CN107360568A - 利用喷泉码实现对称加密保障无线数据安全传输的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用喷泉码实现对称加密保障无线数据安全传输的方法，包括以下步骤：1)得K个加密的源数据包；2)得喷泉码编码包，然后在喷泉编码包的包头中插入喷泉编码包的序号及编码信息；3)当合法接收端根据接收到的喷泉编码包成功完成喷泉码解码并恢复出加密的源数据包时，则通过当前接收到的所有喷泉编码包的序号构建序号集合V；4)合法发送端通过序号集合V中的所有序号对应的喷泉码编码包数据对随机比特序列k进行异或加密，得加密的随机比特序列k′；5)合法接收端对加密的随机比特序列k′进行解密，得随机比特序列k，然后根据随机比特序列k解密加密的源数据包得原始数据流，该方法能够有效的提高无线数据传输的安全性，同时减小合法接收端的反馈负载。

Description

利用喷泉码实现对称加密保障无线数据安全传输的方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种利用喷泉码实现对称加密保障无线数据安全传输的方法。

背景技术

与传统有线通信网络相比，无线通信网络的开放性使得数据的安全传输更加难以实现，因为窃听者易于窃听到无线终端之间传输的信息。传统加密技术为了获得保密性能，通常在上层协议中采用对称加密或者非对称加密技术，但是在动态无线网络中，传统加密技术面临着一些问题如对称加密中的密钥分发以及非对称加密中的高计算复杂度，这在一定程度上限制了传统加密技术的使用场景。

喷泉码作为一种无码率纠删码，主要包括LT码和Raptor码，现有的技术在利用喷泉码在进行无线数据传输过程中，很容易被窃听者进行窃听到，信息传输的安全性较差。在现有的一些利用喷泉码实现无线数据安全传输的方案中，每当合法接收端接收到一个喷泉编码包后，都会将反馈信号发送至合法发送端，因此反馈负载较大。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种利用喷泉码实现对称加密保障无线数据安全传输的方法，该方法能够有效的提高无线数据传输的安全性，同时减小合法接收端的反馈负载。

为达到上述目的，本发明所述的利用喷泉码实现对称加密保障无线数据安全传输的方法包括以下步骤：

1)合法发送端将原始数据流划分成K个等长的源数据包，再通过随机比特序列k对K个源数据包进行异或加密，得K个加密的源数据包；

2)合法发送端对K个加密的源数据包进行喷泉码编码，得到喷泉码编码包，再存储得到的喷泉编码包数据及喷泉编码包的序号，然后在喷泉编码包的包头中插入喷泉编码包的序号及编码信息，再将含有序号及编码信息的喷泉编码包依次经数据链路层CRC编码及信号编码后发送给合法接收端；

3)合法接收端在依次接收合法发送端发送过来的喷泉编码包的过程中，当合法接收端根据接收到的喷泉编码包成功完成喷泉码解码并恢复出加密的源数据包时，则通过当前接收到的所有喷泉编码包的序号构建序号集合V，然后将所述序号集合V发送至合法发送端；

4)合法发送端接收所述序号集合V，然后利用序号集合V中所有序号对应的喷泉编码包数据对随机比特序列k进行异或加密，得到加密的随机比特序列k′，然后将加密的随机比特序列k′发送至合法接收端；

5)合法接收端接收加密的随机比特序列k′，再通过已经接收到的喷泉编码包数据对加密的随机比特序列k′进行解密，得随机比特序列k，然后利用随机比特序列k解密加密的源数据包，得原始数据流。

步骤1)的具体操作为：

11)合法发送端确定源数据包的个数K，然后将原始数据流等分为K个源数据包；

12)合法发送端生成随机比特序列k，然后通过随机比特序列k对K个源数据包进行异或加密，得K个加密的源数据包。

随机比特序列k的长度与源数据包的长度相同。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的利用喷泉码实现对称加密保障无线数据安全传输的方法在具体操作时，合法发送端通过随机比特序列k对K个源数据包进行异或加密，然后将K个加密的源数据包经喷泉码编码发送至合法接收端中，合法发送端通过序号集合V中所有序号对应的喷泉编码包数据对随机比特序列k进行异或加密，再将加密的随机比特序列k′发送至合法接收端，从而有效的提高信息传输的安全性。另外，本发明在信息传输过程中，当合法接收端根据接收到的喷泉编码包成功完成喷泉码解码并恢复出加密的源数据包时，则通过当前接收到的所有喷泉编码包的序号构建序号集合V，然后将所述序号集合V发送给合法发送端，因此合法接收端的反馈负载较小。需要说明的是，本发明未对喷泉码编码及解码算法进行大幅度修改，因此可以在保持喷泉码传输性能的同时保障合法用户所传输数据的安全，设计合理，操作简单。

