一種基于矢量量化的高效隨機(jī)物理層密鑰產(chǎn)生方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于矢量量化的高效隨機(jī)物理層密鑰產(chǎn)生方法。根據(jù)本發(fā)明，無線網(wǎng)絡(luò)通信甲乙雙方分別同時探測無線信道的RSS信息并傳輸給對方，無線網(wǎng)絡(luò)通信甲乙雙方同時采取不一致性去除、矢量量化和模糊提取步驟進(jìn)行操作，最終得到相同的比特流作為加密密鑰使用。本發(fā)明的比特生成率可以達(dá)到284%，可以為無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下通信雙方的認(rèn)證加密算法快速提供隨機(jī)的比特流作為加密密鑰；通信雙方可以達(dá)到零誤碼率，可以保證通信雙方可靠地生成完全一致的比特流作為加密密鑰，保證了本發(fā)明在運(yùn)用過程中的穩(wěn)定性；本發(fā)明產(chǎn)生的比特流可以通過NIST隨機(jī)性測試，可以產(chǎn)生隨機(jī)的比特流作為密鑰，保證了通信雙方的安全通信。
【專利說明】一種基于矢量量化的高效隨機(jī)物理層密鑰產(chǎn)生方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]該發(fā)明屬于無線網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域，涉及一種從物理層高效隨機(jī)地生成用于密碼算法的安全密鑰的方法以及相關(guān)裝置。一般來說，該發(fā)明可以滿足無線網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域?qū)Π踩荑€的產(chǎn)生速度和安全強(qiáng)度的要求。
【背景技術(shù)】
[0002]各種各樣的無線設(shè)備已經(jīng)成為我們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠?，通過這些設(shè)備我們可以進(jìn)行信息共享和數(shù)據(jù)交換。例如，一組游客需要通過點對點的連接來共享圖片、視頻等資源，同時又要防止別人來訪問這些資源。為了能安全地部署和采用這些應(yīng)用，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋Ｃ苄?、完整性以及認(rèn)證性就顯得尤為重要。
[0003]無線網(wǎng)絡(luò)的廣播特性使其面臨比有線網(wǎng)絡(luò)更大的安全問題，攻擊者可以更容易的竊聽或截取合法節(jié)點的通信內(nèi)容，無線設(shè)備可以被修改或被假冒以進(jìn)行一些惡意行為。
[0004]現(xiàn)有的無線加密體系在某些場景存在著許多不足之處，具體如下:
[0005](I)現(xiàn)有的802.11安全技術(shù)為數(shù)據(jù)幀提供了認(rèn)證和保密機(jī)制，但管理幀和控制幀不受保護(hù)。
[0006](2)現(xiàn)有安全系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)是數(shù)學(xué)上的困難問題(如大整數(shù)分解問題和離散對數(shù)計算問題)。隨著計算技術(shù)的發(fā)展，特別是量子計算機(jī)的出現(xiàn)，攻擊者的計算能力大幅提升，這些基于計算復(fù)雜性的密碼技術(shù)的安全性就會降低。
[0007](3)大多數(shù)的密碼技術(shù)，特別是公鑰密碼有較高的復(fù)雜性和計算要求，所以不適合應(yīng)用于低配的分布式無線網(wǎng)絡(luò)中。
[0008](4)傳統(tǒng)的基于共享密鑰的安全機(jī)制需要密鑰管理、分發(fā)、更新和維護(hù)，隨著節(jié)點個數(shù)的增加，所需密鑰個數(shù)呈指數(shù)級增加，密鑰分發(fā)和更新的工作量會非常大。而在Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點頻繁加入和離開網(wǎng)絡(luò)，這使得密鑰管理更加困難。
[0009]基于以上原因，引入物理層安全來增強(qiáng)無線網(wǎng)絡(luò)安全的方案受到了越來越多的關(guān)注。物理層密鑰是基于信息論安全的，它能夠降低密鑰分配和更新的難度，實現(xiàn)跨層安全，提高現(xiàn)有的密鑰體系的安全性。
[0010]從物理層產(chǎn)生密鑰的方案需要以物理層信道信息為基礎(chǔ)。這些信息包括到達(dá)角度、相位、接收信號強(qiáng)度(RSS)、信道脈沖響應(yīng)(CIR)、信號包絡(luò)和電平交叉點等。其中，接收信號強(qiáng)度(RSS)是生成密鑰的常用方法，這是因為RSS可以由現(xiàn)有的網(wǎng)卡直接獲取。
[0011]一般來說，衡量物理層密鑰產(chǎn)生方法優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)包括以下三種:
[0012](I)比特生成率:單個RSS最終生成的密鑰比特數(shù)；
[0013](2)密鑰誤碼率:通信雙方生成密鑰中不匹配密鑰的位數(shù)與密鑰總長度的比值；
