CN111132153A - 一种基于无线信道特征的内生安全通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种基于无线信道特征的内生安全通信方法,包括:提取发送设备的射频指纹,作为身份密钥;提取信道特征,作为信道密钥;基于身份密钥、信道密钥生成发送端的物理层种子密钥和接收端的物理层种子密钥;根据生成的种子密钥对应产生密钥流sA和sB;发送端利用密钥流sA对调制后信号进行物理层加密并发送,接收端利用密钥流sB对接收信号进行验证;若验证成功,则进行物理层解密;否则,报错并重新进行身份认证。本发明提供的内生安全通信方法,利用无线信道特征中射频指纹的唯一性,基于无线信道随机性、唯一性以及等内在属性实现内生安全通信,将认证、加密与传输融为一体,增强了信道整体的防御效果,提高了安全性能,提高了信息安全处理效率。
Description
技术邻域
本发明涉及安全通信技术邻域,更具体的,涉及一种基于无线信道特征的内生安全通信方法。
背景技术
由于无线信道的开放性、节点终端的移动性以及网络拓扑结构的动态变化,令现有的无线通信网络面临严峻的安全挑战。目前,无线通信网络安全业务主要包括访问控制、实体认证、数据来源认证、数据完整性、机密性、不可否认性、安全响应和安全性审计等,因此需要从认证、加密和传输三个功能对无线通信安全问题进行阐述。
首先,认证一般通过安全协议进行,实际***通过安全协议实现通信双方之间的认证、密钥及其他秘密的分配、发送和接收信息不可否认性的确认等,其中所采用的安全协议为认证协议。认证协议的实现是基于密码机制,即如果通信一方声称知道某个秘密,则另一方据此验证其声称的身份。无线网络环境中,通信双方如何安全地建立回话密钥是认证协议的关键,是安全通信的基础。
其次,加密是通过密码机算法的私密性和初始分发密钥的私密性,利用计算复杂度,保证密码流的安全性。现有加密方式主要包括公钥/私钥加密体制和量子加密。目前量子加密主要功能是量子密钥分发,它是利用量子的纠缠态分发密钥,通信的双方分别持有纠缠的量子,然后通过随机改变量子的状态,通信双方通过对量子状态的测量产生并分享一个随机的密钥。
最后,传输一般是指信号传输。为了实现信息的抗截获、抗干扰传输,传统的做法主要有:跳频、扩频、混沌等。这些做法可以从噪声(干扰)的再利用角度去考虑分析。如跳频调制,可以从噪声抑制的角度去分析;扩频调制则可以看作是噪声掩盖技术;混沌调制利用类噪声混沌序列的随机特性来隐藏信号。
一般的认证、加密和传输三种手段虽然从功能上实现了一定程度的安全效果,但是仍然存在以下问题:
(1)三者独立去实现无线通信网络安全,容易受到攻击。换个角度来看,逐个功能进行攻击所需的代价要远小于所有功能进行攻击。比如,“中间人”认证攻击在物理层进行,但是上层却无法察觉并予以预防;
(2)无线信道的开放性是无线通信网络安全问题的根源。从安全角度来看,认证的目的是身份验证,加密的目的是信息保护,传输的目的是信号隐蔽。认证和加密如果脱离信道去实现的话,必然容易受到信道层面的攻击。比如,侧信道攻击就可以加速密码破译。因此,脱离问题的根源去解决问题,一方面效率低下,另一方面特别容易受到攻击;
(3)认证和加密都是基于密钥的安全管理与分发为前提的,但随着无线通信网络节点数目的剧增,密钥的安全管理与分发面临巨大挑战。
发明内容
本发明为克服现有的通过认证、加密和传输三种手段实现的安全通信方法,存在无法实现全面保护、实现效率低下且保护力度不够的技术缺陷,提供一种基于无线信道特征的内生安全通信方法。
为解决上述技术问题,本发明的技术方案如下:
一种基于无线信道特征的内生安全通信方法,包括以下步骤:
S1:提取发送设备的射频指纹,作为身份密钥K;
S2:提取信道特征,作为信道密钥Kz;
S3:基于身份密钥K、信道密钥Kz生成发送端的物理层种子密钥SeedA和接收端的物理层种子密钥SeedB;
S4:根据生成的种子密钥SeedA、SeedB,对应产生密钥流sA和sB;
S5:发送端利用密钥流sA对调制后信号进行物理层加密并发送,接收端利用密钥流sB对接收信号进行验证;
S6:若验证成功,则进行物理层解密;否则,报错并重新进行身份认证。
