艦船網(wǎng)絡(luò)保密通信的橢圓曲線優(yōu)化編碼技術(shù)

范凌云

(1.重慶城市職業(yè)學(xué)院，重慶404100;2.西安船舶工程研究院，陜西 西安710000)

0 引 言

艦船編隊(duì)網(wǎng)絡(luò)通信采用保密通信，在艦船編隊(duì)的網(wǎng)絡(luò)通信中，大量的機(jī)密數(shù)據(jù)需要通過保密編碼傳輸，隨著竊密和間諜活動(dòng)的猖獗，艦船網(wǎng)絡(luò)通信安全問題逐漸顯現(xiàn)出來，成為影響現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的瓶頸問題。沒有安全控制，防御措施的網(wǎng)絡(luò)不具備現(xiàn)代化、信息化的通訊能力。通信系統(tǒng)角度講，在通信中主要注重2 個(gè)情況:一是通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量，如何能夠在較短的時(shí)間內(nèi)將發(fā)送信息者所需要發(fā)送的內(nèi)容及時(shí)準(zhǔn)確的發(fā)送到接收信息者的手中;二是通信的保密性能，在通信中涉及秘密事項(xiàng)時(shí)，對(duì)通信保密性能的要求很高，而今，艦船網(wǎng)絡(luò)通信的效率和安全受到了人們的關(guān)注［1］。

傳統(tǒng)方法中，對(duì)艦船網(wǎng)絡(luò)保密通信主要采用鏈路加密和隨機(jī)碼生成技術(shù)，有效保證加密數(shù)據(jù)在艦船編隊(duì)中進(jìn)行通信和傳輸，但隨著通信數(shù)據(jù)吞吐量的增加，鏈路層加密編碼算法無法有效滿足艦船保密通信的要求。對(duì)此，相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行算法改進(jìn)設(shè)計(jì)［2］，其中文獻(xiàn)［3］提出一種基于隨機(jī)碼幅度調(diào)制的艦船網(wǎng)絡(luò)保密通信編碼和解碼算法，通過混沌加密對(duì)信源發(fā)出信源密鑰，采用幅度調(diào)制進(jìn)行隨機(jī)碼調(diào)度，提高加密性能，但是，該算法存在計(jì)算復(fù)雜，特征空間構(gòu)成維數(shù)較高的問題，導(dǎo)致通信的時(shí)效性不好。文獻(xiàn)［4］提出一種基于有限域混沌特征編碼的艦船網(wǎng)絡(luò)保密通信技術(shù)，方案中均需要一條超負(fù)荷的安全信道實(shí)現(xiàn)信息通信，在艦船遠(yuǎn)海編隊(duì)執(zhí)行通信時(shí)由于衛(wèi)星信道的不均衡導(dǎo)致通信的保密程度不高;傳統(tǒng)方法在艦船網(wǎng)絡(luò)通信密鑰擴(kuò)展過程中，隨著信噪比的降低，竊聽者可破解全部密鑰，加密性能不好［5-9］。針對(duì)上述問題，本文提出一種基于橢圓曲線加密的艦船網(wǎng)絡(luò)保密通信優(yōu)化編碼算法。首先構(gòu)建艦船網(wǎng)絡(luò)保密通信的通信信道模型，設(shè)計(jì)安全網(wǎng)絡(luò)編碼方案，采用橢圓曲線加密技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)通信數(shù)據(jù)的算術(shù)編碼與加密，最后采用仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)編碼性能進(jìn)行測(cè)試，展示了本文算法在實(shí)現(xiàn)艦船網(wǎng)絡(luò)保密通信優(yōu)化編碼中的優(yōu)越性能。

