CN109547119B - 基于非可听音频隐蔽信道的抗干扰信息传输方法 - Google Patents

基于非可听音频隐蔽信道的抗干扰信息传输方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于非可听音频隐蔽信道的抗干扰信息传输方法，包括，步骤一：预备共享频段，验证码，前导码和ACK码；步骤二：设置频段；步骤三：传输方和接收方随机使用两个频段作为传输频段和接收频段；步骤四：传输方以前导码，信息和验证码的顺序结合，发送出去；接收方接收，进行解码，提取信息与验证码；步骤五：验证码正确，说明没有被干扰；否则，说明被干扰，接收方将前导码结合变频信号发送给传输方，传输方接收，由于接收方发送的频段与传输方发送的频段不同，不会被干扰；接收方传输和接收频段都变频到信号对应的频段，传输方接收信息后传输和接收频段也变频信号对应的频段，以此完成抗干扰的目标，保证信息顺利正确地完成传输。

Description

基于非可听音频隐蔽信道的抗干扰信息传输方法
技术领域
本发明涉及通信领域信息安全传输的非可听音频隐蔽信道，尤其是涉及一种基于非可听音频隐蔽信道的抗干扰信息传输方法。
背景技术
随着互联网的普及和大数据时代的来临，信息传输越来越重要。抵御外界干扰，可以为传输提供良好的环境，保证信息的顺利传输。而现实中普遍使用的信息传输方式容易被察觉，容易被发现，所以容易被干扰。
隐蔽信道是一种允许进程以违背系统安全策略的形式传送信息的通信通道。信息通过隐蔽信道可以在他人难以察觉的情况下完成传输，这样传输就不容易被干扰。而隐蔽信道可以由很多种方式来构建，超声波或者次声波是很好的载体。通过超声波或者次声波这类非可听音频来构建隐蔽信道(Deshotels L.Inaudible sound as a covert channelin mobile devices[C].Usenix Conference on Offensive Technologies,2014:16-16.)虽然十分隐蔽，人难以察觉，但是这个方法还是有不足之处，现有的非可听音频隐蔽信道会被干扰方干扰，传输过程可以被机器发现并被干扰，因为干扰方的音频扫描器可以扫描多个频段的声音，包括超声波频段和次声波频段，信息如果被干扰，就无法顺利地完成正确的传输。
发明内容
本发明的目的在于针对现有的非可听音频隐蔽信道所存在的会被干扰的问题，提出一种基于验证码来提示传输方和接收方变频以避免被干扰的隐蔽信道构造方法。
一种基于非可听音频隐蔽信道的抗干扰信息传输方法，包括：
步骤一：预备2X个共享频段，一个验证码，前导码和ACK(Acknowledgement，确认字符)码，传输方和接收方都共享这些频段，验证码，前导码和ACK码，其中X>1。
步骤二：设置频段，使传输方传输信息的频段和接收方接收信息的频段相同，传输方接收信息的频段和接收方传输信息的频段相同，但是传输方传输信息的频段和接收信息的频段不相同，接收方传输信息的频段和接收信息的频段不相同。
步骤三：开始，传输方和接收方随机使用2X个共享频段中的两个频段作为传输频段和接收频段，双方的传输频段和接收频段保持步骤二成立。
步骤四：传输方以前导码，信息和验证码的组合，转化成非可听音频，发送出去；接收方接收，进行解码，提取信息与验证码。
步骤五：如果验证码正确，说明没有受到干扰，接收方将前导码和ACK码结合后发送给传输方，表示正确传输，传输方接收提取ACK码，继续传输；如果传输方在设定时间内没有接收到ACK码，传输方重新传输上次发送的非可听音频；如果提取的验证码与共享验证码不同，说明受到干扰，接收方将前导码结合通知变频的信号发送给传输方，传输方接收，由于接收方发送的频段与传输方发送的频段不同，不会被干扰；接收方传输和接收频段都变频到信号对应的共享频段，传输方接收信息后传输和接收频段也通知变频的信号对应的共享频段，保持步骤二成立，重新进行信息传输。
进一步的，所有步骤在空气里传播的媒介都是超声波或者次声波，在传输方或者接收方的传输和接收过程中，验证码，前导码和ACK码都是0和1编码的二进制字符串流，传输时是把二进制字符串流转化为非可听音频，接收时是把非可听音频解码成二进制字符串流。
进一步的，所述二进制字符串流转化为非可听音频时，字符1对应的是以频段上界为频率的正弦波，字符0对应的是以频段下界为频率的正弦波。
