CN107819760B - 基于无线信道特征的对称密钥生成与分发的保密通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于无线信道特征的对称密钥生成与分发的保密通信系统。利用无线信道特征满足对称性、随机性的特点进行对称密钥的生成与分发，实时地、高速地、安全地为系统提供密钥，并采用一次一密的方式为信息链路数据进行加解密，确保信息链路在理论上的绝对安全可靠。解决了基于数学机制的加解密方式存在的信息安全隐患，突破了基于光子的量子保密通信技术在通信距离和码率上的瓶颈，同时由于不需要专门的量子设备，可以以较低的成本、在较短的时间对现有信息系统进行改造升级，形成具有信息论最高安全级别的保密通信系统，具有非常重要的应用价值。

Description

基于无线信道特征的对称密钥生成与分发的保密通信系统
技术领域
本发明属于安全通信技术领域，具体涉及一种基于无线信道特征的对称密钥生成与分发的保密通信系统。
背景技术
保密通信系统的核心是密码技术，回顾密码学的发展历程不难看出，计算技术的发展直接影响密码技术的发展。古典密码经不住机械计算的攻击，因而有了机械密码的发展；Enigma转轮机代表了机械密码发展的一个顶峰，但是在第二次世界大战中Enigma却被完全破译。伴随着电子计算机的广泛应用，机械密码也退出了历史舞台。在电子计算机时代，出现了诸如DES、RSA、MD5、AES等十分优秀的密码算法，为国防安全、电子政务商务等领域的信息安全作出了重要贡献。随着计算技术和密码分析技术的快速发展，电子密码技术也岌岌可危。在目前的计算技术条件下，利用网格计算就可以在较短的时间内破译现有的许多密码方案，这对国防、政务、商务等领域的信息安全构成了很大的威胁。
近年来，一向被认为安全的单向压缩函数MD5、SHA-0等被证实存在安全隐患，这进一步强化了人们对经典密码安全性的忧虑。目前广泛使用但并未得到完备证明的数学密码体制很可能会在人们意想不到的时候被破译或者被发现存在致命安全漏洞。另外，量子计算也给经典密码体制带来了前所未有的潜在威胁。业内科学家们预测，到2020年左右量子计算机将进入实用阶段。量子计算机的并行计算能力提高了计算效率并将运算速度提高几个数量级甚至更高，这使目前应用广泛的密码体制无法抵抗量子计算的穷举攻击。因此，研究可以抵抗量子计算攻击的密码体制势在必行。所有这些因素都促使保密通信技术向下一阶段发展，而量子通信技术代表了一个技术上可行的发展方向，也是实现信息论安全的重要手段。
然而，量子密钥分发技术QKD在现阶段的工程实践中也存在挑战，如单光子源、单光子检测设备价格高昂、稳定性差。将这些高精度、易受干扰、容错性差的精密光学仪器安装在导弹武器上会面临很多现实障碍。因而未来很长一段时间内，量子密钥分发技术在导弹武器和其它空间飞行器上仅能进行离线式密钥分发的应用，即在地面完成密钥的生成与分发。这种离线式的密钥分发最大的缺点是密钥生成数量的局限，尤其不适合于长时间在轨飞行器。随着空间通信技术的发展和通信需求的增加，长时间在轨飞行器的通信量是海量的。如果采用一次一密方式，密钥的长度也是巨大的。在线式密钥生成与分发技术是解决之道。现有的在线式密钥生成与分发技术基本都是基于数学机制的，如基于离散对数的Diffie-Hellman、基于大数质因式分解的RSA等。这种方式实现简单、计算量小，但其安全性受限于破解相应数学难题需要的代价。当敌方拥有的计算能力足够强大时，尤其是量子计算机的可能面世，这种基于数学机制的在线式密钥生成与分发系统将变得不堪一击。因此，需要一种无需基于数学机制的在线式密钥生成与分发系统。
发明内容
本发明的技术解决问题是：
克服现有技术的缺陷，提出一种基于无线信道特征的对称密钥生成与分发的保密通信系统，确保信息链路在理论上的绝对安全可靠。
本发明的技术解决方案是：
基于无线信道特征的对称密钥生成与分发的保密通信系统，包括第一子系统和第二子系统，所述第一子系统和第二子系统均包括：加密发送模块、解密接收模块和密钥生成模块；
