CN108123951B - 一种集群通信脱网直通语音组呼传输加密方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及集群通信系统，尤其是一种集群通信脱网直通语音组呼传输加密方法及装置。本发明主讲方密码模块根据当前时间获取对应DMO密钥加密主讲方会话密钥，得到对应密文；主讲方通信终端将承载密文的语音数据重复发送T次，第x个监听方通信终端对所述T帧承载密文的语音数据进行处理，得到所述密文；然后通过第x个监听方密码模块的DMO根密钥解析，得到与主讲方会话密钥相同的第x个监听方会话密钥；从T+1帧开始，第x个监听方密码模块采用与主讲方对应相同的对称加解密算法，第x个会话密钥以及第x个监听方初始向量对主讲方通信终端发送的加密语音帧数据进行解密；故主讲方通信终端发送的语音数据被第x个监听方通信终端接收到并播放。

Description

一种集群通信脱网直通语音组呼传输加密方法及装置
技术领域
本发明涉及集群通信系统，尤其是一种集群通信脱网直通语音组呼传输加密方法及装置。
背景技术
集群移动通信系统是一种高级移动指挥调度系统，在指挥、调度功能要求较高的企业、事业单位、公安、军队、油田、机场等部门发挥着巨大的作用。与公共移动通信系统相比，数字集群通信系统具有呼叫接续快、安全可靠性高、资源利用率高等特点，特别适用于移动用户从事生产调度和指挥控制等业务。
脱网直通模式是集群移动通信系统中的一种重要特性，脱网直通模式技术是指在没有集群网络或有网络但网络覆盖较差的情况下，向终端提供的一种可选的特殊的通讯方式，该通讯方式无需基站的支撑，可以在集群终端之间直接通信。在集群通信系统中，很多场合都需要使用脱网直通模式，如当终端不在网络的覆盖区时。脱网直通组呼为半双工方式通信，参与通信各方设置相同的DMO通信频率后可进行DMO通信。呼叫方按下PTT键(例如：对讲机的PPT键)讲话(例如：采用呼叫方的对讲机呼叫)，监听方监听(例如：采用监听方的对讲机监听)，呼叫方松开PTT键后，其他监听方可按下PTT抢权讲话。一般的集群系统的DMO语音通信未实现加密，存在被窃听的风险，而对于军队、事业单位等用户的通信信息较为敏感，有强烈的加密通信需求；DMO通信为终端之间直接进行的通信，加密时无法采用通过中心密码管理设备集中分发密钥的方式实现密钥分发，只能是端端直接分发。通过查询现有公开的移动通信语音加密通信技术的研究论文、专利、相关产品，尚无系统的提出一种安全、可靠、实用的DMO密钥分发和语音加密的实现途径；因此提出一种安全、可靠、实用的DMO组呼加密的实现方法，存在现实必要性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术存在的问题，提供一种集群通信脱网直通语音组呼传输加密方法及装置。用于实现组呼语音的密钥分发和语音传输加密保护。
本发明采用的技术方案如下：
一种集群通信脱网直通语音组呼传输加密方法包括：
DMO密钥设置步骤：在主讲方加密模块与第x个监听方加密模块中预置对应相同的DMO密钥；
主讲方会话密钥加密步骤：主讲方密码模块根据当前时间获取对应DMO密钥加密主讲方会话密钥，得到对应密文；
监听方会话密钥获取步骤：主讲方通信终端将承载所述密文的语音数据重复发送T次，即发送T帧承载密文的语音数据；第x个监听方通信终端对所述T帧承载密文的语音数据进行处理，得到所述密文；然后通过第x个监听方密码模块的DMO根密钥解析，得到与主讲方会话密钥相同的第x个监听方会话密钥；
语音数据传输步骤：从T+1帧开始，第x个监听方密码模块采用与主讲方对应相同的对称加解密算法，第x个会话密钥以及第x个监听方初始向量对主讲方通信终端发送的加密语音帧数据进行解密；故主讲方通信终端发送的语音数据被第x个监听方通信终端接收到并播放；其中，从T+2帧开始，主讲方的初始向量与第x个监听方的初始向量都是各自对应前一帧语音数据密文的相应字节。
