CN105376056A - 基于无线信道特征的对称密钥生成与分发的密钥协商方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于无线信道特征的对称密钥生成与分发的密钥协商方法，该方法首先利用PEG算法生成校验矩阵并对通信双方的密钥信息进行编码，将通信方A的编码结果发给通信方B，对两个编码结果进行比较，如果两个码相等，则协商成功并结束处理，如果两个码不相等，则进入首轮纠错处理，进行码更新和码比较，如果经过多次更新后两个码相同则协商成功并结束处理，如果经过多次更新后两个码仍不相同则进入第二轮纠错，如果经过多次更新后两个码相同则协商成功并结束处理，如果经过多次更新后两个码仍不相同则协商失败并结束处理，该方法在保证通信安全的情况下，实现高误码率情况下基于无线信道特征的对称密钥生成与分发的密钥协商。

Description

基于无线信道特征的对称密钥生成与分发的密钥协商方法

技术领域

本发明涉及信息安全领域，特别是涉及基于无线信道特征的对称密钥生成与分发的密钥协商方法，适用于现有无线通信系统的对称密钥生成与分发机制。

背景技术

密钥协商是指通过在经典安全信道上交换一定的信息量来消除原始密钥中的错误。在经典信道上交换的信息可能泄露给窃听者，所以要求交换的信息尽可能的少。常见的密钥协商方法有BBBSS、Cascade、Winnow、LDPC算法等。这些算法性能各有不同。BBBSS算法仅在低误码率(误码率为3％以下)情况下有较高的效率，且通信双方要进行多轮信息交互，算法迭代次数非常多。Cascade算法对BBBSS算法进行了改进，算法的迭代次数大幅减少，但仍仅适用于多轮信息交互、误码率较低(误码率为5％以下)的情况。Winnow算法迭代次数很低，容易实现，但是该算法在每轮迭代中泄露大量奇偶校验码等信息，且不能适应误码率较高(误码率大于7％)的情况。LDPC算法的主要优点在于只需要一次数据交互，大大减小了信息泄露，但仍不能适应误码率较高(误码率大于7％)的情况。综上所述，常见的密钥协商算法所面临主要问题是在误码率较高(误码率为7％)的情况下性能不佳。并且当前算法大多采用将错误位所在的块丢弃，这就造成了大量的密钥浪费。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供基于无线信道特征的对称密钥生成与分发的密钥协商方法，只在通信双方间进行一次信息交互，在保证通信安全的情况下，实现高误码率情况下基于无线信道特征的对称密钥生成与分发的密钥协商。

本发明目的通过如下技术方案予以实现：

基于无线信道特征的对称密钥生成与分发的密钥协商方法，包括以下步骤：

(1)、确定通信双方的密钥信息，其中通信方A的密钥信息为X_A，通信方B的密钥信息为X_B，所述密钥信息X_A、X_B的长度为N，其中N为正整数；

(2)、利用PEG算法生成N×Q维低密度奇偶校验矩阵H，其中Q为正整数且Q<N；

(3)、通信方A根据密钥信息X_A和按照步骤(2)得到的校验矩阵H编码得到码CA，其中CA＝X_A×H；通信方B根据密钥信息X_B和按照步骤(2)得到的校验矩阵H编码得到码CB，其中CB＝X_B×H；

(4)、通信方A发送码CA到通信方B，通信方B判断码CA和码CB是否相等，如果CA＝CB，则进入步骤(9)，如果CA≠CB，则进入步骤(5)，并设定更新次数R1、R2且初始化为R1＝0、R2＝0；

(5)、进行首轮纠错，具体纠错过程为：

(a)、查找CA码和CB码数值相同的位置，通过查找得到码CA和码CB的第w₁位、第w₂位、…、第w_m位的数值相等，m为CA码和CB码中数值相等的位置个数，则在校验矩阵H中抽取第w₁列、第w₂列、…、第w_m列数据，并将所述抽取得到的m列数据进行列相加运算得到N×1维向量T；

