無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)安全傳輸技術(shù)研究

徐新林， 鄧 異

（1 中國人民解放軍91977 部隊(duì)， 北京 100161； 2 中國人民解放軍 91640 部隊(duì)， 廣東 湛江 524064）

0 引 言

在軍事通信中，數(shù)據(jù)的安全傳輸是保障通信安全的關(guān)鍵，艦載通信是通過無線自組網(wǎng)和衛(wèi)星通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，通過建立無線自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，結(jié)合艦載通信節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化部署設(shè)計(jì)，根據(jù)通信信道編碼和均衡控制，實(shí)現(xiàn)對無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)安全傳輸，在無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)傳輸中，受到敵方網(wǎng)絡(luò)攻擊以及病毒入侵等因素的影響，會導(dǎo)致無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)泄漏，輸出安全性不好，需要研究優(yōu)化的數(shù)據(jù)加密算法，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕_保艦載通信安全［1］。

對無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)傳輸是建立在對通信加密數(shù)據(jù)的編碼和密鑰控制基礎(chǔ)上，采用非線性特征加密方法，進(jìn)行無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)傳輸控制［2］。 傳統(tǒng)方法中，對無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)傳輸方法主要有BPSK 調(diào)制方法、混沌加密算法、同態(tài)映射加密算法等［3-4］，構(gòu)建無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)男诺滥Ｐ停Y(jié)合算術(shù)編碼設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，但傳統(tǒng)方法對無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)加密傳輸中存在存儲開銷較大和實(shí)時性不好等問題。 對此，本文提出基于混沌稀疏加密的無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)安全傳輸技術(shù)。 首先建立無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)區(qū)塊鏈分布結(jié)構(gòu)模型，通過稀疏化的密鑰表征方法，實(shí)現(xiàn)對無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)的碼元頻次檢測和數(shù)據(jù)重排，然后設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)加密和解密協(xié)議，實(shí)現(xiàn)無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)的安全傳輸。 最后進(jìn)行仿真測試，展示了本文方法在提高無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)安全傳輸能力方面的優(yōu)越性能。

1 無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)模型

1．1 無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)信道模型

為了實(shí)現(xiàn)無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)安全傳輸，首先構(gòu)建無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩鄰椒中诺滥Ｐ停o線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)區(qū)塊鏈分布結(jié)構(gòu)模型，采用算術(shù)編碼和信道均衡方法，分析無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)的信道輸出載波序列［5］，在噪聲干擾背景下，采用向量量化編碼方法進(jìn)行無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)的編碼設(shè)計(jì)和同態(tài)加密，得到無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)輸出的倒譜特征值中含有k個特征的子集s，假設(shè)rcf為無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)信道均衡控制的相關(guān)性統(tǒng)計(jì)特征量，rff是多路正交子信道之間的相關(guān)度，定義陣列方向圖主瓣指向約束特征值，采用分段線性混沌加密方法，進(jìn)行無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)同態(tài)加密控制，得到編碼鏈路分布集為（i，j），在區(qū)塊鏈混合加密的條件下，構(gòu)建無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)模型［6］，如圖1所示。

圖1 無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)Fig． 1 Data transmission structure of wireless ad hoc network carrier communication

根據(jù)圖1 的無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)模型，結(jié)合無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)的分組特征映射［7］，得 到 采 樣 頻 率 參 數(shù) 為rij， 在 可 達(dá) 速 率 域Co（r） 下，構(gòu)建無線自組網(wǎng)艦載通信傳輸寬帶真延時能量方向圖。 第n個陣元接收到的無線自組網(wǎng)艦載信號的移位數(shù)KC∈｛0，1，…，n -1｝， 最少比特?cái)?shù)為「log2（n）位，計(jì)算無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)加密鏈路層密鑰分配特征量rkij， 得到法向特征量為KS∈｛0，1｝。 在信道傳輸均衡分布模態(tài)下，得到第k次循環(huán)的無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)的信道模型參數(shù)為Si＝｛（j，i，k）｝，在3 維空間散射分布簇中，滿足。 基于散射簇可視區(qū)域的建模方，設(shè)無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)募s束參數(shù)為param＝｛G1，G2，e，g，g2，g3，h，H1，H2｝，結(jié)合分段線性混沌映射方法［8］，得到無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)編碼的編碼和解碼結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