进一步的，所述主讲方会话密钥与第x个监听方通信终端会话密钥都通过相同算法(相同算法指的是采用杂凑算法，通过该杂凑算法对主讲方会话密钥计算杂凑值作为主讲方初始向量；通过该杂凑算法对第x个监听方通信终端会话密钥计算杂凑值作为第x个监听方初始向量)进行处理，得到与主讲方初始向量相同的第x个监听方初始向量。
进一步的，所述第x个监听方通信终端基于大数判定方法，对所述T帧承载密文的语音数据进行处理，得到所述密文。
进一步的，所述第x个监听方通信终端接收到T帧承载密文的语音数据，统计每个承载密文的语音数据中，从第1比特到第M*8比特的值中0和1的次数；统计T个承载密文的语音数据中相同的比特位的数据值，若当前比特位为0的次数大于等于(T+1)/2，则当前比特位为0，否则为1，逐一得到M字节会话密钥密文的每个比特。
进一步的，所述加密语音帧数据是主讲方密码模块采用对称加解密算法(对称加解密算法，例如：流密码算法)，主讲方会话密钥以及主讲方初始向量加密语音帧语音数据得到的。
进一步的，所述预置的DMO密钥是通过中心密码管理设备集中分发密钥。
进一步的，所述主讲方会话密钥是主讲方密码模块随机产生的随机数形成的M字节会话密钥。
进一步的，所述DMO根密钥在D个时间区间都不相同；D个时间区间形成一个时间周期，(例如该时间周期为一天，一周或者一个月)。
进一步的，所述第x个监听方通信终端接收到前T帧语音数据静音播放。
基于所述的加密方法的加密装置包括DMO密钥设置步骤：在主讲方密码模块与第x个监听方密码模块中预置对应相同的DMO密钥；
主讲方会话密钥加密模块：主讲方密码模块根据所述DMO密钥加密主讲方会话密钥，得到对应密文；
监听方会话密钥获取模块：主讲方通信终端将承载所述密文的语音数据重复发送T次，即发送T帧承载密文的语音数据；第x个监听方通信终端对所述T帧承载密文的语音数据进行处理，得到所述密文；然后通过第x个监听方的DMO根密钥解析，得到与主讲方会话密钥相同的第x个监听方会话密钥；
语音数据传输模块：从T+1帧开始，第x个监听方密码模块采用与主讲方对应相同的对称加解密算法，第x个会话密钥以及第x个监听方初始向量对主讲方通信终端发送的加密语音帧数据进行解密；故主讲方通信终端发送的语音数据被第x个监听方通信终端接收到并播放；其中，从T+2帧开始，主讲方的初始向量与第x个监听方的初始向量都是各自对应前一帧语音数据密文的相应字节。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
适用于DMO半双工通信，密钥分发不依赖于密钥管理中心，直接端端分发，可靠迅速，加密语音音质损失小；安全性高，密码运算在密码模块内实现，DMO根密钥按时间周期更换，有一定的防前向攻击能力，会话密钥在密码模块内部产生，密钥明文不会在密码模块以外的任何地方出现，通信时一次一密，密码连续同步。
可实现DMO组呼通信传输加密的机密性保护和一定程度的防前向攻击。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1为本发明其中一实施例的密钥分发流程图。
图2为集群通信终端和密码模块组成框图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
本发明中：通信终端调用密码模块实现脱网直通模式下组呼通信数据的传输加密；密码模块进行DMO根密钥预置，DMO根密钥按更换时间周期分组；DMO通信时，主讲方发起呼叫时，先将本次通话产生的随机数作为会话密钥，采用分组密码和DMO根密钥加密后，由语音帧承载，分发给监听方，监听方通过大数判决方式获取会话密钥，通过将会话密钥作为输入，计算单向散列值作为初始向量，主讲方和监听方进入组呼加密语音通信，语音信息采用流密码加密；后续密码同步采用当前语音帧密文作为下一帧语音加密的初始向量。
在本具体实施例中，会话密钥长度为16字节，所述密钥分发数据帧格式如表一所示，语音帧长度为26字节，前16字节携带会话密钥密文，后10字节置0。
表一密钥分发数据帧
会话密钥密文(16字节) 置0(10字节)