进一步的，所述步骤四和步骤五中传输方和接收方之间的距离要保证双方都能接收到有效的非可听音频。
进一步的，所述通知变频的信号是随机生成的2X位二进制字符串流即二进制比特串流，通知变频的信号由两部分组成，两部分对应两个预备的共享频段，前一部分表示传输方变频后的传输频段，后一部分表示传输方变频后的接收频段，传输方和接收方变频后的频段保持步骤二成立，同时双方变频后的频段要与未变频前的频段不同。
进一步的，整个信息传输过程中都由接收方发送ACK码或者通知变频的信号，传输方接收ACK码或者通知变频的信号之后，传输方才继续传输信息。
进一步的，所述步骤四里传输方每次截取固定长度的信息，并将截取的信息与验证码组合，前导码置于组合的前面；接收方解码后提取前导码后的组合信息，即信息和验证码。
进一步的，变频到信号指的是每个通知变频的信号的两部分对应两个预备的共享频段，比如，一开始预备了20k-21khZ,21k-22khZ,22k-23khZ,23k-24khZ这4个频段，那么用2个比特对应这4个频段，因为2个比特有4种组合方式，每种组合方式对应一个频段。比如00对应20k-21khZ，01对应21k-22khZ，10对应22k-23khZ,11对应23k-24khZ。通知变频的信号的两个部分，即前部分与后半部分，组合起来之后是一个完整的通知变频的信号。比如，0011代表传输方传输频段变频到20k-21khZ，传输方接收频段变频到23k-24khZ。
进一步的，传输方与接收方共享一个m(m>1)位的验证码和2X(X>0)个共享频段。传输方有k(k远大于m)位二进制比特串流信息要发送给接收方。进一步的，传输方每次截取m-1位二进制比特串流信息，将m位验证码和m-1位二进制比特串流信息交叉排列，其中每两位验证码之间有一位二进制比特串流信息。再组合前导码，前导码在前。传输方将组合好的二进制比特串流转化为非可听音频。
进一步的，接收方接收非可听音频进行解码，将非可听音频转化为二进制比特串流。提取出前导码后的验证码和信息。如果验证码和共享验证码相同，则接收信息，并向传输方发送前导码和ACK码结合的信号，表示正确传输，传输方接收提取ACK码，继续开始传输信息。
进一步的，如果验证码和共享验证码不相同，则接收方随机生成2X位二进制比特串流的通知变频的信号，其中信号前一部分对应传输方变频后的传输频段，信号后一部分对应传输方变频后的接收频段。通知变频的信号来自于共享频段。接收方将自己的接收频段变频到对应的共享频段，再发送通知变频的信号给传输方,然后才将自己的传输频段变频到对应的共享频段。传输方接收到通知变频的信号，解码再把传输和接收频段变频到信号对应的频段。重复以上第二至第五步骤。
进一步的，如果对接收信息的准确率不严格，若允许有设定百分比a的误码率，允许解码出来的验证码和共享验证码存在与百分比a相同比例的不同，那么提取的验证码与共享验证码的误码率能为a；若要求传输准确率为100％，则提取验证码与共享验证码只要误码率大于0％就产生通知变频的信号。例如允许有10％的误码率，那么允许解码出来的验证码和共享验证码存在10％的不同，那么提取的验证码与共享验证码的误码率可以为10％；若要求传输准确率为100％，则提取验证码与共享验证码只要误码率大于0％就产生通知变频的信号。
与现有技术相比所具有的有益效果为：本发明是基于非可听音频隐蔽信道的抗干扰信息传输方法，在已有的技术上，增加了抗干扰的内容，如果信息传输过程被干扰方干扰，传输方和接收方会实现变频来躲避干扰方的干扰，以此完成抗干扰的目标，保证信息顺利正确地完成传输。
附图说明
图1为本发明非可听音频隐蔽信道通信流程框架图；
图2为本发明中信息转化为非可听音频的框架图；
图3为本发明中非可听音频转化为二进制比特串流的框架图；
图4为本实施例中第一低通滤波器的波形图；
图5为本实施例中第二低通滤波器的波形图。
具体实施方法
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
本发明首先通过传输方和接收方共享验证码和共享频段来为后续的验证和变频提供条件，以超声波或者次声波非可听音频来作为载体来建立隐蔽信道，保证信息的顺利传输。
对基于非可听音频隐蔽信道的抗干扰信息传输方法进行实施，以matlab作为实现工具，如图1所示，具体流程如下：
