CN114760051B - 一种密钥同步方法及其*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种密钥同步方法及其***，其中方法包括步骤如下：S1：发送方在未加密数据中添加N_bit比特时间同步信息作为密钥同步码，并与未加密数据构成数据帧；S2：根据密钥同步码对未加密数据进行加密；对N_bit比特的密钥同步码进行密钥截取操作；S3：将已加密的数据和截短的密钥同步码形成发送方的空口数据；S4：接收方接收空口数据，利用本地时间同步信息，将空口数据中的截短的密钥同步码恢复为与发送方相同的密钥同步码；S5：接收方根据密钥同步码算法对已加密的数据进行解密。本发明在窄带信道上为收发双方提供截短方式的解密序列号传输，以实现数据的高效传输和正确加解密操作。

Description

一种密钥同步方法及其***

技术领域

本发明涉及通信技术领域，更具体的，涉及一种密钥同步方法及其***。

背景技术

一般来说，通信中的加密和解密(后称密码技术)采用如图1所示的流程。根据加密密钥和解密密钥是否相同，密码技术分为对称密码和公钥密码。加密密钥和解密密钥相同的对称密码处理速度快，但需要解决密钥配送问题；加密密钥和解密密钥不同的公钥密码虽然无需配送密钥，但无法抵抗中间人攻击且处理复杂。为了发挥两种密码技术的优势，实际应用往往采用混合密码***，其主要特点有：

1.用对称密码加密消息；

2.通过伪随机数生成器生成对称密码加密中使用的会话密钥；

3.用公钥密码加密会话密钥；

4.从混合密码***外部赋予公钥密码加密时使用的密钥。

在有中心的保密通信***中，一般由专门的密钥分发中心为收发双方分配加密消息密钥的公钥，用来加密消息用的密钥则要么由发送方产生后和密文消息一起传送至接收方，要么由收发双方同步的伪随机数生成器提供。

如图2所示，采用***空口的帧序号作为密钥同步码，该序号并不在空中随业务数据实时传输，但收发双方会维持同步。通过利用收发双方的帧序号作为密钥同步码，虽节约了传输带宽，但在跨基站场景下，由于不同基站的帧序号不具备相关性，必须在网络侧落地后完成解密。然后用接收端序列号对应的密钥重新加密，既增加了加解密处理过程，又增加了明文在网络侧传输的风险。

发明内容

本发明为了解决以上现有技术存在的不足与缺点的问题，提供了一种密钥同步方法及其***，其在窄带信道上为收发双方提供截短方式的解密序列号传输，以实现数据的高效传输和正确加解密操作。

为实现上述本发明目的，采用的技术方案如下：

一种密钥同步方法，所述的方法包括步骤如下：

S1：发送方在未加密数据中添加N_bit比特时间同步信息作为密钥同步码，并与未加密数据构成数据帧；

S2：根据密钥同步码对未加密数据进行加密；对N_bit比特的密钥同步码进行密钥截取操作；

S3：将已加密的数据和截短的密钥同步码形成发送方的空口数据；

S4：接收方接收空口数据，利用本地时间同步信息，将空口数据中的截短的密钥同步码恢复为与发送方相同的密钥同步码；

S5：接收方根据密钥同步码算法已加密的数据进行解密。

优选地，所述的N_bit比特时间同步信息t_T表示的是数据帧加密的时间，具体地：

t_T＝T_fa_T+T_nfb_T (1)

其中，a_T是N_bit个比特的低N_low个比特位，表示的时间单位是空口帧周期T_f；b_T是N_bit比特的高(N_bit-N_low)个比特位，表示的单位是个空口帧周期/>a_T数值的N_low个比特在空口上进行传输，随数据帧发送给接收方，b_T不通过空口传输。

进一步地，接收方通过接收到的a_T和接收到数据帧时刻本地的时间，计算恢复出b_T；然后得到N_bit个字节的t_T，根据得到的t_T进行序列同步解密；其中，b_T的恢复算法如下：

接收方收到数据帧的时刻用t_R表示：

其中，Δt_T表示数据帧的传输时延；Δt_e是收发双方的时差；a_R、b_R表示的是接收方接收到数据帧的时刻，a_R是N_bit比特的低N_low个比特位，表示的时间单位是T_f，b_R是N_bit比特的高(N_bit-N_low)个比特位，表示的时间单位是T_nf。