在本具体实施例中，首先设定一个会话密钥分发发送次数T，主讲方将承载了会话密钥对应密文的语音帧重复发送T次(T为奇数)给监听方；监听方通信终端从接收到的T帧语音帧中，统计T个语音帧中，从第1比特到第M*8比特的值中0和1的次数；若当前比特位为0的次数大于等于(T+1)/2，则当前比特位为0，否则为1。通过此判定方法，逐一得到会话密钥对应的密文。
本发明工作过程是：主讲方通信终端通过主讲方密码模块产生M字节随机数作为主讲方会话密钥，并通过主讲方密码模块预置的DMO密钥，采用对称分组密码算法进行加密，产生主讲方会话密钥对应的密文；
主讲方将承载了所述密文的语音帧重复发送T次；T为大于等于的奇数；
第x个监听方通信终端按照大数判定方法得到所述密文，采用该监听方密码模块预置的DMO密钥，采用分组密码算法进行解密，得到所述密文对应的主讲方会话密钥，并得到第x个监听方会话密钥对应的监听方初始向量；
从T+1帧开始，主讲方采用流密码算法，通过所述主讲方会话密钥和该主讲方会话密钥对应的主讲方初始向量加密语音帧数据，得到加密语音帧数据并发送；
第x个监听方通信终端采用流密码算法，通过所述主讲方会话密钥和该主讲方会话密钥对应的初始向量解密所述加密语音帧数据并播放；
其中，从T+2帧开始，主讲方初始向量和监听方初始向量都取前一帧语音数据密文的相应长度字节。
更具体的，所述主讲方初始向量是通过主讲方会话密钥采用杂凑算法计算杂凑值得到；第x个监听方的初始向量是第x个监听方会话密钥采用杂凑算法计算杂凑值得到；通过大数判定方法使得第x个监听方得到语音携带的密文与主讲方发送的语音数据携带的密文一致；第x个监听方得到语音携带的密文采用与主讲方会话密钥配对的方式解密，得到的第x个监听方会话密钥与主讲方会话密钥一致。
实施例二：在本具体实施例中，各密码模块已完成366组的DMO根密钥预置，DMO组呼加密通信流程如图1所示：
A1、主讲方通信终端通过密码模块产生M＝16字节随机数作为会话密钥，并采用杂凑算法对会话密钥计算杂凑值作为初始向量，密码模块通过当前时间在一年中的天数取得DMO根密钥，采用分组密码算法，DMO根密钥加密后将密文承载到26字节长度的语音帧的前16字节中；
A2、主讲方将承载了会话密钥密文的语音帧重复发送T＝7次给监听方；
A3、监听方通信终端从接收到的7帧语音帧中，统计7个语音帧中，从第1比特到第16*8比特的值中0和1的次数；若当前比特位为0的次数大于等于(T+1)/2，则当前比特位为0，否则为1。通过此判定方法，逐一得到16字节会话密钥密文；密码模块通过当前时间在一年中的天数取得DMO根密钥，采用分组密码算法，DMO根密钥解密此密文得到会话密钥，并采用杂凑算法对会话密钥计算杂凑值作为初始向量；监听方对这T帧语音帧数据做静音播放；
A4、从第8帧开始，主讲方采用流密码算法，会话密钥加密语音帧语音数据，监听方采用流密码算法，会话密钥解密语音帧语音数据；从第9帧开始，初始向量为取前一帧语音数据密文的相应长度字节得到；
A5、主讲方释放信道时，主讲方和监听方的密码模块清除当前通信会话密钥；
所述集群通信终端为搭载安卓系统的集群手持终端，所述密码模块为TF密码卡；集群通信终端和TF密码卡通过标准TF卡插槽连接，通过标准SD协议进行数据通信。
如图2所示，基于上述DMO组呼的加密传输方法及系统，包括两个以上集群通信终端，其特征在于，还包括与集群通信终端一一对应的TF密码卡；所有的算法运算均在TF密码卡中进行；DMO加密通信的预制密钥和会话密钥也在TF密码卡内产生和存储，做到密钥明文不出卡。
通过在实际信道环境下的测试，密钥分发成功率在95％以上，密钥分发时间为140ms，具备实用性推广的价值。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (7)

1.一种集群通信脱网直通语音组呼传输加密方法，其特征在于包括：
DMO根密钥设置步骤：在主讲方加密模块与第x个监听方加密模块中预置对应相同的DMO根密钥；