1 艦船網(wǎng)絡(luò)保密通信系統(tǒng)模型及信道傳輸機(jī)制

1.1 艦船網(wǎng)絡(luò)保密通信系統(tǒng)模型和基本概念

本文研究的艦船網(wǎng)絡(luò)保密通信系統(tǒng)是單源無圈網(wǎng)絡(luò)，考慮線性網(wǎng)絡(luò)編碼，在有向圖G=(V，E)中，V 稱為艦船網(wǎng)絡(luò)保密通信圖G 的節(jié)點(diǎn)集，E 稱為艦船網(wǎng)絡(luò)保密通信圖G 的鏈路集。存在一個(gè)標(biāo)量kd，e，每條信道e 對(duì)應(yīng)有向鏈路e=(u，v)，用v=head(e)來表示線性網(wǎng)絡(luò)的PSK 信源e 的頭，用u= tail(e)來表示設(shè)隨機(jī)碼序列鏈路的尾。定義艦船網(wǎng)絡(luò)保密通信系統(tǒng)的塊編碼ΓI(v)={e∈E| head(e)=v}即節(jié)點(diǎn)v 的輸入鏈路集合，為節(jié)點(diǎn)v 的入度;艦船網(wǎng)絡(luò)保密通信系統(tǒng)的信源參數(shù)密鑰為ΓO(v)={e∈E| tail(e)=v}，這里為節(jié)點(diǎn)v 的出度。采用Logistic 映射訓(xùn)練艦船網(wǎng)絡(luò)保密通信系統(tǒng)的信源參數(shù)，通過循環(huán)移位加密，實(shí)現(xiàn)對(duì)密文的加密傳輸和編碼，Logistic 映射的定義:

式中:參數(shù)μ∈［3.56994，…，4］時(shí)，密鑰總的比特位數(shù)艦船網(wǎng)絡(luò)保密通信的信息編碼和解碼流程如圖1 所示。

圖1 艦船網(wǎng)絡(luò)保密通信的信息編碼和解碼流程框圖Fig.1 Vessel network of secret communication information encoding and decoding process diagram

圖1 中，采用斜帳篷字符序列編碼方案對(duì)艦船網(wǎng)絡(luò)保密通信的移位密鑰進(jìn)行構(gòu)造，其表達(dá)式為:

其中，Pi(i = 1，…，n)表示艦船網(wǎng)絡(luò)保密通信的信源序列中非加密編碼出現(xiàn)的概率，而區(qū)間Ii表示用加密編碼的明文數(shù)概率區(qū)間，壓縮編碼后序列滿足:

這里，編碼速度相對(duì)較快，選取K = 256，通過上述處理實(shí)現(xiàn)艦船網(wǎng)絡(luò)保密通信系統(tǒng)模型構(gòu)建。

1.2 保密通信信道傳輸機(jī)制

在上述進(jìn)行艦船網(wǎng)絡(luò)保密通信信通模型構(gòu)建的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)行優(yōu)化編碼保密通信，需要進(jìn)行信道傳輸模型構(gòu)建，選一個(gè)在FP 上的橢圓曲線E，假設(shè)信源的網(wǎng)絡(luò)容量為m，求解橢圓曲線微分方程的優(yōu)化解，信道傳輸模型滿足如下條件:

1)fe=∑d∈ΓI(T)kd，efd，其中e∈ΓO(T)，通過鏈路重構(gòu)一次一密的編碼

2)在ω 個(gè)虛擬信道中，設(shè)Xm和Tm是X 和T 中與Zm對(duì)應(yīng)的原始消息向量，e∈ΓI(S)的向量fe形成了向量空間Fω的自然基底。

構(gòu)造出新的密文序列Χ=x1，x2，…，xn，并提交解密查詢Dec (i，c)，并統(tǒng)計(jì)這些查詢的密鑰X 的二項(xiàng)式和Sn=x1+x2+… +xn，在涉密信息系統(tǒng)中，采用CP-ABE 技術(shù)和代理重簽密技術(shù)相結(jié)合，將解密結(jié)果作為應(yīng)答發(fā)送給攻擊者，此時(shí)計(jì)算Sn 得而接近于均勻分布，即滿足。

對(duì)艦船網(wǎng)絡(luò)保密通信的編碼系統(tǒng)進(jìn)行初始化處理，步驟如下:

步驟1:選一個(gè)信宿上的橢圓曲線E，取屬于E的一點(diǎn)G，隨機(jī)數(shù)階為n;信宿Z 已恢復(fù)了X″;

步驟2:對(duì)信源發(fā)出的艦船通信信號(hào)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼，取整數(shù)d∈［1，n -1］;