(b)、在步骤(a)的得到向量T中查找数值为“0”的位置，其中，如果通过查找得到向量T中第c₁个、第c₂个、…、第c_n个数据的数值为“0”，n为向量T中数值为“0”的数据个数，则将通信方B的密钥信息X_B中的第c₁个、第c₂个、…、第c_n个数据置反，得到更新后的密钥信息X_B，再根据CB＝X_B×H得到更新后的码CB，并将更新次数R1加1，即R1＝R1+1；

(6)、比较步骤(5)更新得到的码CB和步骤(4)中通信方A发送给通信方B的码CA：

如果CA＝CB，则进入步骤(9)；

如果CA≠CB且更新次数R1小于系统设定的更新次数门限值Υ，则返回步骤(5)；

如果CA≠CB且更新次数R1等于系统设定的更新次数门限值Υ，则进入步骤(7)；

(7)、进行第二轮纠错，具体实现过程如下：

(a)、寻找码CA和码CB数值相同的位置，如果码CA和码CB的第e₁位、第e₂位、…、第e_q位的数值相等，q为CA和CB中数值相等的位置个数，则在校验矩阵H中抽取第e₁列、第e₂列、…、第e_q列数据，并将所述抽取得到的q列数据进行列相加运算得到N×1维向量G；

(b)、在步骤(a)得到向量G中，查找数值为“1”的位置，如果查找结果显示在向量G中第d₁个、第d₂个、…、第d_p个数据的数值为“1”，p为向量G中数值为“1”的数据个数，则将密钥信息X_B中的第d₁个、第d₂个、…、第d_p个数据置反，得到更新后的密钥信息X_B，再根据CB＝X_B×H的得到更新码CB，并将更新次数R2加1，即R2＝R2+1；

(8)、比较步骤(7)更新得到的码CB和步骤(4)通信方A发送给通信方B的码CA：

如果CA＝CB，则进入步骤(9)；

如果CA≠CB且更新次数R2小于系统设定的更新次数门限β，则返回步骤(7)；

如果CA≠CB且更新次数R2等于系统设定的更新次数门限β，则进入步骤(10)；

(9)、判定协商成功并进入步骤(11)；

(10)、判定协商失败并进入步骤(11)；

(11)、结束处理。

在上述的基于无线信道特征的对称密钥生成与分发的密钥协商方法中，在步骤(1)中，密钥信息X_A、X_B的长度N的取值与密钥的保密强度成正比，即N越大密钥信息的保密度越强；

在上述的基于无线信道特征的对称密钥生成与分发的密钥协商方法中，在步骤(6)中，首轮纠错的更新次数门限值Υ根据系统的误码率、密钥协商失败率和处理时间上限值设定；

在上述的基于无线信道特征的对称密钥生成与分发的密钥协商方法中，在步骤(8)中，第二轮纠错的更新次数门限值β根据系统的误码率、密钥协商失败率和处理时间上限值设定。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明提出的密钥协商算法，利用PEG算法生成低密度奇偶校验矩阵H对密钥信息进行编码，通过对通信双方的编码结果进行比较，判定协商结果，如果协商不成功可以经过纠错处理对其中一个通信方的密钥信息进行纠正，并可根据纠错结果进行有限次反复操作，并有效降低密钥协商失败率，又可以避免处理过程中出现死循环；

(2)本发明提出的密钥协商方法采用编码、一次交互、两轮纠错处理，在系统误码率为10％时，仍能确保高效率的密钥协商处理；

(3)本发明所提出的密钥协商算法，提高了通信双方的信息保密性，该算法仅需要通信双方进行一次信息交互，避免了传统BBBSS、Cascade、Winnow等算法需要多次信息交互的问题，有效提高了密钥协商效率；

