[發(fā)明專利]一種基于AES加密的噴泉編碼無線數(shù)據(jù)安全傳輸方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910202813.1
• 申請日: 2019-03-18
• 公開（公告）號: CN109819438B
• 公開（公告）日: 2021-10-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊志良;盧繼華;李凱;馮立輝;郭齊治;董運(yùn)豪
• 申請（專利權(quán)）人: 中北大學(xué);北京理工大學(xué)
• 主分類號: H04W12/02
• 分類號: H04W12/02;H04L9/06;H04L1/00
• 代理公司: 北京正陽理工知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11639
• 代理人: 唐華

1.一種基于AES加密的噴泉編碼無線數(shù)據(jù)安全傳輸方法，其特征在于：依托的系統(tǒng)包括發(fā)送端、信道和接收端；

其中，發(fā)送端包括初始化模塊、AES加密器和噴泉編碼分發(fā)器；信道是無線廣播信道；接收端包括合法接收端和竊聽端；其中，合法接收端包括噴泉譯碼組合器、AES解密器和信息恢復(fù)器；竊聽端包括信息恢復(fù)器；

所述無線數(shù)據(jù)安全傳輸方法，包括以下步驟：

步驟1、初始化模塊生成待加密數(shù)據(jù)，初始化AES加密參數(shù)以及噴泉編碼參數(shù)，并對待加密數(shù)據(jù)進(jìn)行分組；

步驟1可分為以下子步驟：

步驟1.1、生成待加密數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制數(shù)據(jù)；

步驟1.2、AES參數(shù)初始化；

其中，AES加密參數(shù)包括待加密分組數(shù)據(jù)、AES加密初始向量及密鑰Key；待加密分組數(shù)據(jù)為步驟1.1生成的待加密數(shù)據(jù)按照長度為M進(jìn)行分組，最后一組數(shù)據(jù)若不足長度M，則在數(shù)據(jù)后端補(bǔ)零湊夠長度M；AES加密初始向量隨機(jī)生成，長度為M，記為S₀；密鑰Key的長度記為N_s；

步驟1.3、初始化噴泉碼參數(shù)；

其中，噴泉碼參數(shù)包括噴泉編碼長度K與編碼冗余度R；

其中，K大于M，且能被M整除，定義L＝K/M；

將步驟1.2中初始化的加密分組數(shù)據(jù)中L組數(shù)據(jù)設(shè)定為1包，包括L組長度為M的待加密數(shù)據(jù)，記為P；最后一包加密分組數(shù)據(jù)不夠L組，則在數(shù)據(jù)后補(bǔ)零，湊夠L組數(shù)據(jù)；

其中，P中的第i組數(shù)據(jù)用P_i表示，1≤i≤L；

步驟2、發(fā)送端AES加密器對加密分組數(shù)據(jù)進(jìn)行AES加密，生成加密后的數(shù)據(jù)，具體包括如下子步驟：

步驟2.1、初始化i＝1以及AES加密初始向量S₀；

步驟2.2、將AES加密初始向量與密鑰Key進(jìn)行單輪AES加密運(yùn)算，輸出第i次加密數(shù)據(jù)S_i；

步驟2.3、將步驟2.2輸出的第i次加密數(shù)據(jù)S_i與步驟1.3生成的P中的第i組數(shù)據(jù)P_i異或，得到第i組加密后的數(shù)據(jù)C_i；

步驟2.3、判斷i是否等于L，若是，則表明加密次數(shù)已達(dá)到L，匯總L次第i組加密后的數(shù)據(jù)C_i生成AES加密后的數(shù)據(jù)C，跳至步驟2.4；若否，則將步驟2.2輸出的第i次加密數(shù)據(jù)S_i作為AES加密初始向量，i＝i+1，跳至步驟2.2；

步驟2.4、將L組加密后的數(shù)據(jù)C_i打包，組成K比特噴泉碼編碼數(shù)據(jù)；

其中，噴泉碼編碼數(shù)據(jù)用X表示，X中的元素記為x_k，其中1≤k≤K；

其中，i的取值范圍為1≤i≤L；

步驟3：噴泉編碼分發(fā)器生成噴泉編碼魯棒孤子分布，具體可分為以下子步驟：

步驟3.1、設(shè)定噴泉編碼參數(shù)c與編碼失敗概率δ；

步驟3.2、計(jì)算輸出符號節(jié)點(diǎn)度為1的平均值，具體通過公式(1)計(jì)算：

其中，S為輸出符號節(jié)點(diǎn)度為1的平均值，K為噴泉碼編碼長度；

步驟3.3、計(jì)算理想情況下的輸出符號節(jié)點(diǎn)度分布-Soliton分布，如公式(2)；

ρ(1)＝1/K

ρ(d)＝1/d(d-1),d＝2,3,…,K (2)

