CN111064547A - 一种基于自适应频率选择的抗干扰隐蔽信道通信方法 - Google Patents

一种基于自适应频率选择的抗干扰隐蔽信道通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种基于自适应频率选择的抗干扰隐蔽信道通信方法，其特征在于，包括以下步骤：在声音隐蔽信道发送端，将待传输敏感数据信息编码为一系列比特流的数据包；对数据包进行数字调制，得到数字调制高频信号；将数字调制高频信号转化为声音信号并进行传输；在声音隐蔽信道传输过程中，根据误码率进行通信频率调整，保持通信；声音隐蔽信道发送端对接收的声音信号进行滤波、解调、解码，得到原始敏感数据信息；本发明按照特定的通信协议进行通信，在受到干扰和高频噪声影响时可以自适应地调整通信频率，保证信道的抗干扰性和攻击性。

Description

一种基于自适应频率选择的抗干扰隐蔽信道通信方法
技术领域
本发明涉及信息技术的研究领域，特别涉及一种基于自适应频率选择的抗干扰隐蔽信道通信方法。
背景技术
随着通信技术的不断发展，信息的安全传输越来越重要，现有技术中，对于敏感信息的传输通常采用隐蔽信道进行传输，隐蔽信道主要分为存储隐蔽信道和时间隐蔽信道。在存储隐蔽信道中，发送者直接或间接写目标值，接收者直接或间接接读目标值。在时间隐蔽信道中，发送者通过时域上调制使用资源(例如CPU)从而发送信息，接收者利用一定手段观测到并接收到信息，然后对信息进行解码。这类隐蔽信道存在着多种传输媒介，例如热，光，红外线，声音等；还包括声音隐蔽信道：使用声音作为隐蔽信道信息传输的载体。为了隐蔽性一般使用普通人听不见的高频率声音，发送端使用主机的输出音频设备(如扬声器)播放调制好的音频数据，声音在短距离内通过空气传播，接收端通过麦克风等输入设备进行监听，解调接收到的信号以恢复传输的信息。在这种情况下，即使两台计算机没有网络连接也可以通过麦克风和扬声器在空中传输和接收声音来进行通信。攻击者利用恶意软件取得扬声器与麦克风控制权后即可利用其作为隐蔽信道进行攻击。隐蔽信道秘密泄露敏感信息具有极大的危害性。针对声音隐蔽信道攻击，作为防御的一方，当检测到存在隐蔽信道通信的时候，可以生成同频率的干扰声音信号，并且播放干扰声音信号对声音隐蔽信道通信进行压制。声音隐蔽信道容易受到干扰，当有干扰信号或者同频噪声时候信息传输误码率会很高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于自适应频率选择的抗干扰隐蔽信道通信方法，通过按照特定通信协议进行自适应调整频率来加强声音隐蔽信道的抗干扰能力。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：
一种基于自适应频率选择的抗干扰隐蔽信道通信方法，包括以下步骤：
S1、在声音隐蔽信道发送端，将待传输敏感数据信息编码为一系列比特流的数据包；
S2、对数据包进行数字调制，得到数字调制高频信号；
S3、将数字调制高频信号转化为声音信号并进行传输；
S4、在声音隐蔽信道传输过程中，根据误码率进行通信频率调整，保持通信；
S5、声音隐蔽信道接收端对接收的声音信号进行滤波、解调、解码，得到原始敏感数据信息。
进一步地，所述步骤S1具体为：将待传输敏感数据信息编码成“0”和“1”的比特流，并分成多份数据包。
进一步地，所述多份数据包包括：数据包、ACK包、NACK包、REQ包、FHQ包和FHA包，其中，数据包包括：前导码、ACK标志、NACK标志、REQ标志、FH标志、数据、ECC码；ACK包、NACK包和REQ包包括：前导码、ACK标志、NACK标志、REQ标志、FH标志、ECC码；FHQ包和FHA包包括：前导码、ACK标志、NACK标志、REQ标志、FH标志、FH码、ECC码。
进一步地，所述步骤S2具体为：采用2FSK载波频率对数据包进行调制，即使用两个载波频率将数据包调制成高频信号，其中，“0”由低频率的信号编码，“1”用高频率的声音信号编码。
进一步地，所述2FSK载波频率包括(18kHz,19kHz),(18kHz,20kHz),(18kHz,21kHz),(19kHz,20kHz),(19kHz,21kHz),(20kHz,21kHz)，即低频率和高频率中以上频率对中任选一对。