(4)本发明所提出的密钥协商算法，可以修正通信双方中信息不一致位，而非丢弃错误块或错误位，因此提高了密钥生成效率。

附图说明

图1为采用本发明的密钥协商方法的基于无线信道特征的对称密钥生成与分发系统的组成框图；

图2为本发明的密钥协商方法的处理框图；

图3为本发明的密钥协商方法的实现流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

基于无线信道特征的对称密钥生成与分发系统的组成框图如图1所示，由该图得知系统包括信道扫描、信道特征检测、时序瞄齐、信息量化、信息协商、保密增强和加解密七部分。本发明提供了一种实现信息协商的密钥协商方法，密钥协商的目的是修正通信双方密钥信息中不一致的信息位，使通信双方持有的密钥信息严格一致。

本发明的密钥协商方法的处理框图如图2所示，对应的具体处理流程图如图3所示，由图中可以看出，本发明的密钥协商方法通过以下步骤实现：

(1)、确定通信双方的密钥信息，其中通信方A的密钥信息为X_A，通信方B的密钥信息为X_B，所述密钥信息X_A、X_B的长度为N，其中N为正整数且N的值越大，密钥信息的保密度越高，单系统处理的计算量越大；

(2)、利用PEG算法生成N×Q维低密度奇偶校验矩阵H，其中Q为正整数且Q<N；

根据该步骤得到的校验矩阵H的列重≥2、行重>0,其中列重为矩阵每列中数值为1的数据个数，行重为矩阵每行中数值为1的数据个数。

例如，在N＝100，Q＝80时，校验矩阵H的前44列的列重为2，第45列～第47列的列重为3，第48列～第80列的列重为4，且校验矩阵H的所有行重均大于0。

(3)、通信方A根据密钥信息X_A和按照步骤(2)得到的校验矩阵H编码得到码CA，其中CA＝X_A×H；通信方B根据密钥信息X_B和按照步骤(2)得到的校验矩阵H编码得到码CB，其中CB＝X_B×H；通过该步骤的编码可以增加密钥信息的保密度；

(4)、通信方A发送码CA到通信方B，通信方B判断码CA和码CB是否相等，如果CA＝CB，则进入步骤(9)，如果CA≠CB，则进入步骤(5)，并设定更新次数R1、R2且初始化为R1＝0、R2＝0；

(5)、进行首轮纠错，具体纠错过程为：

(a)、查找CA码和CB码数值相同的位置，其中，如果码CA和码CB的第w₁位、第w₂位、…、第w_m位的数值相等，m为CA和CB中数值相等的位置个数，则在校验矩阵H中抽取第w₁列、第w₂列、…、第w_m列数据，将抽取得到的m列数据进行列相加运算得到N×1维向量T，即如果h_w1、h_w2、…、h_wm分别为校验矩阵H的第w₁列、第w₂列、…、第w_m列数据，则向量T＝h_w1+h_w2+h_w3+…+h_wm；

(b)、因为校验矩阵H的列重≥2，所以向量T中数值为“0”或“1”的数据所在位置，就是密钥信息X_B与密钥信息X_A中不相等数据所在位置，因此首轮纠错中，在步骤(a)得到的向量T中查找数值为“0”的位置，其中，如果在向量T中第c₁个、第c₂个、…、第c_n个数据的数值为“0”，n为向量T中数值为“0”的数据个数，则将通信方B的密钥信息X_B中的第c₁个、第c₂个、…、第c_n个数据置反，即如果密钥信息X_B第c₁个数据为“1”，则将密钥信息X_B第c₁个数据更新为“0”，如果密钥信息X_B第c₁个数据为“0”，则将密钥信息X_B第c₁个数据更新为“1”，同理，完成向量T的第c₂个、…、第c_n个数据置反操作，得到更新后的密钥信息X_B，再根据CB＝X_B×H得到更新后的码CB，并将更新次数R1加1，即R1＝R1+1；

