一種無線電密鑰分發方案設計與實現

在當前信息社會背景下，無線電通信技術因其靈活性和優秀的信息傳遞效率，在緊急事態應對、商業交易和公共服務中扮演著不可或缺的角色。然而，隨之而來的挑戰是通信內容保密性和完整性問題，因為無線電波的廣播特性導致信息易被截取破譯或篡改。針對這一痛點，密鑰分發方案的關鍵在于如何高效且安全地管理并分發密鑰。傳統的密鑰分發中心機制雖然廣泛采用，但在無線電環境的獨特情境中仍暴露出不足之處。尤其是在當前高算力計算機不斷迭代升級的背景下，傳統密鑰分發系統在密鑰派生、密鑰分發等關鍵環節安全性面臨較大威脅，網絡環境中組成員動態調整和網絡結構的頻繁變更，也使得傳統機制難以跟上節奏。因此，對安全性、靈活性和擴展性有著更高要求的新型密鑰分發和管理系統亟待問世。

本論文提出了一種無線電密鑰分發設計與實現方案，通過整合新的加密技術、認證機制以及密鑰生成策略，以應對多種網絡攻擊，確保密鑰的安全傳輸。該方案旨在建立一個安全高效的密鑰分發和管理平臺，能夠有效應對無線電通信中的密鑰泄露、密鑰信息篡改以及信息重放等問題。此外，系統的可拓展性和用戶友好性也受到充分考慮，以滿足不斷變化的現代無線電通信網絡需求。在論文結尾，經過實驗驗證了系統的各項性能，結果顯示該無線電密鑰分發系統在確保密鑰安全的同時，具備良好的性能和實用價值。

一、無線電密鑰分發方案的設計與實現

（一）方案設計

1. 工作密鑰生成

本方案中設計了兩個關鍵角色：密鑰分發中心（KDC）與終端用戶（User）。在密鑰分發過程啟動之前，User1向KDC提交了一份申請。該申請包含了用戶個人信息、希望加入通信會話的其他用戶（User2、User3）以及所需工作密鑰的長度等重要信息。KDC在驗證了用戶身份之后，根據用戶需求生成相應的工作密鑰。這些工作密鑰將作為用戶之間通信加密的基石，因而必須保證其具備良好的隨機性和適合的長度。在本方案中，工作密鑰的產生采用了secrets模塊，該模塊專門用于生成安全的隨機數，尤其適合用于管理密碼、賬戶認證、安全憑證以及其他機密數據。

2. 通信密鑰生成

完成工作密鑰的生成之后，本系統會產生通信密鑰。與即將分發的工作密鑰不同，通信密鑰用于 KDC 與User之間的通信加密。為確保通信密鑰的新鮮度與唯一性，該方案采取了基于時間戳的密鑰派生機制。這種機制將長期持有的主密鑰與當前的時間戳結合，在哈希函數的作用下生成一次性的會話密鑰，用于當前的通信會話。如此設計使得通信雙方需共有主密鑰，并在每次會話開始時，配合實時時間戳，動態地產生新的會話密鑰。這不僅確保了密鑰的實時性，避免了失效密鑰的再次使用風險，同時也因為每個密鑰都附有實時的時間標記，提高了密鑰的不可預測性，使攻擊者難以推測未來的密鑰。此外，這種設計簡化了密鑰的管理流程，解決了為每次通信會話預設唯一密鑰的煩瑣工作，同時降低了管理成本。該密鑰生成方法有效提升了通信的安全性，并優化了密鑰管理流程，實現了安全性與效率的雙重提升。

3. 加密與校驗運算

如圖1所示，工作密鑰與通信密鑰準備完畢后，進行加密與校驗運算。以通信密鑰為加密密鑰，將參與通信的人員信息（User1、User2、User3）與待分發的工作密鑰綜合編排后作為消息集進行加密運算。為了達到行業較高安全標準，本方案選用了國家密碼管理局推薦的SM4加密算法。其作為一種先進的分組對稱密碼算法，具有128位固定密鑰長度和128位分組大小的特點，兼具高安全性與高效率，適合現代信息系統加密需求。

加密運算完成后，系統將明文形式的時間戳與密文組合在一起。其中時間戳不僅作為消息有效性的標準，同時也是終端用戶生成通信密鑰的關鍵要素。接著，系統將采用HMAC算法對組合數據執行校驗操作，并將校驗值附加至數據末尾，構成最終的分發數據包。通過使用HMAC算法，本方案不僅提供了強有力的數據完整性驗證機制，確保了數據在傳輸過程未受篡改，同時還增加了身份驗證的一重保障。因為合法密鑰的持有者才能生成有效的 HMAC值，而接收方可以用同樣的密鑰進行驗證，從而確認數據來源無誤。該設計極大提升了校驗的安全級別，同時也提高了整個通信協議的安全性。因此，HMAC算法對于維護傳輸數據的機密性和完整性十分關鍵，其在本方案中確保了信息安全傳輸的能力。

