一種優(yōu)化的保密管理模型的研究與仿真

管延軍,王鵬,安曉江

(1.北京海泰方圓科技有限公司,北京 100193;2.電子文件真實(shí)性認(rèn)定與保障技術(shù)北京市

工程實(shí)驗(yàn)室,北京 100193)

一種優(yōu)化的保密管理模型的研究與仿真

管延軍1,2,王鵬1,2,安曉江1,2

(1.北京海泰方圓科技有限公司,北京 100193;2.電子文件真實(shí)性認(rèn)定與保障技術(shù)北京市

工程實(shí)驗(yàn)室,北京 100193)

摘要：指出了傳統(tǒng)的通信編碼加密模型采用的是隨機(jī)相位特征分區(qū)的加密算法,對(duì)信息加密過(guò)程的隨機(jī)碼編碼性能不好,保密通信性能不高。提出了一種基于隨機(jī)性碼元頻數(shù)檢測(cè)的優(yōu)化保密通信管理模型,以實(shí)現(xiàn)通信數(shù)據(jù)的加密傳輸。進(jìn)行保密通信管理模型構(gòu)建和數(shù)據(jù)特征分析,提取保密通信信道中的信息加密傳輸循環(huán)碼比特序列特征,采用混沌預(yù)測(cè)進(jìn)行加密信號(hào)的隨機(jī)解碼,利于保密通信和數(shù)據(jù)傳輸,實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化保密管理及仿真。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:采用該模型能有效實(shí)現(xiàn)保密通信管理,通信加密成功率較高,誤碼率較低,提高了加密性能,改善了通信質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：保密;通信;加密算法;模型

收稿日期：2015-07-14

作者簡(jiǎn)介：管延軍(1971—)，男，吉林汪清人,工程師,主要從事信息安全密碼相關(guān)技術(shù)等工作。

中圖分類號(hào)：TN911

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：編號(hào)：1674-9944(2015)09-0305-03

1引言

隨著網(wǎng)絡(luò)通信信息技術(shù)的迅猛發(fā)展,通信安全問(wèn)題逐漸顯現(xiàn)出來(lái),因此信息加密和數(shù)據(jù)編碼傳輸是保障信息安全的關(guān)鍵,信息加密成為影響現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)化信息發(fā)展的瓶頸問(wèn)題。當(dāng)今隨著軍事通信保密性的升級(jí)和竊密、反竊密技術(shù)的不斷發(fā)展革新,研究數(shù)據(jù)加密算法,提高編解碼的速率和數(shù)據(jù)傳輸安全,成為密碼學(xué)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題,同時(shí)也是對(duì)保密通信的要求提出了新的挑戰(zhàn),2009年美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室研究人員Pecora和Carroll在國(guó)際上首次采用驅(qū)動(dòng)-響應(yīng)式進(jìn)行隨機(jī)性碼元頻數(shù)比特序列保密通信,為隨機(jī)性碼元頻數(shù)比特序列的加密算法的研究提出了新的課題?？梢?jiàn),研究一種優(yōu)化的保密通信管理模型提高通信數(shù)據(jù)的加密性能具有重要意義[1]。