附图说明

图1为本发明的系统模型图；

图2为本发明的流程图；

图3为本发明与对比方案在窃听者处于不同位置时窃听者的截获概率对比图；

图4为本发明与对比方案在源数据包个数变化时窃听者的截获概率对比图；

图5为本发明与对比方案在源数据包个数变化时合法接收端反馈负载对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1，喷泉码作为一种无码率纠删码，主要包括LT码及Raptor码。合法发送端利用喷泉码进行编码，每个喷泉码编码包均由随机选择的不同源数据包异或得到。合法接收端只有接收到足够多的喷泉码编码包后才能解码成功并恢复数据，并且合法发送端只有在接收到合法接收端完成解码及数据恢复的反馈之后才停止喷泉码编码以及编码包的发送。这就意味着当合法接收端能够在窃听者之前接收到足够多的喷泉码编码包并且完成喷泉码解码和数据恢复，那么就能够保障所传输数据的安全。

本发明的关键思想在于：合法用户利用喷泉码编解码的基本性质及合法发送端与合法接收端之间以及合法发送端与窃听者之间无线信道的独立信道衰落特性实现所传输数据的对称加密。首先合法发送端利用一个随机比特序列对待传输的数据流进行加密，然后合法用户进行正常地喷泉码编码及解码，在合法接收端完成喷泉码解码后，合法发送端再利用合法接收端成功接收到的所有喷泉码编码包数据对随机比特序列进行加密，再发送给合法接收端，从而使加密待传输数据流的密钥在合法用户之间进行安全共享，最后合法接收端利用安全共享的密钥解密加密的原始数据流。本发明可以有效降低无线传输过程中窃听者的截获概率，同时减小合法接收端的反馈负载。

图1所示无线传输系统包括合法发送端Alice、合法接收端Bob及非法窃听者Eve。合法发送端Alice向合法接收端Bob发送机密数据流，与此同时，非法窃听者Eve试图窃听合法发送端Alice发送的机密数据流。合法发送端Alice在进行喷泉码编码之前，会将机密数据流分割成K个等长的数据包，所述K个源数据包经过喷泉码编码生成喷泉码编码包。合法发送端Alice不断向合法接收端Bob发送喷泉码编码包，合法接收端Bob和非法窃听者Eve都试图接收到足够多的喷泉码编码包，以完成喷泉码的解码及数据的恢复，当合法接收端Bob完成喷泉码的解码及数据的恢复后，则向合法发送端Alice发送一个反馈信号，合法发送端Alice在收到反馈信号后停止发送喷泉码编码包，当此时非法窃听者Eve还未完成喷泉码的解码以及恢复出的数据时，则机密数据流的安全就能够得到保障。

图1所示无线传输系统中所有合法信道和窃听信道均建模成块平坦瑞利衰落信道，这就是说信道参数在一个传输时隙中保持不变，而在不同传输时隙时发生改变。节点i与节点j之间的信道参数h_ij是一个零均值，方差满足的周期对称复高斯变量，其中，d_ij表示节点i和节点j之间的距离，α表示信道衰落指数。合法接收端处的高斯白噪声ω的方差为N₀，当合法发送端Alice在一个传输时隙中发送喷泉码编码包的平均功率为那么在节点j处的信噪比SNR可以表示为γ_Aj＝ρ|h_Aj|²，其中，ρ表示系统信噪比，

本发明所述的利用喷泉码实现对称加密保障无线数据安全传输的方法包括以下步骤：

1)合法发送端将原始数据流划分成K个等长的源数据包，再通过随机比特序列k对K个源数据包进行异或加密，得K个加密的源数据包；

2)合法发送端对K个加密的源数据包进行喷泉码编码，得到喷泉码编码包，再存储得到的喷泉编码包数据及喷泉编码包的序号，然后在喷泉编码包的包头中插入喷泉编码包的序号及编码信息，再将含有序号及编码信息的喷泉编码包依次经数据链路层CRC编码及信号编码后发送给合法接收端；

3)合法接收端在依次接收合法发送端发送过来的喷泉编码包的过程中，当合法接收端根据接收到的喷泉编码包成功完成喷泉码解码并恢复出加密的源数据包时，则通过当前接收到的所有喷泉编码包的序号构建序号集合V，然后将所述序号集合V发送至合法发送端；

4)合法发送端接收所述序号集合V，然后利用序号集合V中所有序号对应的喷泉编码包数据对随机比特序列k进行异或加密，得到加密的随机比特序列k′，然后将加密的随机比特序列k′发送至合法接收端；

5)合法接收端接收加密的随机比特序列k′，再通过已经接收到的喷泉编码包数据对加密的随机比特序列k′进行解密，得随机比特序列k，然后利用随机比特序列k解密加密的源数据包，得原始数据流。