(6)、比较步骤(5)更新得到的码CB和步骤(4)通信方A发送给通信方B的码CA：

如果CA＝CB，则进入步骤(9)；

如果CA≠CB且更新次数R1小于系统设定的更新次数门限值Υ，则返回步骤(5)；

如果CA≠CB且更新次数R1等于系统设定的更新次数门限值Υ，则进入步骤(7)；

其中，首轮纠错中更新次数门限值Υ是根据系统的误码率、密钥协商失败率和处理时间上限值的要求设定的，即可以避免处理进入死循环，又可以尽可能的对密钥信息X_B进行纠正，使其与密钥信息X_A一致，从而实现在系统高误码率条件下，有效降低密钥协商失败率。

(7)、进行第二轮纠错，具体实现过程如下：

(a)、寻找码CA和码CB数值相同的位置，如果码CA和码CB的第e₁位、第e₂位、…、第e_q位的数值相等，q为CA和CB中数值相等的位数，则在校验矩阵H中抽取第e₁列、第e₂列、…、第e_q列数据，并将抽取得到的q列数据进行列相加运算得到N×1维向量G，即如果h_e1、h_e2、…、h_eq分别为校验矩阵H的第e₁列、第e₂列、…、第e_q列数据，则向量G＝h_w1+h_w2+h_w3+…+h_wm；

(b)、因为校验矩阵H的列重≥2，所以向量G中数值为“0”或“1”的数据所在位置，就是密钥信息X_B与密钥信息X_A中不相等数据所在位置，因此第二轮纠错中，在步骤(a)得到向量G中，查找数值为“1”的位置，如果查找结果显示在向量G中第d₁个、第d₂个、…、第d_p个数据的数值为“1”，p为向量G中数值为“1”的数据个数，则将密钥信息X_B中的第d₁个、第d₂个、…、第d_p个数据置反，得到更新后的密钥信息X_B，再根据CB＝X_B×H的得到更新码CB，并将更新次数R2加1，即R2＝R2+1；

(8)、比较步骤(7)更新得到的码CB和步骤(4)通信方A发送给通信方B的码CA：

如果CA＝CB，则进入步骤(9)；

如果CA≠CB且更新次数R2小于系统设定的更新次数门限β，则返回步骤(7)；

如果CA≠CB且更新次数R2等于系统设定的更新次数门限β，则进入步骤(10)；

其中，第二轮纠错中更新次数门限值β是根据系统的误码率、密钥协商失败率和处理时间上限值的要求设定的，即可以避免处理进入死循环，又可以尽可能的对密钥信息X_B进行纠正，使其与密钥信息X_A一致，从而实现在系统高误码率条件下，有效降低密钥协商失败率。

(9)、判定协商成功并进入步骤(11)；

(10)、判定协商失败并进入步骤(11)；

(11)、结束处理。

实施例：

以下通过数学仿真试验完成本发明的密钥协商方法，其中系统误码率设定为10％，本发明的密钥协商方法的具体实现过程如下：

(1)、确定通信双方的密钥信息，在仿真试验中的具体实现过程如下：

首先，随机生成长度N＝100的二进制数字信息X_A，并在X_A中随机选取M＝10位进行置反作为信息X_B；其中，M＝Per*N，Per＝10％为通信误码率；

其中将仿真生成的信息X_A作为通信方A的密钥信息，并将经过置反处理得到的信息X_B通信方B的密钥信息，所述密钥信息X_A、X_B的长度为N＝100，且密钥信息X_B中存在10位数字信息与密钥信息X_A不一致；

(2)、利用PEG算法生成N×Q维低密度奇偶校验矩阵H，其中Q＝80，生成的校验矩阵H的前44列的列重为2，第45列～第47列的列重为3，第48列～第80列的列重为4，且校验矩阵H的所有行重均大于0。

