密文攻擊下廣播通信防泄露密鑰設計方法研究

中圖分類號：TN918.4 文獻標志碼：A

0 引言

廣播通信作為信息傳遞領域中一種具有效能的傳播模式，在數字通信技術、物聯網體系等多元化應用場景中均得到了深度推廣與廣泛應用。然而，廣播通信所具有的開放性特質，使其不可避免地置身于多種安全風險之中，而密鑰信息的外泄問題，已成為引發通信內容遭竊取狀況的關鍵誘因之一。在此背景下，已有很多學者開始研究密文攻擊下廣播通信防泄露密文方法。

陳武等[]研究基于私有云安全防護的網絡密文數據防泄露方法，使用生成對抗網絡的動態插圖圖像細節增強密文方法，通過構造傳統Cascade協商過程的密鑰協商過程矩陣，推導了合法用戶所得密鑰中安全的信息量，改進了Cascade算法。該方法結合符號定時同步預處理以及高精度參數估計得到了一個完整的密鑰，但計算量較大，運行復雜，不適合普遍情況。戴佳鵬2研究的面向敏感區域的密文數據庫存儲加密方法，數據庫存儲不合理，造成異常值存儲。黎亦凡等3基于密文屬性加密的發變組故障錄波數據訪問控制方法研究提出不同密鑰不同加密方式，但設計過于復雜，算法選取有異議?？紤]到當前密文攻擊下廣播通信防泄露密文方法應用的局限性，本文提出在密文攻擊下廣播通信防泄露的密鑰方法，通過運用方差和魯棒性公式篩選出穩定特征點，用歐式公式對穩定特征點距離進行計算。在此基礎上進行加權獲得動態特征點距離，將動態特征點距離進行分級并將有限等級量化為確定初級密鑰值。為了防止泄露，本方法結合固定長度的二進制字符串與計算的初級密鑰值，使用哈希函數再次加密量化，生成密文攻擊下廣播通信防泄露密鑰。

1廣播通信防泄露密鑰生成方法設計

1.1篩選穩定通信通道特征

為了設計密文攻擊下廣播通信防泄露密鑰方法，本文設立廣播方和接收方，雙方通過相互發送訓練序列采集廣播通信通道的特征。首先須對采集原始通信通道特征進行預處理，以確保其格式和長度適合后續的算法處理[4]。利用分段哈希法將處理后的原始通信通道進行特征提取，哈希函數特征提取公式為：

y={H（x₁），H（x₂）…H（x_i）}

y₁=H（x₁）

y₂=H（x₂）

y_i=H（x_i）

式中， x 代表原始通信通道； H（Σ） 代表哈希函數；y_i 代表信道子特征點； y 代表候選通信通道特征點。原始通信通道 x 被分割為多個固定長度的子段，對每個子段分別應用哈希函數 H（ξ） ，得到信道子特征 y_i= H（x_i） ;并將所有子特征 y₁，y₂，…，y_n 組合為最終的候選通信通道特征。其次從提取得到的候選通信通道特征點中篩選初步穩定特征，使用方差作為穩定性評估的標準之一，方差公式如下：

V=y_i/N（y-α）²

式中， V 代表通信通道特征方差， α 代表通信通道特征均值， N 代表通信通道特征總數。方差越小特

征越穩定，選取方差較小的特征作為初步穩定通信通道特征點。特征的相對變化幅度可用魯棒性來描述，變化越小，則魯棒性越強。魯棒性的量化公式如下：

式中， R 代表相對變化率， V₁ 代表加人噪聲后的特征方差值；·代表魯棒性范數。 R 越小，特征對噪聲越不敏感，魯棒性越強該特征點越穩定，本文選取R 值小的特征點作為穩定特征點。

方差和魯棒性結合，可以衡量通信通道特征在不同條件下的波動情況和穩定程度。最后，以方差和魯棒性作為標準，評估候選特征的穩定性，從中篩選出的穩定特征，應具有低方差、高魯棒性等特點。由此，從原始通信通道中篩選出具有穩定性核心的特征，這些特征能夠反映生成密鑰的本質屬性，且不易受密文攻擊的影響。