第一步，预备有2X个共享频段，一个m位(m>1)验证码，前导码和ACK码，传输方和接收方都共享这些频段，验证码，前导码和ACK码，本实施例中X为8，m为51。传输方有k(k远大于m)位二进制比特串流信息要发送给接收方，本实施例中k为2000。传输方把k位二进制比特串流信息分成Z份，每份大小相同，都为m-1位二进制比特串流。
第二步，传输方和接收方初始化，初始化双方的传输频段和接收频段，传输方的传输频段和接收方的接收频段相同，传输方的接收频段和接收方的传输频段相同。所有频段的选择都是来自预备的共享频段，而且传输频段和接收频段不相同。
第三步：传输方和接收方随机使用2X个频段中的两个频段作为传输频段和接收频段，但传输方和接收方的传输频段和接收频段要保持步骤二成立。
第四步：1)转化成非可听音频的过程，如图2所示，传输方将二进制比特串流信息和验证码交叉排列，其中每两位验证码之间有一位二进制比特串流信息。这个组合好的二进制比特串流再结合前导码，前导码在前。传输方把再次组合好的二进制比特串流转化为非可听音频。具体如下：对于每一位比特，把它转化为正弦波。人的听觉频率范围是200hZ到20khZ，共享频段都是人可听频率外的频段。当比特为1时，正弦波
Figure GDA0003045425710000051
的频率对应传输方传输频段的上界频率f1；当比特为0时，正弦波cos(w2t+θn)的频率对应传输方传输频段的下界频率f2，其中，
Figure GDA0003045425710000052
w是三角函数的角速度，比如20k-21khZ,那么f1＝21khZ,f2＝20khZ，t是指时间，
Figure GDA0003045425710000053
θn都是随机参数。matlab将两个正弦波合并转化为音波，完成信息到非可听音频的转化，合并的非可听音频函数为
Figure GDA0003045425710000054
其中s1(t)和s2(t)都是关于时间t的指示函数，两者不同，在时间t内，如果要转化为音频的比特是1，那么s1(t)为1，s2(t)为0；如果要转化为音频的比特是0，那么s1(t)为0，s2(t)为1。
2)解码过程，如图3所示，接收方接收非可听音频f(t)+n(t)并进行解码，n(t)为非可听音频中的噪音，带噪音的非可听音频一部分依次通过带通滤波器w1，相乘器cos w1和第一低通滤波器，另一部分依次通过带通滤波器w2，相乘器cos w2和第二低通滤波器，最后得到f1和f2两个波形，波形图如图4和图5所示，这两个波形通过抽样判决器，提取出非可听音频对应的二进制比特串流。通过比较两个频率的波形，可以判断出波形对应的比特值。例如，1秒的音频对应一个比特，由于波形是几乎是方形波，只要对比单位时间内两段波形的平均波峰值即可判断。图4里第一秒f1的平均波峰值约为0.5，f2的平均波峰值约为0，所以第一秒的音频解码的比特值为1。第三秒f1的平均波峰值约为0，f2的平均波峰值约为0.5，所以第三秒的音频解码的比特值为0。按这个方法解码时间t内的非可听音频。
第五步，通过解码出来的二进制比特串流，再进一步分离出验证码和二进制比特串流信息。如果验证码和共享的验证码相同，则刚接收的二进制比特串流信息没有受到干扰，接收方将前导码和ACK码结合发送给传输方，传输方接收解码发现ACK码，继续进行传输，继续进行以上第一到第五步骤。否则，丢弃刚接收的二进制比特串流信息，并进行以下操作。
第六步，接收方随机生成2X位二进制，作为通知变频的信号，对应的是第一步2X个共享频段。通知变频的信号有两部分，前一半部分对应传输频段，后一半部分对应接收频段。接收方将自己的接收频段变频到对应的共享频段，再发送通知变频的信号给传输方,然后才将自己的传输频段变频到对应的共享频段。接收方将生成的二进制比特串流以第四步的1)过程转化为非可听音频。因为传输频段和接收频段不同，因此这个通知变频的信号不会被干扰。
传输过程被干扰，接收方将自己的传输频段和接收频段变频到通知变频的信号对应的共享频段。变频到对应的预备共享频段是为了保证避免干扰方的干扰，因为如果没有预备共享频段，传输方和接收方随机变频，那么传输方的传输频段不等于接收方的接收频段，传输方的接收频段不等于接收方的传输频段，二者之间不能实现继续通信。