步骤1)的具体操作为：

11)合法发送端确定源数据包的个数K，然后将原始数据流等分为K个源数据包；

12)合法发送端生成随机比特序列k，然后通过随机比特序列k对K个源数据包进行异或加密，得K个加密的源数据包。

随机比特序列k的长度与源数据包的长度相同。

对比实验

采用LT编码方案、最优度分布编码方案及动态编码方案作为对比方案，具体性能如下：

合法发送端Alice和合法接收端Bob分别位于坐标(0,0)及坐标(1,0)处，不失一般性，假设窃听者Eve位于坐标(x,0)，路径损耗系数α为3，系统信噪比(SNR)ρ＝10dB，系统调制方式为16-QAM，码率为9/16，合法发送端Alice到合法接收端Bob衰落信道的统计平均丢包率λ以及合法发送端Alice到窃听者Eve衰落信道的统计平均丢包率β分别满足下面两个公式：

其中，d_AB和d_AE分别表示合法发送端Alice与合法接收端Bob之间的距离和合法发送端Alice与窃听者Eve之间的距离，a_n＝50.1222,g_n＝0.6644,γ_pn＝7.7021。

喷泉码采用LT码，并且LT码采用鲁棒孤子度分布，每一次仿真均是一次完整传输过程，以合法发送端Alice处理原始文件作为开始，以合法接收端Bob成功解码并恢复出原始文件作为结束。需要注意的是，在仿真过程中，为了更好的模拟真实情况，强化窃听者的窃听性能，仿真中合法接收端Bob采用迭代解码算法进行喷泉码解码，而窃听者采用高斯消元法进行喷泉码解码；总仿真次数设为10⁵；窃听者的截获概率等于窃听者成功窃听次数除以总仿真次数，合法接收端Bob反馈负载等于一次仿真过程中合法接收端Bob发送反馈信息的次数除以合法发送端Alice发送的源数据包个数。

图3展示了当源数据包个数满足K＝128时，窃听者Eve与合法发送端Alice之间的距离对窃听者Eve截获概率的影响，可以发现，对于窃听者Eve的不同位置，本发明中窃听者Eve的截获概率都远小于三种对比方案中Eve的截获概率，所以当源数据包个数满足K＝128时，对于窃听者Eve的不同位置，本发明的安全性能要优于三种对比方案。

图4展示了当窃听者Eve位于坐标(1,0)时，源数据包个数K的大小与窃听者Eve截获概率之间的关系。对于不同的源数据包个数K，本发明中窃听者Eve的截获概率要远小于三种对比方案中窃听者Eve的截获概率，因此当窃听者Eve位于坐标(1,0)时，对于不同的源数据包个数K，本发明的安全性能要优于三种对比方案。

图5展示的是四种方案下合法接收端反馈负载与源数据包个数K之间的关系；本发明和对比方案三中合法接收端反馈负载均远小于对比方案一及对比方案二，并且当源数据包个数K足够大时，本发明中合法接收端反馈负载近似等于对比方案三而远小于对比方案一和二，因此本发明所提方案更适合用于源数据包个数K较大的应用场景。

综上所述，本发明从窃听者Eve的截获概率和合法接收端反馈负载两个性能指标综合来看要优于三种对比方案。

Claims (3)

1.一种利用喷泉码实现对称加密保障无线数据安全传输的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)合法发送端将原始数据流划分成K个等长的源数据包，再通过随机比特序列k对K个源数据包进行异或加密，得K个加密的源数据包；

2)合法发送端对K个加密的源数据包进行喷泉码编码，得到喷泉码编码包，再存储得到的喷泉编码包数据及喷泉编码包的序号，然后在喷泉编码包的包头中插入喷泉编码包的序号及编码信息，再将含有序号及编码信息的喷泉编码包依次经数据链路层CRC编码及信号编码后发送给合法接收端；

3)合法接收端在依次接收合法发送端发送过来的喷泉编码包的过程中，当合法接收端根据接收到的喷泉编码包成功完成喷泉码解码并恢复出加密的源数据包时，则通过当前接收到的所有喷泉编码包的序号构建序号集合V，然后将所述序号集合V发送至合法发送端；

4)合法发送端接收所述序号集合V，然后利用序号集合V中所有序号对应的喷泉编码包数据对随机比特序列k进行异或加密，得到加密的随机比特序列k′，然后将加密的随机比特序列k′发送至合法接收端；

5)合法接收端接收加密的随机比特序列k′，再通过已经接收到的喷泉编码包数据对加密的随机比特序列k′进行解密，得随机比特序列k，然后利用随机比特序列k解密加密的源数据包，得原始数据流。

2.根据权利要求1所述的利用喷泉码实现对称加密保障无线数据安全传输的方法，其特征在于，步骤1)的具体操作为：

11)合法发送端确定源数据包的个数K，然后将原始数据流等分为K个源数据包；

12)合法发送端生成随机比特序列k，然后通过随机比特序列k对K个源数据包进行异或加密，得K个加密的源数据包。

3.根据权利要求1所述的利用喷泉码实现对称加密保障无线数据安全传输的方法，其特征在于，随机比特序列k的长度与源数据包的长度相同。