圖2 無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)編碼的編碼和解碼結(jié)構(gòu)框圖Fig． 2 Block diagram of coding and decoding structure of carrier communication data coding of wireless ad hoc network

1．2 數(shù)據(jù)區(qū)塊鏈分布結(jié)構(gòu)及算術(shù)編碼

采用算術(shù)編碼和數(shù)據(jù)隱寫技術(shù)實(shí)現(xiàn)對無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)的量化編碼和特征重組，采用加密重傳，無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)加密的碼元數(shù)據(jù)點(diǎn)的比特率:總線傳輸數(shù)據(jù)參數(shù)為。 通過數(shù)據(jù)區(qū)塊鏈分組，得到隨機(jī)線性分布加密的密文傳輸協(xié)議Encrypt（pk，mi，j∈｛0，1｝μ×μ）1≤i，j≤μ產(chǎn)生的密文為c，碼元頻數(shù)檢測輸出特征量為，采用向量量化編碼得到加密數(shù)據(jù)的碼字為cmodpi，j ＝C?（c1modpi，j， …，ctmodpi，j），引入?yún)^(qū)塊鏈混合加密技術(shù)，采用分塊重傳技術(shù)，得到數(shù)據(jù)編碼結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)編碼結(jié)構(gòu)Fig． 3 Encoding structure of carrier communication data of wireless ad hoc network

研究采用算術(shù)編碼和量化特征解析的方法進(jìn)行無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)區(qū)塊鏈調(diào)度，根據(jù)隨機(jī)線性組合技術(shù)得到無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)的散射簇序列X ＝x1，x2，…，xn， 通過共線特征分析方法，得到全局最優(yōu)的重傳密鑰表示為·RkeyGen（param，rskIDi，IDi，IDj），自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)編碼的結(jié)合非線性均衡輸出匹配集Sn ＝x1＋x2＋…＋xn，無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)對此加密區(qū)間的對數(shù)函數(shù)為:

其中，Ii＋1為譜分量；f（x） 為加密輸出的目標(biāo)函數(shù)，x＝（x1，x2，…，xn） 表示加密密文輸出的n維消息向量。 基于q次循環(huán)，采用xi＝2εi- 1 混沌變換，得到混沌加密的映射模型參數(shù)為采用圖4 的數(shù)據(jù)加密重傳機(jī)制［9］，建立無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)重組模型。

圖4 無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)加密重傳結(jié)構(gòu)Fig． 4 The encrypted retransmission structure of carrier communication data of wireless ad hoc network

根據(jù)圖4 的無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)加密重傳結(jié)構(gòu)組合控制模型，構(gòu)建數(shù)據(jù)區(qū)塊鏈分布結(jié)構(gòu)及算術(shù)編碼方案。

2 通信加密算法

2．1 密鑰設(shè)計(jì)

無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)加密的碼書H1:。 采用多個字符序列進(jìn)行編碼設(shè)計(jì)，得到無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)加密的輸出特征量rkij， 無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)輸出的特征解為:

其中，

以β1β2…βn作為無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)的分段加密的種子密鑰，無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)的混沌加密碼書為:s＝｛si，i＝1…M ｜si∈S｝，設(shè)置無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)編碼的算術(shù)加密的循環(huán)位移密鑰參數(shù)［10］，對無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)進(jìn)行比特位定位，得到密鑰擴(kuò)展引導(dǎo)矩陣為:

在統(tǒng)計(jì)區(qū)間Ii內(nèi)得到無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)加密的累積概率特征分布校驗(yàn)矩陣為:

不難驗(yàn)證，V*UT＝0，由此設(shè)計(jì)無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)加密的混沌密鑰，根據(jù)密鑰表征實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)編碼重組［11］。

2．2 加密解密算法設(shè)計(jì)

通過稀疏化的密鑰表征方法，實(shí)現(xiàn)對無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)的碼元頻次檢測和數(shù)據(jù)重排，根據(jù)數(shù)據(jù)加密稀疏性表達(dá)方法，建立無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)膭討B(tài)檢測因子分析模型，采用f（x） 的反函數(shù)進(jìn)行無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)的線性組合控制［12］，得到特征映射值，邊緣分布的耦合向量b＝（bi，j）0≤i，j≤β∈（-2α，2α）β×β和（-2α′， 2α′）μ×μ滿足:

根據(jù)Logistics 混沌編碼方案，分析累積概率區(qū)間分布的序列s＝｛si，i＝1…M ｜si∈S｝，得無線自組網(wǎng)艦載通信的多信道傳輸特征序列s＝｛si，i＝1…M ｜si∈S｝，密鑰參數(shù)為:

其中，Sn∈S，n＝1，…，N。 令ck＝Encrypt（pk，mk［i，j］）1≤i，j≤μ，1≤k≤t，計(jì)算無線自組網(wǎng)艦載通信各通道間傳輸比特序列塊，通過密鑰填充，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)加密和加密，輸出模型描述如下。

輸出無線自組網(wǎng)艦載通信的轉(zhuǎn)換密鑰:LSB（qp（z））， 動 態(tài) 特 征 值qp（z） 的 奇 偶 位parity（qp（z））。

1:c＝

2:Forj＝1

3: 調(diào)用無線自組網(wǎng)艦載通信傳輸?shù)慕M合控制列表A，得到混沌密鑰偽造攻擊碼元GCDc，對應(yīng)的無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)加密的明文序列參數(shù)為aj←A（pk，c）

4:bj ＝aj⊕parity（z）

5:通過無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)加密的密鑰詢問，輸出的密鑰偽造特征量為bj，對任意t個無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)的編碼序列，實(shí)現(xiàn)無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)安全傳輸，實(shí)現(xiàn)流程如圖5 所示。

圖5 無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)安全傳輸實(shí)現(xiàn)流程Fig． 5 Implementation process of carrier－borne communication data transmission of wireless ad hoc network

3 仿真測試

為了驗(yàn)證本文方法在實(shí)現(xiàn)無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)加密和安全傳輸?shù)男阅埽捎肕atlab 進(jìn)行仿真測試，給出數(shù)據(jù)加密的混沌映射分布特征參數(shù)為σ＝10，b＝8／3，r＝28，通信數(shù)據(jù)的分塊大小為120×240，數(shù)據(jù)傳輸?shù)男诺缼挒?6 Kbps，攻擊強(qiáng)度則為-24 dB，混沌加密的參數(shù)見表1。

根據(jù)表1 參數(shù)設(shè)置，給出無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)的時域波形如圖6 所示。

表1 混沌加密參數(shù)Tab． 1 Chaotic encryption parameter

以圖6 的數(shù)據(jù)為測試對象，在不同的初始值約束條件下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)加密傳輸，得到加密輸出如圖7所示。

圖6 無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)的時域波形Fig． 6 Time domain waveform of carrier communication data of wireless ad hoc network

分析圖7 得知，由于混沌密鑰對初始值的敏感性，使得無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)密鑰認(rèn)證和加密輸出具有很好的保密性能，測試不同方法對數(shù)據(jù)加密的隱寫度水平，得到對比結(jié)果如圖8 所示。 分析圖8 得知，本文方法進(jìn)行無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)加密，降低了數(shù)據(jù)被攻擊的風(fēng)險(xiǎn)，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹脕y性和加密隱寫度水平。

圖7 數(shù)據(jù)加密輸出Fig． 7 Data encryption output

圖8 數(shù)據(jù)加密隱寫度水平對比測試Fig． 8 Data encryption level comparison test

4 結(jié)束語

本文提出基于混沌稀疏加密的無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)安全傳輸技術(shù)，采用向量量化編碼方法進(jìn)行無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)的編碼設(shè)計(jì)和同態(tài)加密，采用算術(shù)編碼和量化特征解析的方法進(jìn)行無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)區(qū)塊鏈調(diào)度，根據(jù)隨機(jī)線性組合技術(shù)得到無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)的散射簇。

采用多個字符序列進(jìn)行編碼設(shè)計(jì)，得到無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)加密的輸出特征量，設(shè)置無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)編碼的算術(shù)加密的循環(huán)位移密鑰參數(shù)，通過稀疏化的密鑰表征方法，實(shí)現(xiàn)對無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)的碼元頻次檢測和數(shù)據(jù)重排，根據(jù)數(shù)據(jù)加密結(jié)果實(shí)現(xiàn)艦載通信數(shù)據(jù)的安全傳輸。 研究得知，本文方法對無線自組網(wǎng)艦載通信數(shù)據(jù)加密性能較好，提高了數(shù)據(jù)的安全傳輸能力。