再进一步地，由于空口中没有传输b_T，接收方只能对b_T进行推测，具体推测如下：假设

即传输延时与收发双方的时差之和小于

根据式(2)、式(3)表示为

其中，a_R、b_R、a_T、b_T、T_f和T_nf均表示非负整数，且存在约束关系：

通过T_f(a_R-a_T)的取值范围推算b_T的取值。

再进一步地，对于T_f(a_R-a_T)的取值范围，分以下7种情况进行讨论：

1)T_f(a_R-a_T)＝0

即(a_R-a_T)＝0，结合式(4)及式(5)可得(b_R-b_T)＝0，即b_T＝b_R；

出现这种情况，表示通信双方的时差恰好与传输时延相互抵消；

2)

即结合式(4)及式(5)可得(b_R-b_T)＝-1，即b_T＝b_R+1；

3)

即结合式(4)及式(5)可得(b_R-b_T)＝0，即b_T＝b_R；

即不满足式(4)；在假设成立的情况下，不会出现这种情况；

即结合式(4)及式(5)可得(b_R-b_T)＝0，即b_T＝b_R；

6)

即结合式(4)及式(5)，可得(b_R-b_T)＝1，即b_T＝b_R-1；

7)

即不满足式(4)；在假设成立的情况下，不会出现这种情况。

优选地，所述的密钥截取操作是指对N_bit比特的密钥同步码截取其N_low位密钥同步码。

优选地，呼叫建立时，由密钥分发中心为发送方、接收方分发初始值的密钥。

一种密钥同步方法的***，所述的***包括发送端、接收端；

所述的发送端，用于在未加密数据中添加N_bit比特时间同步信息作为密钥同步码，并与未加密数据构成数据帧；根据密钥同步码，加密模块利用相应的密钥对未加密数据进行加密；对N_bit比特的密钥同步码进行密钥截取操作，并将已加密的数据和截短的密钥同步码形成发送端的空口数据；

所述的接收端，利用本地时间同步信息，将截短的密钥同步码恢复为与发送方相同的完整密钥同步码；根据密钥同步码算法，解密模块利用相应的密钥对已加密的数据进行解密。

优选地，优选地，呼叫建立时，由密钥分发中心为发送方、接收方分发初始值的密钥。

优选地，所述的密钥截取操作具体如下：对N_bit比特的密钥同步码截取其N_low位密钥同步码。

本发明的有益效果如下：

本发明在窄带信道上为收发双方提供截短方式的解密序列号传输，以实现数据的高效传输和正确加解密操作。通过在未加密数据中添加N_bit比特时间同步信息作为密钥同步码，使得密钥同步码具有动态变化，其被破译的难度增大；在接收方利用本地时间同步信息，接收方将截短的密钥同步码恢复为与发送方相同的完整同步码。这种方法有以下主要特点：网络侧无需加解密，全程密文传输；所需信道带宽小，每帧用以承载序列号比特数小于密钥同步码的比特长度；密钥信息具有时效性，可对抗重放攻击；序列号恢复要求双方时间差在特定范围，可有效对抗截获破译。

附图说明

图1是现有技术信息加密/解密一般过程。

图2是现有技术利用空口帧序号作为对称秘密密钥同步码的处理过程。

图3是本发明密钥同步方法的处理过程。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细描述。

实施例1

如图3所示，一种密钥同步方法，所述的方法包括步骤如下：

S1：发送方读取本地时间，在未加密数据中添加N_bit比特时间同步信息作为密钥同步码，并与未加密数据构成数据帧；

S2：根据密钥同步码利用相应的密钥对未加密数据进行加密；对N_bit比特的密钥同步码进行密钥截取操作；在一个具体的实施例中，所述的密钥截取操作是指对N_bit比特的密钥同步码截取其N_low位密钥同步码。

S3：将已加密的数据和截短的密钥同步码形成发送方的空口数据；

S4：接收方接收空口数据，利用本地时间同步信息，将空口数据中的截短的密钥同步码恢复为与发送方相同的密钥同步码；

S5：接收方根据密钥同步码算法利用相应的密钥对已加密的数据进行解密。

在一个具体的实施例中，发送方送给加密模块加密的数据帧中包含N_bit比特的时间同步信息t_T，所述的N_bit比特时间同步信息t_T表示的是数据帧加密的时间，具体地：

t_T＝T_fa_T+T_nfb_T (1)