在保密通信領(lǐng)域中,隨機(jī)性碼元頻數(shù)比特序列的比特序列加密一直是工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)課題,常用的編碼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法有譜分析法、時(shí)頻分析法、小波變換法和ARMA模型法等現(xiàn)代信號(hào)處理方法,采用線性碼、循環(huán)碼、卷積碼、TURBO碼等糾錯(cuò)編碼方式實(shí)現(xiàn)對(duì)碼間干擾的抑制和對(duì)信道變化的跟蹤。傳統(tǒng)的通信編碼加密模型采用的是隨機(jī)相位特征分區(qū)的加密算法,對(duì)信息加密過(guò)程的隨機(jī)碼編碼性能不好,保密通信性能不高。對(duì)此,相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)[2],其中,文獻(xiàn)[3]提出一種基于頻分復(fù)用子信道傳輸?shù)臒o(wú)線通信加[3,4]密算法,實(shí)現(xiàn)通信保密管理,但是該算法存在計(jì)算復(fù)雜,開(kāi)銷較大的缺點(diǎn);文獻(xiàn)[4]提出一種基于混沌理論的通信加密算法,對(duì)無(wú)線通信信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確的接收和調(diào)制解調(diào),加密性能較好,但該算法的缺點(diǎn)是在高維空間中進(jìn)行混沌特征分析,可能出現(xiàn)相位偏移和失真,導(dǎo)致加密性能不好[5,6],針對(duì)上述問(wèn)題,本文提出基于隨機(jī)性碼元頻數(shù)檢測(cè)的優(yōu)化保密通信管理模型,實(shí)現(xiàn)通信數(shù)據(jù)的加密傳輸。首先對(duì)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行多狀態(tài)的分布特性計(jì)算,根據(jù)對(duì)通信數(shù)據(jù)規(guī)律的分析,對(duì)多狀態(tài)的隱層分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算,引入不斷迭代更新,提取系統(tǒng)的噪聲特性,對(duì)噪聲和真正的通信數(shù)據(jù)進(jìn)行分離,實(shí)現(xiàn)保密通信和數(shù)據(jù)傳輸,最后進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)性能驗(yàn)證,展示了本文算法在提高保密通信性能方面的優(yōu)越性。

2保密通信管理模型構(gòu)建和數(shù)據(jù)特征分析

2.1　基本知識(shí)描述和保密通信管理模型構(gòu)建

首先構(gòu)建保密通信管理模型,通信實(shí)現(xiàn)了人們隨時(shí)隨地的通信要求,從而獲得了飛速發(fā)展,頻分復(fù)用作為移動(dòng)通信的技術(shù)支持之一,起到了不可替代的重要作用。本文采用量子密碼學(xué)方法進(jìn)行通信保密管理模型構(gòu)建,經(jīng)過(guò)近些年的發(fā)展,量子密碼學(xué)發(fā)展出來(lái)的經(jīng)典方案有如下幾種:①EPR粒子對(duì):采用基于量子糾纏的方案實(shí)現(xiàn),代表為E91 協(xié)議；②雙態(tài)方案:在兩個(gè)非正交的量子態(tài)下實(shí)現(xiàn),代表為B92 協(xié)議；③多態(tài)方案:采用基于兩種共軛基的方法實(shí)現(xiàn),其代表為BB84 協(xié)議；④密鑰分配方案:采用基于正交態(tài)的量子態(tài)實(shí)現(xiàn),即為不可克隆的正交定理；通過(guò)上述分析,構(gòu)建了保密通信管理模型。

2.2　數(shù)據(jù)特征分析

(1)

(2)

(3)

根據(jù)上述特征提取結(jié)果,然后研究盲源信號(hào)、信噪分離算法,以此實(shí)現(xiàn)保密通信循環(huán)碼加密模型及特征提取。

(4)

對(duì)接收通信信號(hào)采取改進(jìn)盲源分離算法進(jìn)行計(jì)算,通過(guò)多天線系統(tǒng)進(jìn)行通信信號(hào)的信號(hào)與噪聲的分離,同時(shí)也使得信號(hào)可以在同樣頻率的同一信道中進(jìn)行復(fù)用傳輸,實(shí)現(xiàn)信號(hào)加密和數(shù)據(jù)編碼。

3算法改進(jìn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

傳統(tǒng)的通信編碼加密模型采用的是隨機(jī)相位特征分區(qū)的加密算法,對(duì)信息加密過(guò)程的隨機(jī)碼編碼性能不好,保密通信性能不高。為了克服傳統(tǒng)方法的弊端,本文提出基于隨機(jī)性碼元頻數(shù)檢測(cè)的優(yōu)化保密通信管理模型,實(shí)現(xiàn)通信數(shù)據(jù)的加密傳輸。