进一步地，所述步骤S3具体为：将调制得到的高频信号使用声音函数编辑声音并生成声音信号文件。
进一步地，所述步骤S4具体为：在声音隐蔽信道传输过程中，发送端与接收端建立通信，根据误码率进行通信频率调制，保持通信；其中，建立通信具体如下：发送端发送REQ信号进行初始化传输，接收端收到REQ信号后通过发送ACK信号给发送端进行响应，建立通信；
根据误码率进行通信频率调整具体为：通信成功建立后，存在干扰或高频噪音导致接收端在通信过程中发现接收数据报的误码率过高时，接收端返回NACK信号，发送端接收到NACK信号则判定声音隐蔽信道受到干扰，调整信道通信频率：发送端发送FHQ信号通知接收端调整频率，接收端接收到FHQ信号后通过回复FHA信号同意调整频率，从预先设定的可用载波频率中选择新的频率，发送端在新的频率上发送REQ信号重新和接收端建立通信。
进一步地，所述误码率计算如下：
Figure BDA0002347147160000031
其中NB为解码错误比特数，N为传输的总比特数，在接收端处设置一个阈值T判定误码概是否过高，高于T时判定误码率过高并回馈NACK信号。
进一步地，所述发送端和接收端都设定计时器，在计时器范围内没有收到对方的数据或回应，发送端自动调整频率进行下一频段，发送端发送REQ信号请求通信，接收端继续扫描预先设定频段，直到接收到建立通信请求，返回ACK信号建立通信。
进一步地，所述步骤S5具体为：根据载波频率使用带通滤波器对声音信号进行滤波，经过相乘器和低通滤波器对滤波后的声音信号进行抽样判决，得到解调比特流，最后经过解码模块监测前导码和ECC码，当比特流符合正确数据包的判定要求，则还原并保留原始敏感信息。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
本发明通过将敏感数据编码为多种不同的数据包，对数据包添加相适应的标识码，再对数据包进行调制和转化，声音隐蔽信道发送端与接收端根据误码率进行通信频率调制，避开干扰和高频噪声所在频段，保持通信，按照特定通信协议进行自适应调整频率来加强声音隐蔽信道的抗干扰能力；本发明的声音隐蔽信道在遇到同频率干扰噪声的时候，可以自适应地将通信频率调整至另外的频率，从而避开干扰噪声所在的频率，达到降低误码率的目的。
附图说明
图1为本发明所述一种基于自适应频率选择的抗干扰隐蔽信道通信方法流程图；
图2为本发明所述实施例中2FSK信号调制流程图；
图3为本发明所述实施例中2FSK信号解调流程图；
图4为本发明所述实施例中发送端判断是否调整频率流程图；
图5为本发明所述实施例中接收端调整频率流程图。
具体实施方式
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。
实施例：
一种基于自适应频率选择的抗干扰隐蔽信道通信方法，如图1所示，包括以下步骤：
第一步、在声音隐蔽信道发送端，将待传输敏感数据信息编码为一系列比特流的数据包；
具体为：对数据进行封装：将待传输敏感数据信息编码成“0”和“1”的比特流，并分成多份数据包，为每份数据包添加前导码、ACK码以及ECC码(错误控制码)来支持通信协议。
所述多份数据包包括：第一数据包、ACK包、NACK包、REQ包、FHQ包和FHA包，其中，第一数据包如表1所示，包括：前导码、ACK标志、NACK标志、REQ标志、FH标志、数据、ECC码；ACK包、NACK包和REQ包如表2所示，包括：前导码、ACK标志、NACK标志、REQ标志、FH标志、ECC码；FHQ包和FHA包如表3所示，包括：前导码、ACK标志、NACK标志、REQ标志、FH标志、FH码、ECC码。各种数据包的格式如下：
Figure BDA0002347147160000041
表1，数据包的格式
Figure BDA0002347147160000042
表2，ACK包、NACK包和REQ包的格式
Figure BDA0002347147160000051
表3，FHQ包和FHA包的格式
前导码：连续的“1”、“0”，以提醒接收方(并非局限于接收端，发送端也可能接收信号)开始传输数据包。通常设置为101010。
ACK标志：1位。如果包是ACK包或者FHA包，则设置为1，否则将其设置为0。
NACK标志：1位。如果包是NACK包，则设置为1，否则将其设置为0。