第一子系统和第二子系统中的一个子系统的加密发送模块使用密钥生成模块生成的一致密钥对数据帧进行加密以生成加密数据帧，并对加密数据帧进行数据处理后形成加密信号发送到另一个子系统的解密接收模块；
第一子系统和第二子系统中的一个子系统的解密接收模块接收另一个子系统的加密发送模块发送的加密信号，对加密信号进行信号处理以生成加密数据帧，并根据密钥生成模块生成的一致密钥对加密数据帧进行解密；
第一子系统和第二子系统中的一个子系统的密钥生成模块提取解密接收模块接收的加密信号的信号特征，根据信号特征生成随机密钥，并将所述随机密钥与另一个子系统中生成的随机密钥进行一致性协商，同时生成一致密钥，以用于下一组数据帧的加密。
根据本发明的实施例，所述密钥生成模块生成一致密钥包括以下步骤：
S1、提取加密信号的信号特征；
S2、为提取的信号特征加时间戳；
S3、将信号特征由浮点数据转换为二进制数据；
S4、与另一子系统的密钥生成模块进行一致性协商，与另一子系统的密钥生成模块同时生成相同的密钥；
S5、对所述密钥进行去相关性；
S6、与另一子系统的密钥生成模块进行密钥校验，生成一致密钥。
根据本发明的实施例，在步骤S1中，所述信号特征包括信号强度和多普勒频移中的至少一个。
根据本发明的实施例，在步骤S5中，使用hash函数去相关性方法去除S4中生成的密钥的每一位之间的相关性。
根据本发明的实施例，在步骤S6中，对两个子系统分别进行去相关性之后的密钥进行校验，如果两个子系统生成的密钥不存在不一致的序列，则将所述密钥中的一个作为一致密钥，如果两个子系统生成的密钥存在不一致的序列，则修改一致后作为一致密钥。
根据本发明的实施例，所述一致密钥的序列长度与数据帧的帧长度相等。
根据本发明的实施例，加密发送模块通过将一致密钥与数据帧的每一位数据分别进行异或运算的方式对数据帧进行加密。
根据本发明的实施例，加密发送模块对加密数据帧进行数据处理包括对加密数据帧进行编码、扩频、调制、数字上变频和D/A转换处理。
根据本发明的实施例，解密接收模块对加密信号进行信号处理包括A/D转换、数字下变频、解扩、载波跟踪和译码处理。
根据本发明的实施例，密钥生成模块提取解扩处理之后的加密信号的信号特征。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)解决了基于数学机制的加解密方式存在的信息安全隐患，突破了基于光子的量子保密通信技术在通信距离和码率上的瓶颈；
(2)不需要专门的量子设备，可以以较低的成本、在较短的时间对现有信息系统进行改造升级，形成具有信息论最高安全级别的保密通信系统；
(3)采用无线信道中的信号强度、多普勒频移等随机特征信息生成密钥，确保了密钥的真随机性；
(4)采用在线密钥实时生成与分发方法，实现了通信双方独立地生成对称地，随机的安全密钥；
(5)基于信号特征生成密钥，在信息链路的Q路进行密钥协商，生成一致的对称密钥，在信息链路的I路发送加密后的信息，从而实现了密钥生成与分发与传统形式上通信系统的结合，最终实现了具备密钥生成与分发能力的保密通信系统。
附图说明
图1是基于无线信道特征的对称密钥生成与分发的保密通信系统的框图。
图2是基于无线信道特征的对称密钥生成与分发的保密通信系统的工作流程图。
具体实施方式
以下结合附图，详细描述本发明的实施例。
如图1所示，基于无线信道特征的对称密钥生成与分发的保密通信系统包括第一子系统和第二子系统，两个子系统均包括：加密发送模块、解密接收模块和密钥生成模块。其中一个子系统的加密发送模块使用密钥生成模块生成的一致密钥对数据帧进行加密以生成加密数据帧，并对加密数据帧进行数据处理后形成加密信号发送到另一个子系统的解密接收模块。一个子系统的解密接收模块接收另一个子系统的加密发送模块发送的加密信号，对加密信号进行信号处理以生成加密数据帧，并根据密钥生成模块生成的一致密钥对加密数据帧进行解密。一个子系统的密钥生成模块提取解密接收模块接收的加密信号的信号特征，根据信号特征生成随机密钥，并将所述随机密钥与另一个子系统中生成的随机密钥进行一致性协商，同时生成一致密钥，以用于下一组数据帧的加密。