(3)、通信方A根据密钥信息X_A和按照步骤(2)得到的校验矩阵H编码得到码CA，其中CA＝X_A×H；通信方B根据密钥信息X_B和按照步骤(2)得到的校验矩阵H编码得到码CB，其中CB＝X_B×H；

(4)、判断码CA和码CB是否相等，判断结果显示CA≠CB，则初始化更新次数R1＝0、R2＝0并进入步骤(5)；

(5)、进行首轮纠错，其中将首轮纠错的更新次数门限值Υ设定为8，具体纠错过程为：

(a)、查找CA码和CB码数值相同的位置，通过上述查找得到码CA和码CB的第w₁位、第w₂位、…、第w_m位的数值相等，m为CA和CB中数值相等的位数，则在校验矩阵H中抽取第w₁列、第w₂列、…、第w_m列数据，并将所述抽取得到的m列数据进行列相加运算得到N×1维向量T；

(b)、在步骤(a)的得到向量T中查找数值为“0”的位置，其中，如果通过查找得到向量T中第c₁个、第c₂个、…、第c_n个数据的数值为“0”，n为向量T中数值为“0”的数据个数，则将通信方B的密钥信息X_B中的第c₁个、第c₂个、…、第c_n个数据置反，得到更新后的密钥信息X_B，再根据CB＝X_B×H得到更新后的码CB，并将更新次数R1加1，即R1＝R1+1；

(6)、比较步骤(5)更新得到的码CB和步骤(4)中通信方A发送给通信方B的码CA：

如果CA＝CB，则进入步骤(9)；

如果CA≠CB且更新次数R1小于8次，则返回步骤(5)；

如果CA≠CB且更新次数R1等于8次，即在首轮纠错中对密钥信息完成8次纠正更新，仍然不能达到与密钥信息一致，则则进入步骤(7)；

(7)、进行第二轮纠错，将更新次数门限β设定为15，具体实现过程如下：

(a)、寻找码CA和码CB数值相同的位置，如果码CA和码CB的第e₁位、第e₂位、…、第e_q位的数值相等，q为CA和CB中数值相等的位数，则在校验矩阵H中抽取第e₁列、第e₂列、…、第e_q列数据，并将所述抽取得到的q列数据进行列相加运算得到N×1维向量G；

(b)、在步骤(a)得到向量G中，查找数值为“1”的位置，如果查找结果显示在向量G中第d₁个、第d₂个、…、第d_p个数据的数值为“1”，p为向量G中数值为“1”的数据个数，则将密钥信息X_B中的第d₁个、第d₂个、…、第d_p个数据置反，得到更新后的密钥信息X_B，再根据CB＝X_B×H的得到更新码CB，并将更新次数R2加1，即R2＝R2+1；

(8)、比较步骤(7)更新得到的码CB和步骤(4)通信方A发送给通信方B的码CA：

如果CA＝CB，则进入步骤(9)；

如果CA≠CB且更新次数R2小于15次，则返回步骤(7)；

如果CA≠CB且更新次数R2等于15次，则进入步骤(10)；

(9)、判定协商成功并进入步骤(11)；

(10)、判定协商失败并进入步骤(11)；

(11)、结束处理。

按照以上的仿真处理方法，在系统误码率为10％时，共进行10000次的独立仿真处理，仿真结果表明，采用本发明的密钥协商方法，共有9140次仿真在首轮纠错中协商成功，845次仿真在第二轮纠错中协商成功，15次仿真协商失败，即协商失败率为0.15％。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.基于无线信道特征的对称密钥生成与分发的密钥协商方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、确定通信双方的密钥信息，其中通信方A的密钥信息为X_A，通信方B的密钥信息为X_B，所述密钥信息X_A、X_B的长度为N，其中N为正整数；

(2)、利用PEG算法生成N×Q维低密度奇偶校验矩阵H，其中Q为正整数且Q<N；

(3)、通信方A根据密钥信息X_A和按照步骤(2)得到的校验矩阵H编码得到码CA，其中CA＝X_A×H；通信方B根据密钥信息X_B和按照步骤(2)得到的校验矩阵H编码得到码CB，其中CB＝X_B×H；