4. 消息驗證與解密

通信消息解密流程如圖2所示，終端用戶在接收到經過加密的數據后，會先使用本地主密鑰和時間戳生成通信密鑰，并通過該密鑰執行 HMAC校驗，以確認消息的完整性。在數據校驗無誤的情況下，用戶進一步判斷消息是否在有效期內，任何超出有效時間窗口的消息都將被棄置。確認消息有效后，用戶對它進行解密處理，提取出包含在其中的用戶信息與工作密鑰。

（二） 安全性分析

對無線電密鑰分發系統的安全性進行分析，考慮無線電通信現實面臨的主要威脅，重點評估系統對重放攻擊、篡改攻擊和偵聽攻擊的防護能力。通過對系統各個組件的設計理念和實現方式的深入探討，旨在驗證系統的安全性。

抗重放攻擊能力。重放攻擊是攻擊者通過截獲合法用戶的通信請求并再次發送以獲取未授權訪問的一種攻擊手段。密鑰分發方案中通過引入時間戳來抵抗這種攻擊。時間戳是在密鑰分發過程中動態生成的，能夠標識密鑰有效的時長。時間戳要求發送方和接收方的系統時鐘必須保持一定的同步，確保密鑰在一定的有效期內能被接收方接受。任何超出有效時間窗口的密鑰分發請求將被視作無效，從而有效避免重放攻擊。通信密鑰的設計為一次性使用，一旦使用即廢止，這樣即便是被重放的消息，由于密鑰已更新，也無法成功解密數據，從而無法對系統產生影響。

抗篡改攻擊能力。篡改攻擊是攻擊者試圖更改在傳輸過程中的消息內容。方案利用校驗碼來進行身份認證并確保通信元組的完整性和真實性。校驗碼基于驗證密鑰、通信載荷（包括時間戳和用戶信息）和工作密鑰計算得出，其中任何一項遭到更改都無法通過校驗。此外，由于國密SM4加密算法對所有數據進行加密處理，若數據在傳輸過程中被篡改，傳輸消息的原有長度遭到破壞，接收方無法正確解密的數據也將被系統識別并拒絕處理。

抗偵聽攻擊能力。偵聽攻擊是攻擊者通過監聽通信過程中的信息交換，以滿足己方信息需要為目的的攻擊。在本方案中，消息中的敏感信息，包括用戶信息、會話密鑰，在傳輸前都將被加密。使用國密SM4加密算法對通信元組加密，確保即使數據被截獲，攻擊者也無法解析出其中的敏感信息。此外，每個會話密鑰都是獨一無二且一次性使用的，這意味著即使攻擊者能夠解密某個會話的密鑰，它對其他會話并無用處，限制了偵聽攻擊帶來的威脅。

（三）無線電密鑰分發方案實現

依據密鑰分發方案構建密鑰分發中心與終端用戶體系結構，并詳細闡明各結構功能。

1. KDC體系結構

用戶注冊及管理模塊：該模塊負責處理新用戶的注冊請求、工作密鑰申請、存儲用戶相關信息以及生成與之關聯的安全參數，如用戶唯一標識和個人主密鑰。它還可以管理用戶狀態信息，實現用戶的注銷、信息更新等功能。

密鑰生成與存儲模塊：這個模塊用于生成并維護多種類型的密鑰，包括用戶個人主密鑰、群組通信密鑰、點對點通信密鑰、通播密鑰、工作密鑰等。它確保密鑰的隨機性和安全性，并設置安全的存儲機制來保護這些密鑰以防泄露。

密鑰分發模塊：此模塊是系統的核心，負責安全地分發密鑰給請求的用戶。它通過調用加密與解密模塊、認證與授權模塊等，確保密鑰在傳輸過程中不會被截獲或篡改。該模塊支持各種分發策略（如點到點、組播、通播等），以滿足不同場景的需求。

加密與解密模塊：這個模塊實現了密鑰分發所依賴的國密SM4加密算法、Hmac校驗算法等。它通過獲取密鑰生成與存儲模塊生成的各類通信密鑰對用戶信息和待分發的工作密鑰信息進行加解密處理和完整性校驗工作，以確保僅授權用戶能夠訪問受保護的信息。

認證與授權模塊：它提供對用戶身份的校驗和認證，確保只有合法和授權的用戶才能請求和接收工作密鑰。同時，該模塊還負責核實終端用戶對每個工作密鑰請求的合法性。

審計與日志模塊：該模塊記錄所有密鑰相關的操作和事件，包括用戶的密鑰請求、分發成功與否等。這些日志信息對于監控系統的使用情況、調查安全事件以及確保合規性是至關重要的。