步驟3:計(jì)算Q = dG。

步驟4:取得公鑰(G，E，n，Q)，驗(yàn)證R、S∈［1，n -1］。

2 基于橢圓曲線加密的艦船網(wǎng)絡(luò)保密通信優(yōu)化編碼

2.1 橢圓曲線加密算法

在艦船網(wǎng)絡(luò)保密通信中，通過對(duì)傳輸數(shù)據(jù)信息進(jìn)行優(yōu)化編碼，提高數(shù)據(jù)加密性能。在上述進(jìn)行艦船網(wǎng)絡(luò)保密通信的信息編碼和解碼設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行艦船網(wǎng)絡(luò)保密通信優(yōu)化編碼設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)的艦船網(wǎng)絡(luò)保密通信的編碼技術(shù)采用隨機(jī)碼幅度調(diào)制的信息編碼算法，在艦船網(wǎng)絡(luò)通信密鑰擴(kuò)展過程中，隨著信噪比的降低，竊聽者可破解全部密鑰，加密性能不好。為了克服傳統(tǒng)方法的弊端，本文提出一種基于橢圓曲線加密的艦船網(wǎng)絡(luò)保密通信優(yōu)化編碼算法。

假設(shè)艦船網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)v 的輸出鏈路集合為G =(Zm)-1Z，改進(jìn)型Logistic 映射信源發(fā)送n 個(gè)長度為n-1 的列表譯碼X′ 表示為:

其中，n ≤m，計(jì)算kP=(x，y)，R=xmodn，計(jì)算消息的散列值e = h(m|| R)，使用改進(jìn)型Logistic 映射得到艦船網(wǎng)絡(luò)保密通信的信息編碼的散列值e=h(m)，S=k-1(e + dR)modn，取得公鑰(G，E，n，Q)，驗(yàn)證R、S∈［1，n -1］;在橢圓曲線加密系統(tǒng)中，隨機(jī)取v，計(jì)算V = vG ≠0，得到橢圓曲線加密函數(shù)表達(dá)式為yn=1 -2y2n-1，(-1 ＜yn＜1)。構(gòu)建循環(huán)移位密鑰的空間向量特征表示為:

采用循環(huán)移位密鑰方法進(jìn)行橢圓曲線加密，得到橢圓曲線加密相關(guān)函數(shù)為:

對(duì)上式進(jìn)行特征值分解得:

通過多個(gè)字符序列進(jìn)行算術(shù)編碼，產(chǎn)生加密所需的一個(gè)參數(shù)密鑰，可得:

經(jīng)過上述步驟后，信宿Z 已恢復(fù)了X″，所以得:

在橢圓曲線中，分別恢復(fù)出信源的編碼矢量，得到艦船網(wǎng)絡(luò)保密通信橢圓曲線加密密鑰排列如圖2 所示。

圖2 艦船網(wǎng)絡(luò)保密通信橢圓曲線加密密鑰排列圖Fig.2 Ships network communication security elliptic curve cryptographic key permutation figure

2.2 艦船網(wǎng)絡(luò)保密通信優(yōu)化編碼算法實(shí)現(xiàn)

基于脫線曲線加密，采用Logistics 混沌系統(tǒng)來生成混沌序列y1，y2…yn，進(jìn)行艦船網(wǎng)絡(luò)保密通信優(yōu)化編碼，列表譯碼對(duì)艦船網(wǎng)絡(luò)保密通信的信源發(fā)出的每一個(gè)原始消息加密時(shí)，在信源處結(jié)合混沌序列，構(gòu)建保密通信中的加密體質(zhì)矩陣為n × n 的單位矩陣，網(wǎng)絡(luò)編碼結(jié)構(gòu)Si={(j，i，k)}，n 維消息向量為:

構(gòu)造Ai滿足H2{m′，(A6A3yH1{IDa，A6}gh′)A5，IDa，A3，A4}= h′等式，基于復(fù)雜序列映射的離散信息簽密安全模型，即可在不解DL 難題下，實(shí)現(xiàn)對(duì)艦船網(wǎng)絡(luò)保密通信的編碼。如果是多個(gè)字符序列進(jìn)行編碼，可以對(duì)艦船網(wǎng)絡(luò)通信資源PSK 信源RC 轉(zhuǎn)發(fā)過來的請(qǐng)求進(jìn)行解碼，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化編碼通信，算法實(shí)現(xiàn)過程如圖3 所示。