REQ标志：1位。如果包是REQ包，则设置为1，否则将其设置为0。
FH标志：1位。如果包是FHA包或者FHQ包，则设置为1，否则将其设置为0。
ECC码：用于验证通信是否正常的的错误控制码。
FH码：发起跳频时，FH码中包含所对应的跳频频率的信息
ACK包：用于回应通信正常，以前导码开始，随后的ACK标志为1，NACK标志、REQ标志和FH标志均为0，最后是用于验证的错误控制码。
NACK包：用于回应通信异常，以前导码开始，随后的ACK标志为0，NACK标志为1，REQ标志和FH标志设置为0，最后是用于验证的错误控制码。
REQ包：用于发起通信请求，以前导码开始，随后的ACK标志为和NACK标志为0，REQ标志为1和FH标志为0，最后是用于验证的错误控制码。
FHQ包：发起跳频请求的包，以前导码开始，随后的ACK标志、NACK标志、REQ标志均为0，FH标志为1，之后的FH码映射的为将要跳转到的频率。最后是用于验证的错误控制码。
FHA包：回应跳频请求的包，以前导码开始，随后的ACK标志为1，NACK标志、REQ标志均为0，FH标志为1，之后的FH码映射的为将要跳转到的频率。最后是用于验证的错误控制码。
数据包：数据包主要内容是需要传输的敏感数据，以前导码开始，随后的ACK标志、NACK标志、REQ标志和FH标志均为0，然后下一个数据字段是敏感数据，最后的数据字段是错误控制码(ECC)。
第二步、对数据包进行数字调制，得到数字调制高频信号；具体为：采用二进制频移键控(2FSK)载波频率对数据包进行调制，即使用第一载波频率f1和第二载波频率f2将数据包调制成高频信号，其中，“0”由较低频率的信号编码，“1”用更高频率的声音信号编码；本发明中可选的2FSK载波频率有(18kHz,19kHz),(18kHz,20kHz),(18kHz,21kHz),(19kHz,20kHz),(19kHz,21kHz),(20kHz,21kHz)；例如当选择的频率为(18kHz,19kHz)时，“0”由低频率的18kHz信号编码，“1”用高频率的19kHz声音信号编码。具体调整过程如图2所示，一方面，基带信号经选通开关通过第一振荡器，采用第一载波频率调制；另一方面，基带信号经反相器、选通开关通过第二振荡器，采用第二载波频率调制，通过相加器将两个调制信号处理得到2FSK信号。
第三步、将数字调制高频信号转化为声音信号并进行传输；具体为：将调制得到的高频信号使用声音函数编辑声音并生成WAV声音信号文件。在实验中使用MATLAB和python程序实现，在MATLAB里有一个声音函数sound()可以编辑声音。例如sound(y,fs)以采样率fs向计算机扬声器发送声音信号y，扬声器接收到指令即开始播放声音。
第四步、在声音隐蔽信道传输过程中，根据误码率进行通信频率调整，保持通信；具体为：在声音隐蔽信道传输过程中，发送端与接收端建立通信，根据误码率进行通信频率调制，保持通信；其中，建立通信具体如下：发送端发送REQ信号进行初始化传输，接收端收到REQ信号后通过发送ACK信号给发送端进行响应，建立通信；误码率由以下公式计算：
Figure BDA0002347147160000061
其中NB为解码错误比特数，N为传输的总比特数，在接收端处设置一个阈值T判定误码概是否过高，高于T时判定误码率过高并回馈NACK信号。
根据误码率进行通信频率调整具体为：通信成功建立后，存在干扰或高频噪音导致接收端在通信过程中发现接收数据报的误码率过高时，接收端返回NACK信号，发送端接收到NACK信号则判定声音隐蔽信道受到干扰，调整信道通信频率：发送端发送FHQ信号通知接收端调整频率，接收端接收到FHQ信号后通过回复FHA信号同意调整频率，从预先设定的可用载波频率中选择新的频率，发送端在新的频率上发送REQ信号重新和接收端建立通信。
所述发送端和接收端都设定计时器，在计时器范围内没有收到对方的数据或回应，发送端自动调整频率进行下一频段，发送端发送REQ信号请求通信，接收端继续扫描预先设定频段，直到接收到建立通信请求，返回ACK信号建立通信。
第五步、声音隐蔽信道接收端对接收的声音信号进行滤波、解调、解码，得到原始敏感数据信息。