(4)、通信方A发送码CA到通信方B，通信方B判断码CA和码CB是否相等，如果CA＝CB，则进入步骤(9)，如果CA≠CB，则进入步骤(5)，并设定更新次数R1、R2且初始化为R1＝0、R2＝0；

(5)、进行首轮纠错，具体纠错过程为：

(a)、查找CA码和CB码数值相同的位置，通过查找得到码CA和码CB的第w₁位、第w₂位、…、第w_m位的数值相等，m为CA码和CB码中数值相等的位置个数，则在校验矩阵H中抽取第w₁列、第w₂列、…、第w_m列数据，并将所述抽取得到的m列数据进行列相加运算得到N×1维向量T；

(b)、在步骤(a)的得到向量T中查找数值为“0”的位置，其中，如果通过查找得到向量T中第c₁个、第c₂个、…、第c_n个数据的数值为“0”，n为向量T中数值为“0”的数据个数，则将通信方B的密钥信息X_B中的第c₁个、第c₂个、…、第c_n个数据置反，得到更新后的密钥信息X_B，再根据CB＝X_B×H得到更新后的码CB，并将更新次数R1加1，即R1＝R1+1；

(6)、比较步骤(5)更新得到的码CB和步骤(4)中通信方A发送给通信方B的码CA：

如果CA＝CB，则进入步骤(9)；

如果CA≠CB且更新次数R1小于系统设定的更新次数门限值Υ，则返回步骤(5)；

如果CA≠CB且更新次数R1等于系统设定的更新次数门限值Υ，则进入步骤(7)；

(7)、进行第二轮纠错，具体实现过程如下：

(a)、寻找码CA和码CB数值相同的位置，如果码CA和码CB的第e₁位、第e₂位、…、第e_q位的数值相等，q为CA和CB中数值相等的位置个数，则在校验矩阵H中抽取第e₁列、第e₂列、…、第e_q列数据，并将所述抽取得到的q列数据进行列相加运算得到N×1维向量G；

(b)、在步骤(a)得到向量G中，查找数值为“1”的位置，如果查找结果显示在向量G中第d₁个、第d₂个、…、第d_p个数据的数值为“1”，p为向量G中数值为“1”的数据个数，则将密钥信息X_B中的第d₁个、第d₂个、…、第d_p个数据置反，得到更新后的密钥信息X_B，再根据CB＝X_B×H的得到更新码CB，并将更新次数R2加1，即R2＝R2+1；

(8)、比较步骤(7)更新得到的码CB和步骤(4)通信方A发送给通信方B的码CA：

如果CA＝CB，则进入步骤(9)；

如果CA≠CB且更新次数R2小于系统设定的更新次数门限β，则返回步骤(7)；

如果CA≠CB且更新次数R2等于系统设定的更新次数门限β，则进入步骤(10)；

(9)、判定协商成功并进入步骤(11)；

(10)、判定协商失败并进入步骤(11)；

(11)、结束处理。

2.根据权利要求1所述的基于无线信道特征的对称密钥生成与分发的密钥协商方法，其特征在于：在步骤(1)中，密钥信息X_A、X_B的长度N的取值与密钥的保密强度成正比，即N越大密钥信息的保密度越强。

3.根据权利要求1所述的基于无线信道特征的对称密钥生成与分发的密钥协商方法，其特征在于：在步骤(6)中，首轮纠错的更新次数门限值Υ根据系统的误码率、密钥协商失败率和处理时间上限值设定。

4.根据权利要求1所述的基于无线信道特征的对称密钥生成与分发的密钥协商方法，其特征在于：在步骤(8)中，第二轮纠错的更新次数门限值β根据系统的误码率、密钥协商失败率和处理时间上限值设定。