x_j$

其中，j＝i MOD P，

表示异或操作；

(2.2)在嵌入隐秘信息开始标志后，将加密后的隐秘信息替换后续语音包中所约定的既定语音编码的最低有效位；

(3)提取隐秘信息步骤，包括下述过程：

(3.1)接收方监测Internet协议数据包包头中是否包含头部开始标志，是则根据约定的头部传递顺序，首先提取出LoH，继而提取其后的LoH比特的头部数据密文，进行过程(3.2)；否则按正常的VoIP语音通信处理，并继续监测Internet协议数据包包头中是否包含头部开始标志；

(3.2)接收方采用约定的公钥加密算法以自己的私钥解密头部数据密文，得到线性移存器的阶数D，线性移存器的最初状态IS，即将传递的隐秘信息的长度LoM；顺序进行；

(3.3)接收方监测Internet协议数据包包头中是否包含隐秘信息开始标志，是则从当前Internet协议数据包开始，从约定的最低有效位连续提取LoM比特数据，得到隐秘信息的密文形式M^*，进行过程(3.4)；否则按正常的VoIP语音通信处理，并继续监测Internet协议数据包包头中是否包含隐秘信息开始标志；

(3.4)接收方根据线性移存器的阶数D，线性移存器的最初状态IS，按照步骤(2)中过程(2.1)的加密方式，将M^*与生成的m序列按位执行异或操作进行解密，得到原隐秘信息M，结束当前通信，转过程(3.1)。

2.如权利要求1所述的基于m序列的IP语音隐蔽通信方法，其特征在于，所述步骤(2)中过程(2.1)流加密是实时的按位进行的，从隐秘信息M第2位开始，与过程(2.2)并行执行。

3.如权利要求1或2所述的基于m序列的IP语音隐蔽通信方法，其特征在于，所述通告参数步骤和嵌入隐秘信息步骤中，头部开始标志和隐秘信息开始标志仅分别出现于开始传递头部信息和隐秘信息的首个Internet协议数据包。

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