[0014](3)密鑰隨機(jī)性:生成密鑰的二進(jìn)制流中O和I分布的均勻程度。
[0015]當(dāng)前，無線網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域存在的物理層密鑰產(chǎn)生方法都存在相同的問題，即這些方法都不能同時滿足高比特生成率、低誤碼率、高隨機(jī)性的要求。它們大都犧牲比特生成率以降低誤碼率，而低效率的密鑰生成方法導(dǎo)致節(jié)點需要消耗大量能量來反復(fù)探測信道以產(chǎn)生足夠長度的密鑰。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]鑒于現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明旨在提供一種基于矢量量化的高效隨機(jī)物理層密鑰產(chǎn)生方法，快速地產(chǎn)生隨機(jī)的比特流為無線環(huán)境下通信雙方加密和認(rèn)證提供可靠的密鑰。
[0017]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0018]一種基于矢量量化的高效隨機(jī)物理層密鑰產(chǎn)生方法，無線網(wǎng)絡(luò)通信甲乙雙方分別同時探測無線信道的RSS信息并傳輸給對方，無線網(wǎng)絡(luò)通信甲乙雙方同時采取不一致性去除、矢量量化和模糊提取步驟進(jìn)行操作，最終得到相同的比特流作為加密密鑰使用。
[0019]所述方法包括如下步驟:
[0020]步驟1、不一致性去除:去除由于傳輸信道半雙工或周圍噪聲引起的不一致信道信息；
[0021]步驟2、矢量量化:將RSS根據(jù)平均線劃分成兩個區(qū)間，最終把不連續(xù)的RSS值轉(zhuǎn)化為O、I比特流；
[0022]步驟3、模糊提取:無線網(wǎng)絡(luò)通信雙方利用模糊提取器對生成比特流中不一致的位進(jìn)行糾錯并輸出相同的比特流作為加密密鑰。
[0023]進(jìn)一步，不一致性去除階段(步驟I)包括如下步驟:
[0024]步驟1.1、輸入:收集到的RSS數(shù)組X = (X1, X2,…，xk}, Xi e Z ;
[0025]步驟1.2、分塊:對RSS值進(jìn)行分塊，將塊稱為block，k個RSS值將分屬于不同的block中,令每個block的長度為b,假設(shè)共有t個block ；
[0026]步驟1.3、用標(biāo)簽函數(shù)R(Xi)對RSS值進(jìn)行量化，將沒有被量化的RSS值拋棄；
[0027]步驟1.4、定義m為矯正因子，無線網(wǎng)絡(luò)通信甲方根據(jù)標(biāo)簽函數(shù)生成0、1序列，遇到連續(xù)m位相同的O或I,則將中間位的序號記錄在]^^數(shù)組中，生成!^?！?^= (I1, I2,…，IJ ,并發(fā)送給無線網(wǎng)絡(luò)通信乙方；
[0028]步驟1.5、無線網(wǎng)絡(luò)通信乙方根據(jù)標(biāo)簽函數(shù)生成0、1序列，遇到連續(xù)m位相同的O或1，則將中間位的序號記錄在Lbtoa數(shù)組中，并與La ttj b數(shù)組進(jìn)行對比，剔除不一致的序號，生成新的Lb t。a數(shù)組并發(fā)送給無線網(wǎng)絡(luò)通信甲方。
[0029]需要說明的是，所述標(biāo)簽函數(shù)R(Xi)為:
[0030]
【權(quán)利要求】
1.一種基于矢量量化的高效隨機(jī)物理層密鑰產(chǎn)生方法，其特征在于:無線網(wǎng)絡(luò)通信甲乙雙方分別同時探測無線信道的RSS信息并傳輸給對方，無線網(wǎng)絡(luò)通信甲乙雙方同時采取不一致性去除、矢量量化和模糊提取步驟進(jìn)行操作，最終得到相同的比特流作為加密密鑰使用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于矢量量化的高效隨機(jī)物理層密鑰產(chǎn)生方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟: 步驟1、不一致性去除:去除由于傳輸信道半雙工或周圍噪聲引起的不一致信道信息；步驟2、矢量量化:將RSS值根據(jù)平均線劃分成兩個區(qū)間，最終把不連續(xù)的RSS值轉(zhuǎn)化為O、I比特流； 步驟3、模糊提取:無線網(wǎng)絡(luò)通信雙方利用模糊提取器對生成比特流中不一致的位進(jìn)行糾錯并輸出相同的比特流作為加密密鑰。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于矢量量化的高效隨機(jī)物理層密鑰產(chǎn)生方法，其特征在于，所述步驟I包括如下步驟: 步驟1.1、輸入:收集到的RSS數(shù)組X = (X1, X2,…，xk}, Xi e Z ； 步驟1.2、分塊:對RSS值進(jìn)行分塊，將塊稱為block，k個RSS值將分屬于不同的block中，令每個block的長度為b,,假設(shè)共有t個block ； 步驟1.3、用標(biāo)簽函數(shù)R(Xi)對RSS值進(jìn)行量化，將沒有被量化的RSS值拋棄； 步驟1.4、定義m為矯正因子，無線網(wǎng)絡(luò)通信甲方根據(jù)標(biāo)簽函數(shù)生成0、1序列，遇到連續(xù)m位相同的O或1，則將中間位的序號記錄在La t。