第七步，传输方接收到通知变频的信号，以第四步的2)过程解码之后，将传输频段和接收频段变频到信号对应的共享频段(传输方和接收方变频后的频段保持步骤二成立，同时双方变频后的频段要与未变频前的频段不同)，继续进行以上第一到第五步骤。
以上是基于非可听音频隐蔽信道，并在此基础上抵抗外界干扰的方法。

Claims (10)

1.基于非可听音频隐蔽信道的抗干扰信息传输方法，其特征在于，包括：
步骤一：预备2X个共享频段，一个m位的验证码，前导码和ACK码，传输方和接收方都共享这些频段，验证码，前导码和ACK码，其中X>1，m>1；
步骤二：设置频段，使传输方传输信息的频段和接收方接收信息的频段相同，传输方接收信息的频段和接收方传输信息的频段相同，但是传输方传输信息的频段和接收信息的频段不相同，接收方传输信息的频段和接收信息的频段不相同；
步骤三：开始，传输方和接收方随机使用2x个共享频段中的两个频段作为传输频段和接收频段，双方的传输频段和接收频段要保持步骤二成立；
步骤四：传输方以前导码，信息和验证码的组合，转化成非可听音频，发送出去；接收方接收，进行解码，提取信息与验证码；
步骤五：如果验证码正确，说明没有受到干扰，接收方将前导码和ACK码结合后发送给传输方，表示正确传输，传输方接收提取ACK码，继续传输；如果传输方在设定时间内没有接收到ACK码，传输方重新传输上次发送的非可听音频；如果提取的验证码与共享验证码不同，说明受到干扰；接收方把前导码和通知变频的信号结合并发送给传输方，传输方接收，由于接收方发送的频段与传输方发送的频段不同，不会被干扰；接收方传输频段和接收频段都变频到信号对应的共享频段，传输方接收通知变频的信号后传输频段和接收频段也变频到信号对应的共享频段，同时保持步骤二成立，重新进行信息传输。
2.根据权利要求1所述的抗干扰信息传输方法，其特征在于：所有步骤在空气里传播的媒介都是超声波或者次声波，在传输方或者接收方的传输和接收过程中，验证码，前导码和ACK码都是0和1编码的二进制字符串流，传输时是把二进制字符串流转化为非可听音频，接收时是把非可听音频解码成二进制字符串流。
3.根据权利要求2所述的抗干扰信息传输方法，其特征在于：所述二进制字符串流转化为非可听音频时，字符1对应的是以频段上界为频率的正弦波，字符0对应的是以频段下界为频率的正弦波。
4.根据权利要求1所述的抗干扰信息传输方法，其特征在于：所述步骤四和步骤五中传输方和接收方之间的距离要保证双方都能接收到非可听音频。
5.根据权利要求1所述的抗干扰信息传输方法，其特征在于：所述通知变频的信号是随机生成的2X位二进制字符串流即二进制比特串流，通知变频的信号包括两部分，两部分对应两个预备的共享频段，前一部分表示传输方变频后的传输频段，后一部分表示传输方变频后的接收频段，传输方和接收方变频后的频段保持步骤二成立，同时双方变频后的频段要与未变频前的频段不同。
6.根据权利要求1所述的抗干扰信息传输方法，其特征在于：整个信息传输过程中都由接收方发送ACK码或者通知变频的信号，传输方接收ACK码或者接收通知变频的信号变频之后，传输方才继续传输信息。
7.根据权利要求1所述的抗干扰信息传输方法，其特征在于：所述步骤四里传输方每次截取固定长度的信息，并将截取的信息与验证码组合，前导码置于组合的前面；接收方解码后提取前导码后的组合信息，即信息和验证码。
8.根据权利要求1所述的抗干扰信息传输方法，其特征在于：接收方将自己的接收频段变频到对应的共享频段，再发送通知变频的信号给传输方,然后才将自己的传输频段变频到对应的共享频段，传输方接收到通知变频的信号，并将通知变频的信号解码后把传输和接收频段变频到信号对应的频段。
9.根据权利要求7所述的抗干扰信息传输方法，其特征在于：信息与验证码组合组合方式为将m位验证码和m-1位二进制比特串流信息交叉排列，其中每两位验证码之间有一位二进制比特串流信息。
10.根据权利要求1所述的抗干扰信息传输方法，其特征在于：如果对接收信息的准确率不严格，若允许有设定百分比a的误码率，允许解码出来的验证码和共享验证码存在与百分比a相同比例的不同，那么提取的验证码与共享验证码的误码率能为a；若要求传输准确率为100％，则提取验证码与共享验证码只要误码率大于0％就产生通知变频的信号。
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