2. 終端用戶體系結構

密鑰申領模塊：該模塊充當用戶和KDC間的接口，負責發起工作密鑰請求過程。用戶在需要與其他用戶（群）建立安全通信時，通過該模塊向KDC發送密鑰請求，并提供相應的認證信息。此模塊能處理KDC的響應，調用加密與解密模塊接收分發下來的工作密鑰，并確保工作密鑰的有效性及時性。

密鑰存儲模塊：一旦用戶從KDC接收到工作密鑰，這個模塊則負責安全地存儲密鑰以供日后使用。它實現密鑰的安全管理，包括密鑰的加密存儲、有效期檢測、備份以及災難恢復機制。確保密鑰不被未授權的用戶訪問是該模塊的首要任務。

加密與解密模塊：此模塊是用戶端信息安全的執行力量，其功能包括發送或接收的消息執行加解密、完整性校驗、有效期驗證等。它實施了國密SM4加密算法、Hmac校驗算法等，確保了數據在本地處理和外發傳輸過程中的機密性和完整性。

認證模塊：在向KDC申請密鑰或與其他用戶交互時，該模塊提供用戶身份的確權。這涉及各種身份驗證機制，如密碼或多因素認證。通過這一模塊，系統可以驗證身份的真實性，從而允許用戶進一步操作。

審計與日志模塊：本模塊記錄所有關于密鑰申請、使用和管理的操作，提供了透明度，并為后續的審計和監管提供了依據。在發生安全事件時，日志可被用于追蹤并分析事故的原因，同時對用戶操作進行可靠的審計。

二、無線電密鑰分發方案性能分析

通過仿真實驗對無線電密鑰分發系統的性能進行分析。主要對用戶注冊、密鑰分發、用戶注銷、通信解密的時間性能進行分析。測試將分別模擬在用戶數量為50、100、500、1000時，系統完成指定功能的總耗時，求得單名用戶的平均耗時，以此為指標測試系統該功能性能。

（一）用戶注冊性能

用戶注冊時將調用用戶注冊及管理模塊完成，包括查驗新注冊用戶名是否已經存在，生成用戶主密鑰以及存儲用戶信息。分析實驗數據，當用戶數為50時，單個人員平均時耗約為0.496ms，而人數增加至500時，單個人員時耗平均約為0.655ms。在人數10倍增長的情況下，平均時耗增長僅0.1ms。隨著用戶數量的增加單個用戶平均時耗只會引起很小的變化。可見，該項功能對系統運算資源消耗較小。使用該功能時，系統具備較強的并行處理能力。

（二）密鑰分發性能

測試該性能時，一名用戶終端作為密鑰請求者，其選擇任意兩名用戶作為密鑰共享者。在該模式下，系統需對每名終端用戶進行主密鑰獲取、工作密鑰生成、消息校驗、加密運算、消息分發等。隨用戶數量的增加，每名用戶密鑰分發的平均時耗幾近呈等比例增加趨勢。表明密鑰分發對KDC計算資源消耗較大。當同時進行密鑰分發的用戶達到500時，每名用戶時耗也僅為17.354ms，足以應對大部分日常應用場景。

（三）用戶注銷性能

用戶注銷將調用用戶注冊及管理模塊完成，包括查驗用戶名是否已經存在，注銷用戶主密鑰以及存儲用戶信息。當人數總量為50時，單個人員平均時耗為0.532ms，人數遞增至500時，單個人員時耗為0.650ms。用戶注銷平均時耗隨人數增多呈遞增趨勢變化不大，證明該項功能對系統運算資源消耗不大。使用該功能時，系統具備較強的并行處理能力。

綜上所述，本文方案產生的時間開銷是可以接受的，該系統的各項功能足以應對大部分日常應用場景下密鑰分發的需求。

三、結語

本文提出的無線電密鑰分發方案，經過安全性分析，表現出一定的信息安全保護潛力。在該方案中，采用了國密SM4加密算法和Hmac校驗算法、時間戳以及一次性使用的通信密鑰等多重措施，旨在增強系統抵御現實安全威脅的能力。方案經過實驗驗證，在多種應用場景中展示出相對較低的延時，說明了其計算效率和并行處理能力相對合理。該方案的核心目的是提供一種高效、穩健并且可信賴的密鑰分發機制，協助保護無線電通信的機密性和完整性。然而，任何安全方案在理論上的有效性都需要在實踐中不斷驗證和調整，該方案還需在各種環境和條件下進一步測試和細化。本文的研究工作，希望能為無線電密鑰分發領域提供一定的參考和應用價值，對促進信息安全的加強和無線電通信技術的發展提供了一些思路。