圖3 改進(jìn)算法實(shí)現(xiàn)流程Fig.3 Improve the algorithm implementation process

3 仿真實(shí)驗(yàn)與性能分析

為了測(cè)試本文算法在實(shí)現(xiàn)艦船網(wǎng)絡(luò)保密通信優(yōu)化編碼中的性能，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。仿真環(huán)境為Dell PC 機(jī)，處理器為Intel (R)Core (TM)i5 -3210M CPU @ 2.50 GHz，仿真軟件為Matlab 7，艦船網(wǎng)絡(luò)保密通信協(xié)議采用TCP/IP、NETBEUI 和IPX/SPX三種協(xié)議進(jìn)行聯(lián)合通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在艦船網(wǎng)絡(luò)保密通信橢圓曲線加密密鑰設(shè)計(jì)中，選取1024 bit 的明文塊進(jìn)行壓縮編碼，則Key1 = k1，k2，…，k256，產(chǎn)生256 bit 的二進(jìn)制序列，壓縮編碼序列0，t1，t2，t3，…，tr(r ≥128)，對(duì)t1，t2，t3，…，tr用混沌序列進(jìn)行相位調(diào)制，進(jìn)行加密編碼過程中，第1 字符的保密通信編碼迭代50 次，再迭代使用長度為16 的二進(jìn)制小數(shù)組成所需的加密序列x1x2x3，…，xr，進(jìn)一步找到每個(gè)塊的標(biāo)志序列作為循環(huán)移位密鑰，其中j =rmod128，將每個(gè)塊大小分為256 byte，以此進(jìn)行橢圓曲線優(yōu)化編碼仿真，編碼性能測(cè)試時(shí)α 取值為0.01，共測(cè)試了100 組，仿真中參數(shù)設(shè)置為:eT=50并且ε=0.1nJ/(bit·m4)。基于上述仿真環(huán)境下設(shè)計(jì)，采用本文算法進(jìn)行算法編碼和艦船保密通信仿真，分析保密通信數(shù)據(jù)編碼的信息頻值和信息頻值遞減率量，得到仿真結(jié)果如圖4 和圖5 所示。

圖4 不同比特序列艦船網(wǎng)絡(luò)保密通信數(shù)據(jù)編碼的信息頻值Fig.4 Different bit sequence ship network security communication information frequency value of the data encoding

從圖可見，采用本文算法，信源加密的鏈路數(shù)據(jù)比編碼性能較好，在艦船網(wǎng)絡(luò)通信密鑰擴(kuò)展過程中，隨著信噪比的降低，仍然有較好的加密性能。最后進(jìn)行密文敏感性測(cè)試，以信源識(shí)別率測(cè)試指標(biāo)，得到不同算法下的艦船網(wǎng)絡(luò)保密通信的信源識(shí)別率對(duì)比結(jié)果如圖6 所示，從圖可見，采用本文算法，具有較低為艦船網(wǎng)絡(luò)保密通信的信源識(shí)別率，對(duì)蠻力搜索攻擊具有較好的抵御效果。

圖5 不同比特序列分塊長度的艦船網(wǎng)絡(luò)保密通信數(shù)據(jù)編碼信息頻值遞減量Fig.5 Different bit sequence block length of ships network secure communications data encoding information decreasing frequency values are obtained

圖6 保密通信密文識(shí)別性能對(duì)比Fig.6 Secure communications cipher recognition performance

4 結(jié) 語

在艦船編隊(duì)的網(wǎng)絡(luò)通信中，大量的機(jī)密數(shù)據(jù)需要通過保密編碼傳輸，需要進(jìn)行保密通信的數(shù)據(jù)編碼和加密算法設(shè)計(jì)。本文提出一種基于橢圓曲線加密的艦船網(wǎng)絡(luò)保密通信優(yōu)化編碼算法。首先構(gòu)建艦船網(wǎng)絡(luò)保密通信的通信信道模型，設(shè)計(jì)安全網(wǎng)絡(luò)編碼方案，采用橢圓曲線加密技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)通信數(shù)據(jù)的算術(shù)編碼與加密，通過多個(gè)字符序列進(jìn)行算術(shù)編碼，產(chǎn)生加密所需的一個(gè)參數(shù)密鑰，在橢圓曲線中，分別恢復(fù)出信源的編碼矢量，得到艦船網(wǎng)絡(luò)保密通信橢圓曲線加密密鑰排列圖，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化編碼通信。研究結(jié)果表明，采用本文算法具有較好的艦船網(wǎng)絡(luò)保密通信數(shù)據(jù)編碼性能，具有較低為艦船網(wǎng)絡(luò)保密通信的信源識(shí)別率，對(duì)蠻力搜索攻擊具有較好的抵御效果，展示了較好的保密通信能力。

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