其中，a_T是N_bit个比特的低N_low个比特位，表示的时间单位是空口帧周期T_f；b_T是N_bit比特的高(N_bit-N_low)个比特位，表示的单位是个空口帧周期/>a_T数值的N_low个比特在空口上进行传输，随数据帧发送给接收方，b_T不通过空口传输。

在一个具体的实施例中，接收方通过接收到的a_T和接收到数据帧时刻本地的时间，计算恢复出b_T；然后得到N_bit个字节的t_T，根据得到的t_T进行序列同步解密；其中，b_T的恢复算法如下：

接收方收到数据帧的时刻用t_R表示：

其中，Δt_T表示数据帧的传输时延；Δt_e是收发双方的时差(若通信双方属于同一基站则Δt_e＝0，否则Δt_e≠0)；a_R、b_R表示的是接收方接收到数据帧的时刻，a_R是N_bit比特的低N_low个比特位，表示的时间单位是T_f，b_R是N_bit比特的高(N_bit-N_low)个比特位，表示的时间单位是T_nf。

在一个具体的实施例中，由于空口中没有传输b_T，接收方只能对b_T进行推测，具体推测如下：假设

即传输延时与收发双方的时差之和小于

需要说明的是，通过合理选取N_bit和N_low的取值，工程实践中式(3)容易满足。根据式(2)、式(3)表示为：

其中，a_R、b_R、a_T、b_T、T_f和T_nf均表示非负整数，且存在约束关系：

通过T_f(a_R-a_T)的取值范围推算b_T的取值。在一个具体的实施例中，对于T_f(a_R-a_T)的取值范围，分以下7种情况进行讨论：

1)T_f(a_R-a_T)＝0

即(a_R-a_T)＝0，结合式(4)及式(5)可得(b_R-b_T)＝0，即b_T＝b_R；

出现这种情况，表示通信双方的时差恰好与传输时延相互抵消。

2)

即结合式(4)及式(5)可得(b_R-b_T)＝-1，即b_T＝b_R+1。

3)

即结合式(4)及式(5)可得(b_R-b_T)＝0，即b_T＝b_R。

4)

即不满足式(4)；在假设成立的情况下，不会出现这种情况。

5)

即结合式(4)及式(5)可得(b_R-b_T)＝0，即b_T＝b_R。

6)

即结合式(4)及式(5)，可得(b_R-b_T)＝1，即b_T＝b_R-1。

7)

即不满足式(4)；在假设成立的情况下，不会出现这种情况。

在一个具体的实施例中，呼叫建立时，由密钥分发中心为发送方、接收方分发初始值的密钥，后续通话过程中采用在未加密数据中添加N_bit比特时间同步信息作为动态变化的密钥同步码，用动态变化的密钥同步码对每帧数据进行保密传输。本实施例所述的密钥同步方法利用时间同步信息，传输截短的密钥同步信息，减小带宽需求的同时，降低了被破译的概率。

实施例2

一种密钥同步方法的***，所述的发送端，用于在未加密数据中添加N_bit比特时间同步信息作为密钥同步码，并与未加密数据构成数据帧；根据密钥同步码，加密模块利用相应的密钥对未加密数据进行加密；对N_bit比特的密钥同步码进行密钥截取操作，并将已加密的数据和截短的密钥同步码形成发送端的空口数据；

所述的接收端，利用本地时间同步信息，将截短的密钥同步码恢复为与发送方相同的完整密钥同步码；根据密钥同步码算法，解密模块利用相应的密钥对已加密的数据进行解密。在一个具体的实施例中，

发送端送给加密模块加密的数据帧中包含N_bit比特的时间同步信息t_T，所述的N_bit比特时间同步信息t_T表示的是数据帧加密的时间，具体地：

t_T＝T_fa_T+T_nfb_T (1)

其中，a_T是N_bit个比特的低N_low个比特位，表示的时间单位是空口帧周期T_f；b_T是N_bit比特的高(N_bit-N_low)个比特位，表示的单位是个空口帧周期/>a_T数值的N_low个比特在空口上进行传输，随数据帧发送给接收端，b_T不通过空口传输。

在一个具体的实施例中，接收端通过接收到的a_T和接收到数据帧时刻本地的时间，计算恢复出b_T；然后得到N_bit个字节的t_T，根据得到的t_T进行序列同步解密；其中，b_T的恢复算法如下：

