[发明专利]基于数字基带信号的人工基带噪音的对称加密方法

说明书

技术领域

本发明属于无线网络通讯的物理层安全解决方案领域，具体为一种基于数字基带信号的人工基带噪音的对称加密方法。

背景技术

在现有的无线网络信息安全保密技术中，现代密码学中的对称/非对称加密算法依旧占有统治地位。通过对无线网络上层采用对称(比如：DES,AES等)或非对称(比如：RSA,DSA等)加密算法，来确保对所传输信息的安全保护。一般来说，由于窃听/攻击方不知道加密信息所用的密钥，破解或伪造加密密文对于窃听/攻击方会变的非常困难。不幸的是，随着密码分析(破密技术)的发展，特别是暴力攻击(brute-force attacks)破解法的提出，使得对称/非对称加密算法所加密的文件最终是可以被破解的，只是破解所需要的计算量(computational power)可能是密钥长度的指数成长。但是，随着计算机处理速度的持续增长，特别是量子计算的潜在效应，这种单纯靠计算复杂度(computational complex)来确保信息安全性的加密算法正变的越来越不可靠。

针对上述问题，Claude Shannon于1949年提出了一个信息论安全(Information-theoretic secrecy)通信的密码系统概念：在不知道加密密钥的情况下，即使拥有无限的计算能力(unlimited computing power)和无限多的加密密文(unlimited cipher text)，也不可能通过密码分析得到完整的明文信息(允许泄漏部份信息)。有趣的是，随之提出的信息完善保密性(perfect secrecy)可以被看成是信息论安全性的一个特例，只不过完善保密性对明文信息的泄漏有着更为严格的要求：除了明文的长度外，不能泄漏任何有关明文的信息。与完善保密性相对应的就是著名的一次性密码本(one-time pad)加密原理。可惜的是，由于一次性密码本在实际应用中非常难以生成和大规模的使用(在明文的加密过程中，同一密码只能使用一次，而且对明文要进行全文加密。)，大部分现有的抗密码分析算法还是基于信息论安全性所提出。

1975年，A.D.Wyner提出并建立了基于信息论安全性的网络物理层安全理论(physical layer security)。其中，Wyner利用了经典的Alice–Bob–Eve网络通信模型来说明：如果合法通信信道(Alice–Bob信道)的信噪比(SNR)比攻击信道(Alice–Eve信道)的信噪比高，那么合法信道可以保证通信信息的信息论安全性，攻击者(Eve)无法从所截取的通信中获取完全明文信息。这一理论的提出使得信息在网络中的传输安全性，特别是信息在无线网络中的传输安全性有了一个全新的解决方向。因此，近年来大量的国内外研究网络安全传输的学者都对网络物理层安全投入了诸多研究，产生了诸如信道编码；调制信号重新设计(Signal Design)；人工噪音(Artificial Noise)3个方向的物理层安全实现方式。

基于信道编码(Channel Coding)的物理层安全方案：

信道编码的主要目的是防止数据包的窃听(interception)和抗干扰(anti-jamming)。其中，最为有名的信道编码安全方案就是码分多址(Code Division Multiple Access,CDMA)。通过伪噪声码(Pseudo Noise code,PN code)对传输信息进行加密，网络中传输的密文只能被拥有正确PN码的合法用户所解密。同时，由于PN码有一定的冗余特性，码分多址也可以在一定的程度上抵抗攻击方的噪音干扰。但是，由于在标准的码分多址协议中，其可设计的PN码长度是一定的，这就导致了其可支持的用户数和安全性的降低。为了解决这一问题，Li等人提出了一种基于AES(advanced encryption standard)对称算法的AES-CDMA安全方案。文章提出了3种不同的长度的PN码设计长度(128,192和256比特)来提升其方案的计算复杂度。可惜的是，和其信道编码安全方案一样，由于不能满足Wyner所提出的合法信道信噪比高于攻击信道信噪比这一必要条件，其所设计的AES-PN码还是可以被密码分析破解；除此之外，由于在信道编码设计方案中，信道编码都会产生一定的编码冗余，虽然这可以抵抗一定的噪音干扰，但是，这也导致了网络中实际吞吐量(network goodput)的降低。

基于调制信号重新设计(Signal Design)的物理层安全方案：