主讲方会话密钥加密步骤：主讲方密码模块根据当前时间获取对应DMO根密钥加密主讲方会话密钥，得到对应密文；
监听方会话密钥获取步骤：主讲方通信终端将承载所述密文的语音数据重复发送T次，即发送T帧承载密文的语音数据；第x个监听方通信终端对所述T帧承载密文的语音数据进行处理，得到所述密文；然后通过第x个监听方密码模块的DMO根密钥解析，得到与主讲方会话密钥相同的第x个监听方会话密钥；所述第x个监听方通信终端接收到T帧承载密文的语音数据，统计每个承载密文的语音数据中，从第1比特到第M*8比特的值中0和1的次数；统计T个承载密文的语音数据中相同的比特位的数据值，若当前比特位为0的次数大于等于(T+1)/2，则当前比特位为0，否则为1，逐一得到M字节会话密钥密文的每个比特；
语音数据传输步骤：从T+1帧开始，第x个监听方密码模块采用与主讲方对应相同的对称加解密算法，第x个会话密钥以及第x个监听方初始向量对主讲方通信终端发送的加密语音帧数据进行解密；故主讲方通信终端发送的语音数据被第x个监听方通信终端接收到并播放；
其中，从T+2帧开始，主讲方的初始向量与第x个监听方的初始向量都是各自对应前一帧语音数据密文的相应字节；所述主讲方会话密钥与第x个监听方通信终端会话密钥都通过相同算法进行处理，得到与主讲方初始向量相同的第x个监听方初始向量；所述第x个监听方通信终端基于大数判定方法，对所述T帧承载密文的语音数据进行处理，得到所述密文。
2.根据权利要求1所述的加密方法，其特征在于所述加密语音帧数据是主讲方密码模块采用对称加解密算法，主讲方会话密钥以及主讲方初始向量加密语音帧语音数据得到的。
3.根据权利要求2所述的加密方法，其特征在于所述预置的DMO密钥是通过中心密码管理设备集中分发密钥。
4.根据权利要求3所述的加密方法，其特征在于所述主讲方会话密钥是主讲方密码模块随机产生的随机数形成的M字节会话密钥。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的加密方法，其特征在于所述DMO根密钥在D个时间区间都不相同；D个时间区间形成一个时间周期。
6.根据权利要求5所述的加密方法，其特征在于所述第x个监听方通信终端接收到前T帧语音数据静音播放。
7.基于权利要求1、2、3、4或6所述的加密方法的加密装置，其特征在于包括DMO密钥设置步骤：在主讲方密码模块与第x个监听方密码模块中预置对应相同的DMO密钥；
主讲方会话密钥加密模块：主讲方密码模块根据所述DMO密钥加密主讲方会话密钥，得到对应密文；
监听方会话密钥获取模块：主讲方通信终端将承载所述密文的语音数据重复发送T次，即发送T帧承载密文的语音数据；第x个监听方通信终端对所述T帧承载密文的语音数据进行处理，得到所述密文；然后通过第x个监听方的DMO根密钥解析，得到与主讲方会话密钥相同的第x个监听方会话密钥；所述第x个监听方通信终端接收到T帧承载密文的语音数据，统计每个承载密文的语音数据中，从第1比特到第M*8比特的值中0和1的次数；统计T个承载密文的语音数据中相同的比特位的数据值，若当前比特位为0的次数大于等于(T+1)/2，则当前比特位为0，否则为1，逐一得到M字节会话密钥密文的每个比特；
语音数据传输模块：从T+1帧开始，第x个监听方密码模块采用与主讲方对应相同的对称加解密算法，第x个会话密钥以及第x个监听方初始向量对主讲方通信终端发送的加密语音帧数据进行解密；故主讲方通信终端发送的语音数据被第x个监听方通信终端接收到并播放；其中，从T+2帧开始，主讲方的初始向量与第x个监听方的初始向量都是各自对应前一帧语音数据密文的相应字节；
其中所述主讲方会话密钥与第x个监听方通信终端会话密钥都通过相同算法进行处理，得到与主讲方初始向量相同的第x个监听方初始向量；所述第x个监听方通信终端基于大数判定方法，对所述T帧承载密文的语音数据进行处理，得到所述密文。
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