1.2量化特征生成初級密鑰

量化信道特征的目標是將模擬的信道特征轉化為二進制序列，生成初級密鑰。

將篩選出的穩定通信通道特征量化，須結合特征的范圍和分布，量化生成具有抗泄露能力的動態密鑰[5-6]。設穩定特征 R（R₁，R₂）∈[0，10]，R₁ 代表在空間中選取特征1， R₂ 代表在空間中選取特征2。將穩定特征 R（R₁，R₂）∈[0，10] 分為5個等級（在安全性要求高的場景中，增加等級數量）。每個等級對應1個密鑰值，密鑰值等級如表1所示。

表1密鑰值等級表

將連續穩定特征映射到有限等級標識中，能減少密鑰空間復雜度，為下述生成防泄露密鑰減少計算量[]。將有限等級量化為初始二進制序列，設量化等級為L，時間戳編碼為T，隨機數編碼為Q，將特征對應的有限等級進行量化，初級量化公式如下：

K=R∣f（Leve）∣Q

式中， K 代表量化后的二進制序列，I表示字符串等級量化 ，f（Leve） 代表等級標識。初始二進制序列結合對應密鑰值，輸入隨機硬件庫，隨機輸出量化序列，輸出的量化序列若有重復，則須進行多次量化輸入。最終獲得不重復序列，即初級密鑰 G ，隨機性較高且數量較多。

1.3密文攻擊下加密初級密鑰生成防泄露密鉬由于攻擊者僅能獲取加密后的密文，通過統計分析或者暴力破解等手段還原明文或密鑰，在密文攻擊環境下，為了廣播通信過程中防止泄露密鑰，須加密初級密鑰生成防泄露密鑰。初級密鑰須通過隱私放大來刪除泄露信息以確保密鑰的安全性，本文使用非對稱加密，利用公鑰 （?_n，e） 和私鑰 （n，d） 將明文與初級密鑰 G 隨機混合?；旌虾蟮男蛄惺褂霉：瘮翟俅瘟炕用?，哈希函數加密公式為：

F=KH（n，d）（G）Q（n，e）

式中， F 代表最終輸出的防泄露密鑰； h 代表固定長度的二進制字符串。通過非對稱加密，本方法結合量化因素（時間戳、隨機數）和強哈希算法，生成具有時效性和防泄露性的動態密鑰[8]

由此，完成本文在密文攻擊下廣播通信防泄露密鑰設計方法。通過加密初級生成動態防泄露密鑰，密鑰更加依賴明文的具體特征。

2實驗

2.1 實驗設置

實驗采用2臺某軟件無線電設備充當2位合法通信用戶Alice和Bob，Alice和Bob組成TDD通信系統。為比較通信時間間隔對密鑰生成的影響，共進行了2次實驗。第一次實驗中Alice和Bob收、發信號都占用 10ms ，即雙方接收信號的時間差為 5ms 。第二次實驗中Alice發送 2ms ，接收 6ms ;Bob發送6ms ，接收 2ms ，雙方接收信號的時間差為 2ms 。實驗場景如圖1所示。

本次實驗利用SAGE算法提取了前3條徑的CIR幅值最大值和時延等特征。每條多徑的每個特征最終都生成27組密鑰，每組密鑰對應的信道探測消耗的時間為 10s 。實驗搭建模擬廣播通信環境，環境參數如表2所示。

實驗的廣播通信節點為配置了不同無線網卡的筆記本電腦，如Wireless-N2230、Atherosar9286等。

模擬密文攻擊場景要求在廣播通信節點處，將不同無線網卡的筆記本電腦設置為監聽模式，對密文進行截獲監聽。將本文方法生成的高強度主密鑰存儲于硬件安全模塊中，確保物理隔離。實驗通過密鑰派生函數（KeyDerivationFunction，KDF）將主密鑰轉化成會話密鑰，廣播方通過安全信道將會話密鑰分發給接收方。接收方驗證密鑰，確保密鑰完整性。廣播方使用會話密鑰對廣播內容進行加密，生成密文。對選取的初步穩定特征進行測試，測試在加入噪聲等干擾因素后，特征前后的相對變化幅度，來評估特征穩定性。