上述方案中,利用无线信道特征中射频指纹的唯一性,基于无线信道随机性、唯一性、互易性以及时变性等内在属性实现内生安全通信,将认证、加密与传输融为一体,增强了信道整体的防御效果,提高了安全性能,提高了信息安全处理效率。
其中,所述步骤S1具体包括以下步骤:
S11:通过接收机天线阵列接收信号,对接收信号进行信道估计,令k=1;
S12:对第k个载波的信道估计结果计算自相关矩阵R(k),并对自相关矩阵R(k)进行增秩处理,得到第k个载波的增秩自相关矩阵R(k);
S14:判断k是否等于N,N为载波的总数;如果等于,则进行步骤S15;若不等于,则令k=k+1,返回会自行步骤S12;
S15:对每个载波的多径信号幅值进行排序,选择路径,得到射频指纹,并将射频指纹作为身份密钥K。
其中,在所述步骤S2中,设Alice为发送者,Bob为合法接收者,Eve为被动窃听者,三者均为单天线;其中,Alice与Bob之间的信道称为主信道,具体步骤包括:
S21:选取主信道特征u0作为生成密钥的随机变量;
S22:假设信道为块衰落信号,则u0在一个时隙内不变,在不同时隙取值独立;
S23:Alice与Bob通过在同一个时隙内测量对方发送的导频信号对u0进行估计,得到uA和uB;
S24:对uA和uB进行量化,得到保密序列vA和vB,将保密序列vA作为信道密钥Kz。
上述方案中,所述uA和uB的计算公式具体为:
uA=(u0+nA)mod2π
uB=(u0+nB)mod2π
其中,nA、nB分别表示Alice与Bob的零均值复高斯噪声,令ΔB=uA-uB为Alice与Bob对u0的测量误差。实验表明,信道具有短时互易性,uA和uB的相关性非常大,且uA和uB方差相等,假设为σ2,则ΔB~N(0,2σ2);同时由于无线信道的独有性,当Eve与Bob相距超过通信波长的一半时,信道相位相应的相关性就会降到0.2以下,因此认为uA和uB是安全的。
其中,所述步骤S3具体为:在消息认证开始之前,根据身份密钥K、信道密钥Kz,通过散列函数生成发送端的物理层种子密钥SeedA和接收端的物理层种子密钥SeedB。
其中,所述步骤S4具体为:根据种子密钥SeedA、SeedB,利用流密钥对应产生密钥流sA和sB。
其中,所述步骤S5具体为包括以下步骤:
S51:Alice利用调制后的复数序列,即密钥流sA进行等距变换,生成酉矩阵,然后进行物理层加密;
S52:Bob对于接收到的信号,添加密钥流sB后进行CRC验证。
其中,在所述步骤S51中,所述的酉矩阵U具体表示为:
UUH=UHU=In
上述方案中,以N=2为例,2×2酉矩阵的一般表达式为:
上述方案中,等距的一个特例是使用对角矩阵:
然而当采用更一般的形式时,窃听者通过单个符号,是无法解出U的,如:
还可以拓展U矩阵的维度去获取更强的安全性。综上所述,基于等距变换生成酉矩阵U,在对调制后的信息进行加密:
Yn=XnU
其中,Xn为调制后信号,Yn为经过物理层加密后的信号。
其中,所述步骤S6具体为:若通过CRC校验则说明sA=sB,此时Bob认为该消息来自Alice,继续通信;认证通过后,Bob利用密钥流sB生成与酉矩阵U对应的解密矩阵进行解密;否则,说明该消息产生错误或者该消息来自Eve为被动窃听者Eve,重新进行身份认证。
上述方案中,验证成功后,接收到的信号为:
HB表示Alice与Bob之间的信道;在合法通信端利用密钥生成的加密酉矩阵对应的解密酉矩阵,即原始酉矩阵的共轭与逆矩阵UH,进而对接收信号进行解密:
最后,对S”进行解调即可。
其中,所述方法还包括以下步骤:在后续通信中,Bob将密钥流sB添加到消息上发送给Alice;Alice采用相同的方法对接收消息进行认证,实现信息的交互。
与现有技术相比,本发明技术方案的有益效果是:
本发明提供的一种基于无线信道特征的内生安全通信方法,利用无线信道特征中射频指纹的唯一性,基于无线信道随机性、唯一性、互易性以及时变性等内在属性实现内生安全通信,将认证、加密与传输融为一体,增强了信道整体的防御效果,提高了安全性能,提高了信息安全处理效率。
附图说明
图1为本发明所述方法流程示意图;
图2为基于信道特征提取的密钥生成模型示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明,不能理解为对本专利的限制;
为了更好说明本实施例,附图某些部件会有省略、放大或缩小,并不代表实际产品的尺寸;