b數(shù)組中，生成La t。b = (I1, I2,…，IJ，并發(fā)送給無線網(wǎng)絡(luò)通信乙方； 步驟1.5、無線網(wǎng)絡(luò)通信乙方根據(jù)標(biāo)簽函數(shù)生成0、1序列，遇到連續(xù)m位相同的O或1，則將中間位的序號記錄在Lb t。a數(shù)組中，并與La t。b數(shù)組進(jìn)行對比剔除不一致的序號，生成新的U?數(shù)組并發(fā)送給無線網(wǎng)絡(luò)通信甲方。 所述步驟1.3中的標(biāo)簽函數(shù)R(Xi)為:
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于矢量量化的高效隨機(jī)物理層密鑰產(chǎn)生方法，其特征在于，所述步驟2包括如下步驟: 步驟2.1、輸入經(jīng)過不一致性去除后的有效RSS數(shù)組Y和要進(jìn)行矢量量化的維數(shù)N ； 步驟2.2、對于數(shù)組Y中的每個都建立N維矢量； 步驟2.3、對每個都應(yīng)用N維矢量量化器Qn(yi)，將量化后產(chǎn)生的O、I比特流作為輸出。 所述步驟2.1中的RSS數(shù)組Y為:Y = {yi, y2,…，yd}, Yi e Z, Y數(shù)組中的RSS值為Lbt。a數(shù)組中每個序號所對應(yīng)的RSS值。 所述步驟2.2中為yi建立的N維矢量為:
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于矢量量化的高效隨機(jī)物理層密鑰產(chǎn)生方法，其特征在于，所述步驟3中的模糊提取器可以定義為:〈Gen，Itep>，參數(shù)為(M，1，t)，其中，過程Gen為概率生成過程，過程Rep為確定性恢復(fù)過程，M為輸入比特流集合，I為輸入比特流長度，t為無線網(wǎng)絡(luò)通信甲方和無線網(wǎng)絡(luò)通信乙方輸入的消息之間的最大距離限制。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于矢量量化的高效隨機(jī)物理層密鑰產(chǎn)生方法，其特征在于，所述過程Gen首先由無線網(wǎng)絡(luò)通信甲方進(jìn)行操作，然后將輸出的參數(shù)傳遞給無線網(wǎng)絡(luò)通信乙方，無線網(wǎng)絡(luò)通信乙方再按照過程R印操作，無線網(wǎng)絡(luò)通信甲方和無線網(wǎng)絡(luò)通信乙方產(chǎn)生完全一致的隨機(jī)秘密信息R作為加密密鑰。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于矢量量化的高效隨機(jī)物理層密鑰產(chǎn)生方法，其特征在于，所述過程Gen為:(R，P) — Gen (Wtl)，其中，輸入?yún)?shù)W(l為長度為I的比特流，輸出參數(shù)R為長度為I的隨機(jī)秘密信息，輸出參數(shù)P為公開信息。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于矢量量化的高效隨機(jī)物理層密鑰產(chǎn)生方法，其特征在于，所述過程R印為:R — Rep (?’，P)，其中，輸入?yún)?shù)w’為長度為I且與W0的距離不大于t的比特流，輸入?yún)?shù)P為Gen過程生成的用于糾錯的公開信息，輸出參數(shù)R為長度為I的與Gen過程相同的隨機(jī)秘密信息。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于矢量量化的高效隨機(jī)物理層密鑰產(chǎn)生方法，其特征在于，所述過程Gen可以優(yōu)先采用如下方法實現(xiàn)但不局限于如下方法:利用BCH糾錯碼對Wtl就行糾錯，產(chǎn)生的糾錯碼作為P，利用SHA-1算法對Wtl進(jìn)行哈希處理，哈希的輸入與輸出長度比為1:1，生成隨機(jī)性強(qiáng)的密鑰作為R。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種基于矢量量化的高效隨機(jī)物理層密鑰產(chǎn)生方法，其特征在于，所述過程Rep可以優(yōu)先采用如下方法實現(xiàn)但不局限于如下方法:利用BCH糾錯碼和Gen過程中產(chǎn)生的糾錯序列P對w’進(jìn)行糾錯，恢復(fù)出W0序列，利用SHA-1算法對W0進(jìn)行哈希處理，哈希的輸入與輸出長度比為1: 1，生成隨機(jī)性強(qiáng)的密鑰作為R。
【文檔編號】H04L9/08GK103825725SQ201410066595
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年2月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月26日
【發(fā)明者】李興華, 楊丹, 李鑫, 姚青松, 馬建峰, 毛立強(qiáng), 高勝, 姜奇 申請人:西安電子科技大學(xué)