接收端收到数据帧的时刻用t_R表示：

其中，Δt_T表示数据帧的传输时延；Δt_e是收发双方的时差(若通信双方属于同一基站则Δt_e＝0，否则Δt_e≠0)；a_R、b_R表示的是接收方接收到数据帧的时刻，a_R是N_bit比特的低N_low个比特位，表示的时间单位是T_f，b_R是N_bit比特的高(N_bit-N_low)个比特位，表示的时间单位是T_nf。

在一个具体的实施例中，所述的接收端，对b_T进行推测，具体推测如下：假设

即传输延时与收发双方的时差之和小于

根据式(2)、式(3)表示为

其中，a_R、b_R、a_T、b_T、T_f和T_nf均表示非负整数，且存在约束关系：

通过T_f(a_R-a_T)的取值范围推算b_T的取值。

在一个具体的实施例中，所述的密钥截取操作具体如下：对N_bit比特的密钥同步码截取其N_low位密钥同步码。

在一个具体的实施例中，呼叫建立时，由密钥分发中心为发送方、接收方分发初始值的密钥，后续通话过程中采用在未加密数据中添加N_bit比特时间同步信息作为动态变化的密钥同步码，用动态变化的密钥同步码对每帧数据进行保密传输。本实施例所述的密钥同步方法利用时间同步信息，传输截短的密钥同步信息，减小带宽需求的同时，降低了被破译的概率。

实施例3

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述的计算机程序被处理器执行时，实现的方法步骤如下：

S1：发送方在未加密数据中添加N_bit比特时间同步信息作为密钥同步码，并与未加密数据构成数据帧；

S2：根据密钥同步码对未加密数据进行加密；对N_bit比特的密钥同步码进行密钥截取操作；

S3：将已加密的数据和截短的密钥同步码形成发送方的空口数据；

S4：接收方接收空口数据，利用本地时间同步信息，将空口数据中的截短的密钥同步码恢复为与发送方相同的密钥同步码；

S5：接收方根据密钥同步码算法对已加密的数据进行解密。

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。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 (4)

1.一种密钥同步方法，其特征在于：所述的方法包括步骤如下：

S1：发送方在未加密数据中添加N_bit比特时间同步信息作为密钥同步码，并与未加密数据构成数据帧；

S2：根据密钥同步码对未加密数据进行加密；对N_bit比特的密钥同步码进行密钥截取操作；

S3：将已加密的数据和截短的密钥同步码形成发送方的空口数据；

S4：接收方接收空口数据，利用本地时间同步信息，将空口数据中的截短的密钥同步码恢复为与发送方相同的密钥同步码；

S5：接收方根据密钥同步码算法对已加密的数据进行解密；

所述的N_bit比特时间同步信息t_T表示的是数据帧加密的时间，具体地：

t_T＝T_fa_T+T_nfb_T (1)

其中，a_T是N_bit个比特的低N_low个比特位，表示的时间单位是空口帧周期T_f；b_T是Nbit比特的高(Nbit-Nlow)个比特位，表示的单位是个空口帧周期/>a_T数值的N_low个比特在空口上进行传输，随数据帧发送给接收方，b_T不通过空口传输；

接收方通过接收到的a_T和接收到数据帧时刻本地的时间，计算恢复出b_T；然后得到N_bit个字节的t_T，根据得到的t_T进行序列同步解密；其中，b_T的恢复算法如下：

接收方收到数据帧的时刻用t_R表示：

其中，Δt_T表示数据帧的传输时延；Δt_e是收发双方的时差；a_R、b_R表示的是接收方接收到数据帧的时刻，a_R是N_bit比特的低N_low个比特位，表示的时间单位是T_f，b_R是Nbit比特的高(Nbit-Nlow)个比特位，表示的时间单位是T_nf；

由于空口中没有传输b_T，接收方只能对b_T进行推测，具体推测如下：假设

即传输延时与收发双方的时差之和小于

根据式(2)、式(3)表示为

其中，a_R、b_R、a_T、b_T、T_f和T_nf均表示非负整数，且存在约束关系：

通过T_f(a_R-a_T)的取值范围推算b_T的取值；

对于T_f(a_R-a_T)的取值范围，分以下7种情况进行讨论：

1)T_f(a_R-a_T)＝0

即(a_R-a_T)＝0，结合式(4)及式(5)可得(b_R-b_T)＝0，即b_T＝b_R；

出现这种情况，表示通信双方的时差恰好与传输时延相互抵消；

2)