遍歷表達(dá)式current_node中的每個(gè)變量var,最后得到語(yǔ)義系統(tǒng)檢錯(cuò)碼信任權(quán)重值表示為:

(5)

上式中,Trusta→b代表檢錯(cuò)碼元A對(duì)鄰居鏈路B的信任權(quán)重值;IRb(ICL)為跨層鏈路類間重視度信息編碼權(quán)重,客觀上反映為報(bào)表A的可信程度;SemSimHie(ix,ij)關(guān)聯(lián)信息矢量,得到分塊編碼加密之后的算術(shù)編碼為:

(6)

將編碼嵌入到加密體系,進(jìn)行隨機(jī)碼序列生成設(shè)計(jì),在含有k個(gè)特征的子集s中,ref為類與特征間的平均相關(guān)度,rff是特征之間的相關(guān)度,在上述進(jìn)行隨機(jī)碼序列生成的前提下,信息加密密鑰設(shè)計(jì),對(duì)每個(gè)分塊編碼按照序列“011111111”插入,構(gòu)造出新的序列X=x1,x2,……,xn,并統(tǒng)計(jì)序列X的二項(xiàng)式和Sn=x1+x2+…+xn,信息加密區(qū)間也是反向?qū)?yīng)的,可得:

Ii=f-1(x)(Ii+1)

(7)

size(Ii)=pisize(Ii+1)

(8)

對(duì)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行多狀態(tài)的分布特性計(jì)算,根據(jù)對(duì)通信數(shù)據(jù)規(guī)律的分析,引入不斷迭代更新,提取系統(tǒng)的噪聲特性,對(duì)噪聲和真正的通信數(shù)據(jù)進(jìn)行分離,得到保密信息通信系統(tǒng)的比特序列輸出為:

(9)

(10)

4仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文算法在實(shí)現(xiàn)保密通信管理中的性能,進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建立在Xilinx Virtex-5上,采用Virtex-5 XC5VLX330 FPGA作為目標(biāo)可重構(gòu)器件,比特序列加密數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度為4 s,采樣率為8 kHz,量化精度為16 Bit。密文數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)中的乘法運(yùn)算綜合結(jié)果和資源分布情況見(jiàn)表1。

表1　加密密文數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)中分布資源

根據(jù)上述仿真環(huán)境和參數(shù)設(shè)定,進(jìn)行保密通信管理仿真,加密序列進(jìn)行分段測(cè)試,為加密成功率為測(cè)試指標(biāo),得到采用本文算法和傳統(tǒng)算法下的保密通信加密成功率對(duì)比結(jié)果如圖1所示。從圖可見(jiàn),采用本文算法進(jìn)行保密通信管理,通信加密成功率較高,誤碼率較低,提高了加密性能,改善了保密通信質(zhì)量。

圖1　保密通信管理模型的加密輸出性能

5結(jié)語(yǔ)

基于信息加密的網(wǎng)絡(luò)安全保密通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在加密通信、隨機(jī)碼通信和數(shù)車載多傳感器通信等領(lǐng)域,成為當(dāng)今保密通信的熱點(diǎn)問(wèn)題。本文提出基于隨機(jī)性碼元頻數(shù)檢測(cè)的優(yōu)化保密通信管理模型,實(shí)現(xiàn)通信數(shù)據(jù)的加密傳輸。首先對(duì)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行多狀態(tài)的分布特性計(jì)算,根據(jù)對(duì)通信數(shù)據(jù)規(guī)律的分析,對(duì)多狀態(tài)的隱層分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算,引入不斷迭代更新,提取系統(tǒng)的噪聲特性,對(duì)噪聲和真正的通信數(shù)據(jù)進(jìn)行分離,實(shí)現(xiàn)保密通信和數(shù)據(jù)傳輸,實(shí)現(xiàn)優(yōu)化保密管理及仿真,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,采用該模型能有效實(shí)現(xiàn)保密通信管理,通信加密成功率較高,誤碼率較低,提高了加密性能,改善了通信質(zhì)量。

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