如图2所示，基于无线信道特征的对称密钥生成与分发的保密通信系统各个模块的工作流程如下：
密钥生成模块的工作流程包括以下步骤：
S1、提取加密信号的信号特征。
信号特征包括信号强度和多普勒频移中的至少一个。
S2、时序瞄准，即为提取的信号特征加时间戳。
S3、信息量化，将信号特征由浮点数据转换为二进制数据。
S4、信息协商，与另一子系统的密钥生成模块进行一致性协商，与另一子系统的密钥生成模块同时生成相同的密钥。信息协商的方法包括修改或删除二进制的信号特征中不同的数据帧等，以生成相同的密钥。
S5、对所述密钥进行去相关性。
在该步骤中，可使用hash函数去相关性方法去除当前数据帧的密钥与之前的数据帧的密钥的相关性。在S1-S4中生成的相同密钥的各个位之间可能存在相关性，可能能够通过相关性来预测之后的密钥，使得密钥可能被破解，所以需要通过hash函数来去除S4中生成的密钥的每一位之间的相关性，使密钥的生成是随机的。
S6、与另一子系统的密钥生成模块进行密钥校验，生成一致密钥。
在本发明的实施例中，去除相关性之后，原本相同的密钥可能再次出现不同的序列，因此，需要再将密钥校验一次，如果两个子系统生成的密钥不存在不一致的序列，则将该所述作为一致密钥，如果两个子系统生成的密钥存在不一致的序列，则修改一致后作为一致密钥。一致密钥的序列长度与两个子系统之间通信的数据帧的帧长度相等。在加密过程中，加密发送模块可通过将一致密钥与数据帧的每一位数据分别进行异或运算的方式对数据帧进行加密。
一致密钥生成后，可为下一组数据帧加密，因此，为了保证上电开始时有足够多的密钥，采用预存密钥方式，至少预存一个数据帧长度的密钥。
加密发送模块的工作流程如下：
首先将需要发送的数据进行组帧，以生成数据帧；随后使用所述一致密钥对数据帧进行加密，在实施例中，帧头数据不进行加密，可作为识别帧；之后进行RS编码，在示例中，对加密数据帧进行RS(255，223)编码；之后进行加扰，即数据交织；之后进行码型变换，在示例中，将NRZ-L码型变换为NRZ-M码型；之后进行卷积编码，在示例中，可进行(2，1，7)卷积编码；之后进行扩频，扩频之后进行成型滤波，再进行调制；调制后进行数字上变频，将基带数据上变频至140MHz，随后进行D/A转换，以模拟信号的形式进行发送。
解密接收模块的工作流程如下：
对接收的模拟信号进行A/D转换，随后进行数字下变频，在示例中，将140MHz的数据下变频至基带数据；随后对基带数据进行解扩，在示例中，使用伪码同步的方式进行解扩；解扩之后进行载波跟踪，以对信号进行解调；随后对解调后的数据解卷积，再进行码型变换，即，将NRZ-M码型变换为NRZ-L码型；随后将数据解扰，解扰后即为另一子系统的加密发送模块发送的加密数据；解密接收模块随后使用一致密钥对该加密数据进行解密，得到解密后的数据帧，最后进行解帧，即可获得原始数据。
在本发明的实施例中，密钥生成模块提取解扩处理之后的加密信号的信号特征，即提取解扩之后的信号强度和多普勒频移中的至少一个。
在本发明的实施例中，数据通信和密钥协商使用的通信信道不同，以免密钥协商的过程占用数据通信信道的资源，在实施例中，在信息链路的Q路进行密钥协商，生成一致密钥，在信息链路的I路发送加密后的信号。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.基于无线信道特征的对称密钥生成与分发的保密通信系统，其特征在于，包括第一子系统和第二子系统，所述第一子系统和第二子系统均包括：加密发送模块、解密接收模块和密钥生成模块；
第一子系统和第二子系统中的一个子系统的加密发送模块使用密钥生成模块生成的一致密钥对数据帧进行加密以生成加密数据帧，并对加密数据帧进行数据处理后形成加密信号发送到另一个子系统的解密接收模块；
第一子系统和第二子系统中的一个子系统的解密接收模块接收另一个子系统的加密发送模块发送的加密信号，对加密信号进行信号处理以生成加密数据帧，并根据密钥生成模块生成的一致密钥对加密数据帧进行解密；