即结合式(4)及式(5)可得(b_R-b_T)＝-1，即b_T＝b_R+1；

3)

即结合式(4)及式(5)可得(b_R-b_T)＝0，即b_T＝b_R；

4)

即不满足式(4)；在假设成立的情况下，不会出现这种情况；

5)

即结合式(4)及式(5)可得(b_R-b_T)＝0，即b_T＝b_R；

6)

即结合式(4)及式(5)，可得(b_R-b_T)＝1，即b_T＝b_R-1；

7)

即不满足式(4)；在假设成立的情况下，不会出现这种情况；

所述的密钥截取操作是指对N_bit比特的密钥同步码截取其N_low位密钥同步码。

2.根据权利要求1所述的密钥同步方法，其特征在于：呼叫建立时，由密钥分发中心为发送方、接收方分发初始值的密钥。

3.一种密钥同步***，应用如权利要求1～2任一项所述的密钥同步方法，其特征在于：所述的***包括发送端、接收端；

所述的发送端，用于在未加密数据中添加N_bit比特时间同步信息作为密钥同步码，并与未加密数据构成数据帧；根据密钥同步码，加密模块利用相应的密钥对未加密数据进行加密；对N_bit比特的密钥同步码进行密钥截取操作，并将已加密的数据和截短的密钥同步码形成发送端的空口数据；

所述的接收端，利用本地时间同步信息，将截短的密钥同步码恢复为与发送方相同的完整密钥同步码；根据密钥同步码算法，解密模块利用相应的密钥对已加密的数据进行解密；

所述的N_bit比特时间同步信息t_T表示的是数据帧加密的时间，具体地：

t_T＝T_fa_T+T_nfb_T (1)

其中，a_T是N_bit个比特的低N_low个比特位，表示的时间单位是空口帧周期T_f；b_T是Nbit比特的高(Nbit-Nlow)个比特位，表示的单位是个空口帧周期/>a_T数值的N_low个比特在空口上进行传输，随数据帧发送给接收方，b_T不通过空口传输；

接收方通过接收到的a_T和接收到数据帧时刻本地的时间，计算恢复出b_T；然后得到N_bit个字节的t_T，根据得到的t_T进行序列同步解密；其中，b_T的恢复算法如下：

接收方收到数据帧的时刻用t_R表示：

其中，Δt_T表示数据帧的传输时延；Δt_e是收发双方的时差；a_R、b_R表示的是接收方接收到数据帧的时刻，a_R是N_bit比特的低N_low个比特位，表示的时间单位是T_f，b_R是Nbit比特的高(Nbit-Nlow)个比特位，表示的时间单位是T_nf；

由于空口中没有传输b_T，接收方只能对b_T进行推测，具体推测如下：假设

即传输延时与收发双方的时差之和小于

根据式(2)、式(3)表示为

其中，a_R、b_R、a_T、b_T、T_f和T_nf均表示非负整数，且存在约束关系：

通过T_f(a_R-a_T)的取值范围推算b_T的取值；

对于T_f(a_R-a_T)的取值范围，分以下7种情况进行讨论：

1)T_f(a_R-a_T)＝0

即(a_R-a_T)＝0，结合式(4)及式(5)可得(b_R-b_T)＝0，即b_T＝b_R；

出现这种情况，表示通信双方的时差恰好与传输时延相互抵消；

2)

即结合式(4)及式(5)可得(b_R-b_T)＝-1，即b_T＝b_R+1；

3)

即结合式(4)及式(5)可得(b_R-b_T)＝0，即b_T＝b_R；

4)

即不满足式(4)；在假设成立的情况下，不会出现这种情况；

5)

即结合式(4)及式(5)可得(b_R-b_T)＝0，即b_T＝b_R；

6)

即结合式(4)及式(5)，可得(b_R-b_T)＝1，即b_T＝b_R-1；

7)

即不满足式(4)；在假设成立的情况下，不会出现这种情况；

所述的密钥截取操作是指对N_bit比特的密钥同步码截取其N_low位密钥同步码。

4.根据权利要求3所述的密钥同步***，其特征在于：呼叫建立时，由密钥分发中心为发送端、接收端分发初始值的密钥。