密钥协商的高效信息优先提取方案研究

摘要

近年来，由于无线通信技术的大规模使用，无线通信的安全性越来越受到重视。众所周知，传统方式的保密是基于现代密码学理论，采用密钥和加密算法对信息进行加密，但加密算法会随着计算机计算能力的增加而逐渐失效，密钥也有泄露的风险，这些都是传统保密的症结所在。然而与传统方式的保密相比，物理层信息安全技术依赖的是信道的噪声、衰落等物理层的固有属性，并以此来实现物理层保密通信，使物理层安全技术具有更高的可靠性。本文针对窃听信道提出新的系统模型，并结合信息理论研究密钥协商的保密信息优先提取方案。 本文的研究对象为改进后的双向窃听信道上的密钥协商的保密信息优先提取。通过对Wyner双向窃听信道模型进行研究可知，在Wyner所提出的窃听信道系统模型中假设是存在窃听者的，那么在发射方从合法信道向接收方传输信息的同时，非法窃听者可以通过窃听信道进行窃听。在窃听信道的信道质量比主信道的信道质量更差的情况下，就可以实现保密容量，从而合法接受方可以在不需要公共密钥的形式接收保密信息。实际上，合法主信道的信道质量并非一定会比非法窃听信道的信道质量更好，并且在传输的过程中，合法通信双方的其中一方被限定为发送者，另一方被限定为接收者，得到的传输率相对较低。 为了解决上述问题，本文对物理层安全的研究现状和意义以及物理层的保密通信进行深入研究，提出了密钥协商的高效信息优先提取方案。该方案基于双向窃听信道，对密钥协商的优先提取阶段进行分析，并定义传输率为原始密钥比特数量与发送的总比特数量之比。本文使用改进后的窃听信道作为高效密钥协商的保密信息优先提取系统模型，在改进后的模型上将单轮信息传输扩展到多轮的密钥协商，随着合法通信双方的互相传输信息次数的增多且当传输次数足够多时，密钥传输率接近于1。首先是在改进后的模型上对基于BSC信道的高效密钥协商方案进行分析，并计算了性能参数BER，主信道、窃听信道的信道容量以及保密容量。然后对基于AWGN信道的高效密钥协商方案分析了其信道容量和保密容量。最后将双向窃听信道系统模型下的密钥传输率和改进后的模型在不同信道下的密钥传输率的对比分析可知，改进后模型的密钥传输率更高，所以本文中改进的窃听信道下的密钥协商也将会更加高效。

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ABSTRACT

图目录

主要符号对照表

绪论

引言

1.2 物理层安全的背景及意义

1.3 物理层安全技术的研究现状

1.4 本文主要内容

1.5 论文结构

第2章 物理层保密通信

2.1 经典密码体制

2.2 物理层保密通信模型

2.3 物理层密钥分发技术

2.3.1 信息优先提取

2.3.2 信息协商

2.3.3 保密增强

2.4 物理层密钥分发方式

2.5 本章小结

双向保密通信

3.1 双向窃听信道

3.2 密钥协商协议

3.3 密钥协商的密钥传输率

3.4 密钥协商的保密容量

3.5 性能分析与仿真

3.6 本章小结

BSC信道下的高效密钥协商

4.1 高效密钥协商协议

4.1.1 基于BSC信道的高效密钥协商方案

4.1.2 优先提取

4.1.3 多轮密钥协商

4.2 基于BSC信道高效密钥协商的密钥传输率

4.3 基于BSC信道高效密钥协商的保密容量

4.4 安全性能分析与仿真

4.5 本章小结

第5章 AWGN信道下的高效密钥协商

5.1 AWGN信道下的高效密钥协商方案

5.1.1 基于AWGN信道的高效密钥协商方案

5.1.2 优先提取

5.1.3 多轮密钥协商

5.2 基于AWGN信道高效密钥协商的密钥传输率

5.3 基于AWGN信道高效密钥协商的保密容量

5.4 安全性能分析与仿真

5.5 本章小结

第6章 结束语

6.1 本文工作总结

6.2 进一步研究工作的思考

参考文献

攻读硕士学位期间的学术成果

致谢