其中，ρ為Soliton度分布值，d為輸入符號的度值，取值范圍為1≤d≤K；

步驟3.4、計(jì)算解碼失敗概率的上界值，如公式(3)；

其中，τ(d)為第d個符號值的解碼失敗概率上界值；

步驟3.5、利用步驟3.3與步驟3.4結(jié)果計(jì)算成功解碼度量值Z，如公式(4)；

步驟3.6、利用步驟3.4與步驟3.5結(jié)果計(jì)算生成魯棒孤子Robust-Soliton分布ρ_a(d)，如公式(5)：

步驟4、噴泉編碼分發(fā)器將步驟2輸出的K比特加密信息基于步驟3生成的魯棒孤子分布進(jìn)行噴泉編碼，輸出K(1+R)比特編碼信息，具體為：

步驟4.1、根據(jù)步驟3生成的Robust-Soliton分布ρ_a(d)隨機(jī)選取一個度d；

步驟4.2、從步驟2輸出的K比特加密信息中利用均勻分布選取d個比特；

步驟4.3、將步驟4.2選取的d個比特做異或運(yùn)算，得到1個輸出比特；

步驟4.4、重復(fù)步驟4.1-步驟4.3，重復(fù)K(1+R)-1次，完成噴泉編碼，輸出K(1+R)比特編碼信息；

步驟5、將經(jīng)步驟4噴泉編碼后的編碼信息分發(fā)送入無線廣播信道；

步驟6、合法接收端的噴泉譯碼組合器接收足夠的數(shù)據(jù)后，進(jìn)行噴泉碼譯碼，輸出噴泉譯碼后的K個比特；

其中，噴泉譯碼后的K個比特，即為x_k,1≤k≤K；

步驟6，具體包括如下子步驟：

步驟6.1、合法接收端接收N比特信息，記為Y；

其中，N＝(1+R)K；Y中的元素y_n，1≤n≤N；

步驟6.2、將y_n作為校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)，輸入比特x_k作為輸入，建立連接圖；

步驟6.3、尋找一個只與一個輸入x_k相連接的檢驗(yàn)節(jié)點(diǎn)，若能找到，令x_k＝y(tǒng)_n，同時(shí)對所有與x_k相連接的校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行如下賦值運(yùn)算：

其中，y_n'是任意一個與x_k相連接的校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)，表示將它左邊的運(yùn)算結(jié)果賦值給右邊的變量；最后在連接圖中刪除與x_k相連接的所有的邊；若找不到一個只與一個輸入x_k相連接的檢驗(yàn)節(jié)點(diǎn)，表明解碼失敗，跳至步驟6.1；

步驟6.4、重復(fù)步驟6.2到步驟6.3直到所有的x_k,1≤k≤K被確定，解碼成功；

步驟7、合法接收端AES解密器將步驟6輸出的x_k,1≤k≤K進(jìn)行L次AES解密，生成AES解密后的數(shù)據(jù)P′；

步驟7，具體為：

步驟7.1、將步驟6輸出的K比特信息按順序分成L組，每組M比特，用C_i′表示，1≤i≤L；

其中，C_i′表示第i組待解密數(shù)據(jù)；

步驟7.2、初始化i＝1，將步驟1.2生成的AES加密初始向量S₀初始化為AES解密器的AES初始化向量S₀'；

步驟7.3、將向量S_i-1'與密鑰Key在AES解密器中進(jìn)行AES單輪解密，得到M位數(shù)據(jù)S_i′；

步驟7.4、將步驟7.3輸出的M位數(shù)據(jù)S_i′與M位輸入的C_i′異或得到解密信息P_i′；

步驟7.5、判斷i是否等于L，若是，則表明解密次數(shù)已達(dá)到L，匯總L次解密后的數(shù)據(jù)P_i′生成AES解密后的數(shù)據(jù)P′，跳至步驟8；若否，i＝i+1，跳至步驟7.3；

步驟8、合法接收端的信息恢復(fù)器按位比較解密數(shù)據(jù)P′與發(fā)送數(shù)據(jù)P，統(tǒng)計(jì)P′與P相同與不同的位數(shù)，計(jì)算合法接收端的誤比特率；

步驟9、竊聽端在信道中的某一節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)信息，且使得竊聽端接收到的數(shù)據(jù)以極大的概率小于噴泉碼的譯碼門限，輔以AES加密算法，計(jì)算竊聽端的誤比特率；

其中，竊聽端接收到的數(shù)據(jù)以極大的概率小于噴泉碼的譯碼門限的原因是：竊聽端在信道中的某一節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)信息，致使竊聽端接收的數(shù)據(jù)不足以恢復(fù)原始信息，再輔以AES加密算法，導(dǎo)致竊聽端無法正確恢復(fù)信息。