GSM-R作為高速鐵路客運(yùn)專線車載設(shè)備與地面設(shè)備通信的重要傳輸通道，承載著安全數(shù)據(jù)及非安全數(shù)據(jù)的傳輸。然而對于GSM-R網(wǎng)絡(luò)來說，由于其頻率的公開性，很難防范一些巧合或者是惡意
的信息登錄該網(wǎng)絡(luò)，并以此來控制列車，甚至引起重大的行車事故。因此，采用合適的加密技術(shù)對保證列車通信網(wǎng)絡(luò)的安全是非常必要的。

CTCS-3級列控系統(tǒng)采用在無線信息傳輸中加入了KMC（密鑰管理中心），在網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)陌l(fā)信端和收信端分別進(jìn)行加密與解密處理的方式，來保證列車運(yùn)行安全信息的可靠傳輸。

一、密鑰原理

密鑰是一種參數(shù)，它是在明文（原始信息）轉(zhuǎn)換為密文或密文轉(zhuǎn)換為明文的算法中輸入的數(shù)據(jù)。密鑰分為2種：對稱密鑰和非對稱密鑰。

對稱密鑰加密，又稱私鑰加密，即信息的發(fā)送方和接收方用—個密鑰去加密和解密數(shù)據(jù)。它的最大優(yōu)勢是加密解密速度快，適合于對大數(shù)據(jù)量進(jìn)行加密，但密鑰管理困難。

非對稱密鑰加密，又稱公鑰密鑰加密。它需要使用—對密鑰來分別完成加密和解密操作。一個公開發(fā)布，即公開密鑰，另一個由用戶自己秘密保存，即私用密鑰。

由此可知，傳遞密鑰比較安全的做法是采用非對稱加密體制，即用己方私鑰和對方公鑰進(jìn)行雙重簽名加密，對方用其私鑰和己方公鑰進(jìn)行解密處理。然而采用這種方法來傳遞密鑰比較麻煩，實(shí)現(xiàn)起來非常困難，不僅要求通信雙方要有己方的公鑰和私鑰，而且還要獲得對方的公鑰。公鑰和私鑰的產(chǎn)生比較復(fù)雜和困難，而且通常還需要有作為公證的第三方介入。目前絕大多數(shù)的通信雙方都沒有這些條件，并且它們之間的通信絕大多數(shù)是一次性的。因此考慮到上述原因，往往不采用非對稱加密體制，而仍然采用實(shí)現(xiàn)方法和途徑都相對簡單和容易得多的對稱加密體制。

二、DES分析

DES（對稱加密算法）使用一個56位的密鑰作為加密的基本單元，然后利用循環(huán)冗余校驗(yàn)附加的8位奇偶校驗(yàn)位，產(chǎn)生最大64位的密鑰分組。這是一個迭代的分組密碼，使用稱為Feistel的技術(shù)，其中將加密的文本塊分成兩半。使用子密鑰對其中一半應(yīng)用循環(huán)功能，然后將輸出與另一半進(jìn)行“異或”運(yùn)算；接著交換這兩半，這一過程會繼續(xù)下去，但最后一個循環(huán)不交換。DES使用16個循環(huán)。

攻擊DES的主要形式被稱為蠻力的或徹底密鑰搜索，即重復(fù)嘗試各種密鑰直到有一個符合為止。如果DES使用56位的密鑰，則可能的密鑰數(shù)量是2的56次方個。隨著計算機(jī)系統(tǒng)計算能力的不斷提高，DES的安全性比它剛出現(xiàn)時會弱得多，然而從非關(guān)鍵性質(zhì)的實(shí)際出發(fā)，仍可以認(rèn)為它是足夠的。

三、密鑰管理中心

1、密鑰管理分析

合理的密鑰管理在密鑰的分配中起到關(guān)鍵作用，目前我國客運(yùn)專線采用數(shù)據(jù)的加密方式為傳統(tǒng)的DES加密，并且建立密鑰管理中心(KMC)對有限的密鑰進(jìn)行合理分配，使用時將公共授權(quán)證書
AC發(fā)送給相應(yīng)的信元和信宿，通過密鑰和認(rèn)證雙重管理達(dá)到對信息的安全管理。

密鑰管理中心利用密鑰產(chǎn)生器隨機(jī)產(chǎn)生相互匹配的密鑰，發(fā)送給相應(yīng)的信元以及信宿，使信元和信宿同時得到用于信息傳輸?shù)墓裁艽a。當(dāng)密鑰使用任務(wù)結(jié)束后，密鑰管理系統(tǒng)收回相應(yīng)的密鑰使用權(quán)，送入相應(yīng)的密鑰機(jī)。

根據(jù)以上的算法和密鑰管理中心分析，可以建立一套由鐵道部為頂級管理，4個客專調(diào)度所為主管理的密鑰管理系統(tǒng)，如圖1所示。

鐵道部作為根密鑰系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)的密鑰和認(rèn)證CA傳給相應(yīng)的客專調(diào)度所，客專調(diào)度所通過同樣的加密方式產(chǎn)生相應(yīng)的主密鑰系統(tǒng)，同樣產(chǎn)生密鑰發(fā)送給每條客運(yùn)專線所屬調(diào)度中心，產(chǎn)生工作密鑰，每條注冊的動車組根據(jù)所屬客運(yùn)專線產(chǎn)生的密鑰和相應(yīng)的CA完成列車的注冊。

2、密鑰系統(tǒng)描述

密鑰管理系統(tǒng)圖如圖2所示。

根密鑰系統(tǒng)的主要功能是生成系統(tǒng)最初的原始密鑰，利用相應(yīng)的算法由系統(tǒng)自動分配。主密鑰系統(tǒng)則用分散因子對根密鑰進(jìn)行分散加密，得到主密鑰，最后將分配得到的工作密鑰發(fā)送給注冊的動車組。

系統(tǒng)在生成相應(yīng)的密鑰時，同時生成相應(yīng)的認(rèn)證密鑰，將其存儲在相應(yīng)的認(rèn)證卡中，以控制和配合密鑰卡的使用。密鑰卡必須通過其認(rèn)證卡的相互認(rèn)證（外部認(rèn)證）后才能正常使用；而密鑰認(rèn)證卡使用的合法性由列車識別號正確核對后才可以使用。

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