对于本邻域技术人员来说,附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
如图1所示,一种基于无线信道特征的内生安全通信方法,包括以下步骤:
S1:提取发送设备的射频指纹,作为身份密钥K;
S2:提取信道特征,作为信道密钥Kz;
S3:基于身份密钥K、信道密钥Kz生成发送端的物理层种子密钥SeedA和接收端的物理层种子密钥SeedB;
S4:根据生成的种子密钥SeedA、SeedB,对应产生密钥流sA和sB;
S5:发送端利用密钥流sA对调制后信号进行物理层加密并发送,接收端利用密钥流sB对接收信号进行验证;
S6:若验证成功,则进行物理层解密;否则,报错并重新进行身份认证。
在具体实施过程中,利用无线信道特征中射频指纹的唯一性,基于无线信道随机性、唯一性、互易性以及时变性等内在属性实现内生安全通信,将认证、加密与传输融为一体,增强了信道整体的防御效果,提高了安全性能,提高了信息安全处理效率。
实施例2
更具体的,在实施例1的基础上,所述步骤S1具体包括以下步骤:
S11:通过接收机天线阵列接收信号,对接收信号进行信道估计,令k=1;
S12:对第k个载波的信道估计结果计算自相关矩阵R(k),并对自相关矩阵R(k)进行增秩处理,得到第k个载波的增秩自相关矩阵R(k);
S14:判断k是否等于N,N为载波的总数;如果等于,则进行步骤S15;若不等于,则令k=k+1,返回会自行步骤S12;
S15:对每个载波的多径信号幅值进行排序,选择路径,得到射频指纹,并将射频指纹作为身份密钥K。
更具体的,如图2所示,在所述步骤S2中,设Alice为发送者,Bob为合法接收者,Eve为被动窃听者,三者均为单天线;其中,Alice与Bob之间的信道称为主信道,具体步骤包括:
S21:选取主信道特征u0作为生成密钥的随机变量;
S22:假设信道为块衰落信号,则u0在一个时隙内不变,在不同时隙取值独立;
S23:Alice与Bob通过在同一个时隙内测量对方发送的导频信号对u0进行估计,得到uA和uB;
S24:对uA和uB进行量化,得到保密序列vA和vB,将保密序列vA作为信道密钥Kz。
在具体实施过程中,所述uA和uB的计算公式具体为:
uA=(u0+nA)mod2π
uB=(u0+nB)mod2π
其中,nA、nB分别表示Alice与Bob的零均值复高斯噪声,令ΔB=uA-uB为Alice与Bob对u0的测量误差。实验表明,信道具有短时互易性,uA和uB的相关性非常大,且uA和uB方差相等,假设为σ2,则ΔB~N(0,2σ2);同时由于无线信道的独有性,当Eve与Bob相距超过通信波长的一半时,信道相位相应的相关性就会降到0.2以下,因此认为uA和uB是安全的。
在具体实施过程中,Alice与Bob通过量化uA和uB得到保密序列vA和vB。其中,QL(·)为量化函数,量化级数为L。Pe为vA和vB不一致的概率,当Pe≠0时,为了保证最终密钥的一致性,合法用户需要通过公共信道发送协商信息协商C,使保密序列达成一致。假定公共信道是无噪的,且C可被Eve得到,因此保密序列vA就作为信道密钥Kz。
更具体的,所述步骤S3具体为:在消息认证开始之前,根据身份密钥K、信道密钥Kz,通过散列函数生成发送端的物理层种子密钥SeedA和接收端的物理层种子密钥SeedB。
更具体的,所述步骤S4具体为:根据种子密钥SeedA、SeedB,利用流密钥对应产生密钥流sA和sB。
更具体的,所述步骤S5具体为包括以下步骤:
S51:Alice利用调制后的复数序列,即密钥流sA进行等距变换,生成酉矩阵,然后进行物理层加密;
S52:Bob对于接收到的信号,添加密钥流sB后进行CRC验证。
更具体的,在所述步骤S51中,所述的酉矩阵U具体表示为:
UUH=UHU=In
在具体实施过程中,以N=2为例,2×2酉矩阵的一般表达式为:
在具体实施过程中,等距的一个特例是使用对角矩阵:
然而当采用更一般的形式时,窃听者通过单个符号,是无法解出U的,如:
还可以拓展U矩阵的维度去获取更强的安全性。综上所述,基于等距变换生成酉矩阵U,在对调制后的信息进行加密:
Yn=XnU
其中,Xn为调制后信号,Yn为经过物理层加密后的信号。