第一子系统和第二子系统中的一个子系统的密钥生成模块提取解密接收模块接收的加密信号的信号特征，根据信号特征生成随机密钥，并将所述随机密钥与另一个子系统中生成的随机密钥进行一致性协商，同时生成一致密钥，以用于下一组数据帧的加密；
系统上电开始前，采用预存密钥方式，至少预存一个数据帧长度的密钥；
在第一子系统和第二子系统之间建立信息链路；
所述信息链路包括：Q路通信信道和I路通信信道，信息链路的Q路通信信道进行密钥协商，生成一致密钥，信息链路的I路通信信道用于发射加密后的数据通信信号；
第一子系统和第二子系统中发送加密信号的一方作为发送方，另一方则作为接收方；
1)发送方的加密发送模块将加密信号通过信息链路的I路通信信道发送到接收方的解密接收模块；
2)接收方的解密接收模块接收发送方加密发送模块发送的加密信号，将经过解扩处理后的加密信号发送给接收方的密钥生成模块；
3)接收方的密钥生成模块提取解扩处理后的加密信号的信号特征，根据信号特征生成随机密钥，并在信息链路的Q路通信信道与发送方生成的随机密钥进行一致性协商，生成一致密钥；
信号特征包括：信号强度和多普勒频移中的至少一个；
加密发送模块对加密数据帧进行数据处理包括对加密数据帧进行编码、扩频、调制、数字上变频和D/A转换处理；
加密发送模块：首先将需要发送的数据进行组帧，以生成数据帧；随后使用所述一致密钥对数据帧进行加密，帧头数据不进行加密，可作为识别帧；之后对加密数据帧进行RS编码；之后进行加扰；之后进行码型变换，将NRZ-L码型变换为NRZ-M码型；之后进行卷积编码；之后进行扩频，扩频之后进行成型滤波，再进行调制；调制后进行数字上变频，将基带数据上变频至140MHz，随后进行D/A转换，以模拟信号的形式进行发送；
解密接收模块对加密信号进行信号处理包括A/D转换、数字下变频、解扩、载波跟踪和译码处理；
解密接收模块：对接收的模拟信号进行A/D转换，随后进行数字下变频至基带数据；随后对基带数据进行解扩，使用伪码同步的方式进行解扩；解扩之后进行载波跟踪，以对信号进行解调；随后对解调后的数据解卷积，再进行码型变换，将NRZ-M码型变换为NRZ-L码型；随后将数据解扰，解扰后即为另一子系统的加密发送模块发送的加密数据；解密接收模块随后使用一致密钥对该加密数据进行解密，得到解密后的数据帧，最后进行解帧，即可获得原始数据；
加密发送模块通过将一致密钥与数据帧的每一位数据分别进行异或运算的方式对数据帧进行加密。
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保密通信系统，其特征在于，所述密钥生成模块生成一致密钥包括以下步骤：
S1、提取加密信号的信号特征；
S2、为提取的信号特征加时间戳；
S3、将信号特征由浮点数据转换为二进制数据；
S4、与另一子系统的密钥生成模块进行一致性协商，与另一子系统的密钥生成模块同时生成相同的密钥；
S5、对所述密钥进行去相关性；
S6、与另一子系统的密钥生成模块进行密钥校验，生成一致密钥。
3.根据权利要求2所述的基于无线信道特征的对称密钥生成与分发的保密通信系统，其特征在于，在步骤S1中，所述信号特征包括信号强度和多普勒频移中的至少一个。
4.根据权利要求2所述的基于无线信道特征的对称密钥生成与分发的保密通信系统，其特征在于，在步骤S5中，使用hash函数去相关性方法去除S4中生成的密钥的每一位之间的相关性。
5.根据权利要求2所述的基于无线信道特征的对称密钥生成与分发的保密通信系统，其特征在于，在步骤S6中，对两个子系统分别进行去相关性之后的密钥进行校验，如果两个子系统生成的密钥不存在不一致的序列，则将所述密钥中的一个作为一致密钥，如果两个子系统生成的密钥存在不一致的序列，则修改一致后作为一致密钥。
6.根据权利要求2所述的基于无线信道特征的对称密钥生成与分发的保密通信系统，其特征在于，所述一致密钥的序列长度与数据帧的帧长度相等。
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