如图3所示，具体为：根据载波频率使用带通滤波器对声音信号进行滤波，经过相乘器和低通滤波器对滤波后的声音信号通过抽样判决器进行抽样判决，得到解调比特流，最后经过解码模块监测前导码和ECC码，当比特流符合正确数据包的判定要求，则还原并保留原始敏感信息。
声音隐蔽信道接收端：
麦克风：该模块用于从空气中录取声音信号。用于后续步骤分析从而获得原始敏感数据。
滤波：根据载波频率使用带通滤波器对信号进行滤波，去除环境中的低频率声音。
解调：通过带通滤波器滤波后的声音信号再经过相乘器和低通滤波器的处理，进行抽样判决得到解调之后的比特流。
解码：该模块用来检测前导码和错误控制码的正确与否，作为是否接收数据包的判断依据，如果比特流符合正确数据包的判定要求，将会被保留并还原原始敏感信息。
本申请中，发送机制和接受机制如下：
发送机制：发送端将要传输的敏感数据转化成一系列比特流的数据包。数据包通过2FSK载波频率(例如，18～22kHz之间的某两个频率)进行调制，“0”由较低频率的信号编码，“1”用更高频率的声音信号编码，调制好的高频信号经过MATLAB等程序的声音函数，调用发送端的扬声器播放声音信号。
接受机制：接收端通过麦克风录取声音信号，利用带通滤波器分离出特定频率的声音信号，再通过相乘器和低通滤波器处理，进行抽样判决完成去调制得到比特流，最后再被进一步解码获得原始敏感信息。
通信初始化由发送端发送REQ信号发起，由接收端回复ACK信号完成。成功建立通信后每次数据传输均通过ACK信号确认是否正常通信，受到干扰和高频噪声影响时则根据上述通信协议进行自适应频率选择，从而避开干扰和高频噪声所在的频段。
本申请中，通信协议如下：
在本通信协议中，有不同的包，分别为数据包、ACK包、NACK包、REQ包、FHQ包和FHA包，这些包格式如下，其中ACK标志、NACK标志、REQ标志、FH标志均为一位，用以标志该包的类型。ECC码是用于验证通信是否正常的的错误控制码。格式具体如下：数据包包括：前导码、ACK标志、NACK标志、REQ标志、FH标志、数据、ECC码；ACK包、NACK包和REQ包包括：前导码、ACK标志、NACK标志、REQ标志、FH标志、ECC码；FHQ包和FHA包包括：前导码、ACK标志、NACK标志、REQ标志、FH标志、FH码、ECC码。其中ACK标志、NACK标志、REQ标志、FH标志均为一位，用以标志该包的类型。ECC码是用于验证通信是否正常的的错误控制码。
在本发明提出的声音隐蔽信道中，发送端和接收端都包含发送接收功能。发送端判断流程如图4所示，发送端发送REQ信号进行初始化传输，接收端收到REQ信号后通过发送ACK信号进行响应，并建立通信。在通信成功建立之后，每个数据包从发送端发送到接收端之后，接收端都必须通过返回ACK信号进行确认。
在发送端和接收端之间的通信成功建立之后，如果存在干扰或者高频噪声导致接收端在通信过程中发现接收数据报的误码率(可以通过错误控制码来判断收到的信息数据是否正确)过高时，接收端将返回NACK信号，发送端接收到该信号后判定隐蔽信道收到了干扰，于是将开始调整信道通信频率，首先发送FHQ信号通知接收端调整频率，接收端回复FHA信号表示同意调整频率，然后从预先设定的可用载波频率中选择新的频率，在该频率上发送REQ信号重新和接收端建立通信。从而避开干扰和高频噪声所在的频段，达到抗干扰的目的。
接收端调整频率流程如图5所示，当干扰或者噪声过强导致通信完全无法进行，即发送端在该频段无法接收到ACK信号和NACK信号，接收端也无法在该频段接收到FHQ信号。为了解决这种情况，发送端和接收端都设定有一个计时器，在计时器范围内如果没有收到对方的数据或者回应，发送端将会自动调整频率进入下一个频段，并发送REQ信号请求通信，接收端则会持续扫描预先设定的频段，直到在某一个频段收到来自发送端建立通信的请求，随后接收端发回ACK信号表示同意建立通信，一旦发送端和接收端在新的信道上同步，通信就可以重新建立，抗干扰声音隐蔽信道也可以恢复工作。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于自适应频率选择的抗干扰隐蔽信道通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在声音隐蔽信道发送端，将待传输敏感数据信息编码为一系列比特流的数据包；
S2、对数据包进行数字调制，得到数字调制高频信号；