更具体的,所述步骤S6具体为:若通过CRC校验则说明sA=sB,此时Bob认为该消息来自Alice,继续通信;认证通过后,Bob利用密钥流sB生成与酉矩阵U对应的解密矩阵进行解密;否则,说明该消息产生错误或者该消息来自Eve为被动窃听者Eve,重新进行身份认证。
在具体实施过程中,验证成功后,接收到的信号为:
HB表示Alice与Bob之间的信道;在合法通信端利用密钥生成的加密酉矩阵对应的解密酉矩阵,即原始酉矩阵的共轭与逆矩阵UH,进而对接收信号进行解密:
最后,对S”进行解调即可。
更具体的,所述方法还包括以下步骤:在后续通信中,Bob将密钥流sB添加到消息上发送给Alice;Alice采用相同的方法对接收消息进行认证,实现信息的交互。
显然,本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属邻域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于无线信道特征的内生安全通信方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:提取发送设备的射频指纹,作为身份密钥K;
S2:提取信道特征,作为信道密钥Kz;
S3:基于身份密钥K、信道密钥Kz生成发送端的物理层种子密钥SeedA和接收端的物理层种子密钥SeedB;
S4:根据生成的种子密钥SeedA、SeedB,对应产生密钥流sA和sB;
S5:发送端利用密钥流sA对调制后信号进行物理层加密并发送,接收端利用密钥流sB对接收信号进行验证;
S6:若验证成功,则进行物理层解密;否则,报错并重新进行身份认证。
3.根据权利要求2所述的一种基于无线信道特征的内生安全通信方法,其特征在于,在所述步骤S2中,设Alice为发送者,Bob为合法接收者,Eve为被动窃听者,三者均为单天线;其中,Alice与Bob之间的信道称为主信道,具体步骤包括:
S21:选取主信道特征u0作为生成密钥的随机变量;
S22:假设信道为块衰落信号,则u0在一个时隙内不变,在不同时隙取值独立;
S23:Alice与Bob通过在同一个时隙内测量对方发送的导频信号对u0进行估计,得到uA和uB;
S24:对uA和uB进行量化,得到保密序列vA和vB,将保密序列vA作为信道密钥Kz。
4.根据权利要求3所述的一种基于无线信道特征的内生安全通信方法,其特征在于,所述步骤S3具体为:在消息认证开始之前,根据身份密钥K、信道密钥Kz,通过散列函数生成发送端的物理层种子密钥SeedA和接收端的物理层种子密钥SeedB。
5.根据权利要求4所述的一种基于无线信道特征的内生安全通信方法,其特征在于,所述步骤S4具体为:根据种子密钥SeedA、SeedB,利用流密钥对应产生密钥流sA和sB。
6.根据权利要求5所述的一种基于无线信道特征的内生安全通信方法,其特征在于,所述步骤S5具体为包括以下步骤:
S51:Alice利用调制后的复数序列,即密钥流sA进行等距变换,生成酉矩阵,然后进行物理层加密;
S52:Bob对于接收到的信号,添加密钥流sB后进行CRC验证。
7.根据权利要求6所述的一种基于无线信道特征的内生安全通信方法,其特征在于,在所述步骤S51中,所述的酉矩阵U具体表示为:
UUH=UHU=In
其中,(g)H是共轭转置;显然,|det(U)|=1,U矩阵的所有行和列向量都是标准正交基,任何N×N酉矩阵U具有N2独立的实相参数,因此,根据密钥流sA生成给定的旋转方向Φ∈£N,然后生成N×N的酉矩阵U。
8.根据权利要求7所述的一种基于无线信道特征的内生安全通信方法,其特征在于,所述步骤S6具体为:若通过CRC校验则说明sA=sB,此时Bob认为该消息来自Alice,继续通信;认证通过后,Bob利用密钥流sB生成与酉矩阵U对应的解密矩阵进行解密;否则,说明该消息产生错误或者该消息来自Eve为被动窃听者Eve,重新进行身份认证。
9.根据权利要求1~8任一项所述的一种基于无线信道特征的内生安全通信方法,其特征在于,还包括以下步骤:
后续通信中,Bob将密钥流sB添加到消息上发送给Alice;Alice采用相同的方法对接收消息进行认证,实现信息的交互。
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