實驗通過測定服務器端密鑰的生成量以及密文解密成功率，來反映在密文攻擊下密鑰的廣播通信防泄露程度。為對比本文方法密文解密成功率引入“基于Savitzky-Golay濾波的物理層密鑰生成方法”和“多天線信道物理層特征加密密鑰方法”分別為方法1和方法2，測試3種方法密鑰解密成功率。

圖1實驗場景

表2實驗環境參數

2.2信道特征

加人噪聲或無線電干擾后，觀察特征穩定性，繪制出特征點波動曲線如圖2所示。

圖2特征波動曲線

由圖2可知，本文選取的特征在干擾下較為穩定。因為本文方法選取方差公式和魯棒性的量化公式對特征進行篩選，選擇了具有低方差、高魯棒性特點的特征。這一結果與實際情況相符，表明了本文方法的可行性。

2.3 初級密鑰

密鑰生成量能反映本文方法在一定時間生成共享密鑰的效率。本文方法在不同環境下經量化后的密鑰生成量如圖3所示。

圖3在不同干擾環境下密鑰生成量

由圖3可知，本文方法在不同環境下仍有較高密鑰生成量。本文方法將穩定特征進行分級，有限等級量化為初始二進制序列，并將初始二進制序列結合對應密鑰值輸入隨機硬件庫中。隨機生成的不重復初級密鑰量較高，且不易受環境影響。表明本文方法生成密鑰效率較高，且具有較高適用性。

2.4 防泄露密鑰

默認參數下的剩余比特結果如圖4所示。圖中blocklen代表塊長，epoch為協商算法執行的輪數，Lengthofkey代表密鑰的長度，Rank和Restbit分別代表二進制長度和剩余比特，后綴del則代表使用刪除疑似病態方程的策略，沒有后綴代表直接搜索初始密鑰的密鑰空間。

由圖4可知，本文方法低信息泄露比傳統level算法低，剩余比特更多，與原始信息泄露相似。運用量化后的二進制序列生成初始密鑰，經過非對稱加密泄露會更少，因此本文低信息泄露算法的安全性更好。

圖4默認參數下的剩余比特

3種方式的密文解密成功率對比如圖5所示。由圖5可知，在密文攻擊下，隨著時間變化本文解密成功率始終較低，這主要是因為本文方法利用私鑰和公鑰將明文與計算的初級密鑰結合，對初級量化后的初始密鑰進行哈希加密，降低了解密率。從對比結果來看，本文設計密文攻擊下廣播通信防泄露密鑰有效性較高，可以防止通信密文泄露

3結語

本文通過對通信通道特征的穩定性篩選，尋找方差較小以及魯棒性較強的穩定特征，再將穩定特征量化成初始二進制序列，結合對應密鑰值輸人隨機硬件庫中，輸出量化序列，得到不重復序列作為初始密鑰。將初始密鑰與明文混合后，經哈希函數加密，在密文攻擊下生成通信防泄露密鑰，安全性高，有一定應用價值。

圖53種方法密文解密率

參考文獻

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（編輯戴啟潤）

Research on the design method of anti-leakage key for broadcast communication under ciphertext attack

XIE Ting （Jiangxi Radio and Television Monitoring Center， Nanchang 33OO46，China）

Abstract：Inthe ciphertext attack scenario of broadcast communication，the keywill face problems of subset overlay leakage，making itdificult to filteroutstable features from thecommunication channeland resulting inlow securityof thegenerated key. Therefore，a key method forpreventing leakage in broadcast communicationunder ciphertext atacks is proposed.The variance and robustness formulasareused toscreen out the stable features from the communication channels.The stable featuresare gradedandquantifiedasthe initial binary sequence.The initial binary sequence，combined with the corrsponding keyvalues，is input into therandom hardware library toobtain the primary key.To prevent leakage，a hash function is used to re-encrypt and quantify，generatingan anti-leakage key for broadcast communication under ciphertext attacks.The experimental results show that this method selects stable characteristics of the communication channel，generates arelatively high amountof keys，has alow decryption success rate，and has high security，which can prevent the leakage of communication ciphertext.

Key words： ciphertext attack; broadcast communication; key design; leak prevention; key feature point