S3、将数字调制高频信号转化为声音信号并进行传输；
S4、在声音隐蔽信道传输过程中，根据误码率进行通信频率调整，保持通信；
S5、声音隐蔽信道发送端对接收的声音信号进行滤波、解调、解码，得到原始敏感数据信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于自适应频率选择的抗干扰隐蔽信道通信方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：将待传输敏感数据信息编码成“0”和“1”的比特流，并分成多份数据包。
3.根据权利要求2所述的一种基于自适应频率选择的抗干扰隐蔽信道通信方法，其特征在于，所述多份数据包包括：第一数据包、ACK包、NACK包、REQ包、FHQ包和FHA包，其中，第一数据包包括：前导码、ACK标志、NACK标志、REQ标志、FH标志、数据、ECC码；ACK包、NACK包和REQ包包括：前导码、ACK标志、NACK标志、REQ标志、FH标志、ECC码；FHQ包和FHA包包括：前导码、ACK标志、NACK标志、REQ标志、FH标志、FH码、ECC码。
4.根据权利要求2所述的一种基于自适应频率选择的抗干扰隐蔽信道通信方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：采用2FSK载波频率对数据包进行调制，即使用两个载波频率将数据包调制成高频信号，其中，“0”由低频率的信号编码，“1”用高频率的声音信号编码。
5.根据权利要求4所述的一种基于自适应频率选择的抗干扰隐蔽信道通信方法，其特征在于，所述2FSK载波频率包括以下频率对：18kHz、19kHz,18kHz、20kHz,18kHz、21kHz,19kHz、20kHz,19kHz、21kHz,20kHz、21kHz，即所述低频率和高频率从以上频率对中任选一对。
6.根据权利要求1所述的一种基于自适应频率选择的抗干扰隐蔽信道通信方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：将调制得到的高频信号使用声音函数编辑声音并生成声音信号文件。
7.根据权利要求1所述的一种基于自适应频率选择的抗干扰隐蔽信道通信方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：在声音隐蔽信道传输过程中，发送端与接收端建立通信，根据误码率进行通信频率调制，保持通信；其中，建立通信具体如下：发送端发送REQ信号进行初始化传输，接收端收到REQ信号后通过发送ACK信号给发送端进行响应，建立通信；
根据误码率进行通信频率调整具体为：通信成功建立后，存在干扰或高频噪音导致接收端在通信过程中发现接收数据报的误码率过高时，接收端返回NACK信号，发送端接收到NACK信号则判定声音隐蔽信道受到干扰，调整信道通信频率：发送端发送FHQ信号通知接收端调整频率，接收端接收到FHQ信号后通过回复FHA信号同意调整频率，从预先设定的可用载波频率中选择新的频率，发送端在新的频率上发送REQ信号重新和接收端建立通信。
8.根据权利要求7所述的一种基于自适应频率选择的抗干扰隐蔽信道通信方法，其特征在于，所述误码率计算如下：
Figure FDA0002347147150000021
其中NB为解码错误比特数，N为传输的总比特数，在接收端处设置一个阈值T判定误码概是否过高，高于T时判定误码率过高并回馈NACK信号。
9.根据权利要求7所述的一种基于自适应频率选择的抗干扰隐蔽信道通信方法，其特征在于，所述发送端和接收端都设定计时器，在计时器范围内没有收到对方的数据或回应，发送端自动调整频率进行下一频段，发送端发送REQ信号请求通信，接收端继续扫描预先设定频段，直到接收到建立通信请求，返回ACK信号建立通信。
10.根据权利要求1所述的一种基于自适应频率选择的抗干扰隐蔽信道通信方法，其特征在于，所述步骤S5具体为：根据载波频率使用带通滤波器对声音信号进行滤波，经过相乘器和低通滤波器对滤波后的声音信号进行抽样判决，得到解调比特流，最后经过解码模块监测前导码和ECC码，当比特流符合正确数据包的判定要求，则还原并保留原始敏感信息。
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