跳頻通信技術(shù)因?yàn)榫哂休^好的抗干擾和低截獲性能，在軍事通信中占有重要的地位，因此提高系統(tǒng)的保密性有著很重要的意義。為了提高保密性，提出了兩種提高系統(tǒng)保密性的方法，其核心思想是將加密算法應(yīng)用到跳頻系統(tǒng)，分別在跳頻通信系統(tǒng)發(fā)送端和接收端進(jìn)行加密和解密。

一、系統(tǒng)模型分析

跳頻通信實(shí)際上是一種擴(kuò)頻通信，通俗地講，就是在不同時(shí)刻利用不同的頻率傳送信息，以達(dá)到抗干擾抗截獲的目的。它的基本結(jié)構(gòu)是在發(fā)送端首先進(jìn)行MFSK(M進(jìn)制頻移鍵控)信息調(diào)制，然后進(jìn)行跳頻調(diào)制，經(jīng)過信道后，接收端按照相同的跳頻頻率表來(lái)進(jìn)行解跳，而后進(jìn)行信息解調(diào)，如圖1所示，本文采用4FSK進(jìn)行信息調(diào)制，眺頻調(diào)制主要體現(xiàn)在跳頻碼的選擇上，這里采用RS碼。

在域GF上，其中為大于2的正整數(shù)，碼長(zhǎng)的本原BCH碼稱為RS碼。在RS碼中，當(dāng)時(shí)，碼字不會(huì)重復(fù)出現(xiàn)，這種情況下，可以得到有最大跳頻增益的跳頻圖案；當(dāng)時(shí)，它不再是非重復(fù)碼，這就會(huì)導(dǎo)致部分頻率重復(fù)出現(xiàn)，而部分頻率不出現(xiàn)，這樣跳頻增益會(huì)明顯下降，所以RS碼作為跳頻碼的性能最好，圖2為基于(63，2) RS碼的一種跳頻圖案。

二、加密算法

1、DES算法

DES是最常用的加密算法之一，自誕生至今一直被廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域，由于DES算法保密性強(qiáng)，DES得到了廣泛的應(yīng)用。

（1）DES加密過程

DES加密算法是16輪的Feistel模型，輸入64位的明文和64位的密鑰信息（每個(gè)第八位是奇偶校驗(yàn)位，實(shí)際有效密鑰是56位），其加密過程如圖3所示。

加密步驟如下：

1)將需要進(jìn)行加密的64位信息數(shù)據(jù)進(jìn)行初始置換；

2)將置換后的數(shù)據(jù)分為各32位的左右兩半部分；

3)進(jìn)行16輪迭代．在每一輪中，右半部分在子密鑰的作用下進(jìn)行變換，得到的32位數(shù)據(jù)與左半部分按位異或，產(chǎn)生的32位數(shù)據(jù)作為下一輪迭代的右半部分，原右半部分直接作為下一輪迭代的左半部分，但第16輪（最后一輪）不進(jìn)行左右互換。

4)對(duì)經(jīng)過16輪迭代后的64位數(shù)據(jù)進(jìn)行逆初始置換，所得結(jié)果即為密文。

（2）DES解密過程

DES算法的解密算法與加密算法相同，只是各子密鑰的順序相反，即為K16，K15，…，K1，解密時(shí)把64位密文當(dāng)作明文輸入，而且第1次解密迭代使用子密鑰K16，第2次解密迭代使用K15，……，第16次解密迭代使用K1，最后的輸出便是64位明文。

2、AES加密算法

（1）AES的加密

AES算法屬于分組密碼算法，AES與DES的結(jié)構(gòu)不同，不是采用Feistel結(jié)構(gòu)，而是進(jìn)行了多輪的替換，行移位，列混合和密鑰加操作。AES的明文分組大小為128 bit，密鑰長(zhǎng)度是不惟一的，支持128、192、256比特的三種密鑰長(zhǎng)度。

本文中采用的算法是AES-128，迭代輪數(shù)是10輪，其核心是對(duì)State矩陣（AES的數(shù)據(jù)處理單位是字節(jié)，128比特為16個(gè)字節(jié)，按順序復(fù)制到4x4矩陣，該矩陣稱為State）進(jìn)行1O次輪操作，每次輪操作（除最后一輪外）都由字節(jié)代換( Sub Bytes)、行移位(ShiftRows)、列混淆(MixColumns)、輪密鑰加( AddRoundKey)四個(gè)運(yùn)算構(gòu)成，最后一輪不包含列混淆操作，如圖4所示。

（2）AES的解密

由于AES算法沒有使用Feistel結(jié)構(gòu)，因此AES的解密操作與DES算法不同，AES算法的解密需要使用相應(yīng)變換的逆向變換，并且各個(gè)變換的使用順序也不一樣，首先對(duì)密文進(jìn)行輪密鑰加，然后進(jìn)行第1輪的解密，分別為逆行移位，逆字節(jié)代換，輪密鑰加和逆列混合，直到倒數(shù)第2輪的解密，最后1輪操作只有3步：逆行位移，逆字節(jié)代換，輪密鑰加。

三、仿真與分析

1、采用DES對(duì)跳頻系統(tǒng)加密

本系統(tǒng)是基于超短波跳頻系統(tǒng)的仿真，根據(jù)GJB 2928—97規(guī)定，戰(zhàn)術(shù)超短波跳頻電臺(tái)頻率范圍是30—87.975MHz，戰(zhàn)術(shù)超短波跳頻電臺(tái)信道間隔是25kHz，本系統(tǒng)的跳頻頻率是：

其中初始頻率Fi=30.OOOMHz，=1，2，…，64。

信息調(diào)制的頻率分別是f1=3kHz，f2=9kHz，f3=15kHz，f4 =21kHz。

如圖l所示，在信息（以下稱為明文）進(jìn)入跳頻系統(tǒng)之前對(duì)其加密成密文，通過跳頻系統(tǒng)傳輸，接收端進(jìn)行解跳、解調(diào)之后進(jìn)行解密，還原出明文。圖5為仿真結(jié)果。

可以看出當(dāng)接收端使用與發(fā)送端同樣的密鑰1進(jìn)行解密，得到了正確的原始信息，而使用與發(fā)送端不相同的密鑰2是無(wú)法進(jìn)行解密的，誤碼率達(dá)到了46.88c70，圖6為不同密鑰對(duì)誤碼率的影響，第一個(gè)點(diǎn)是密鑰與發(fā)送端密鑰的第一位不同，第二個(gè)點(diǎn)是密鑰與發(fā)送端密鑰的第二位不同，……，第65個(gè)點(diǎn)是發(fā)送端密鑰，可見當(dāng)?shù)?位，第16位，第24位，第32位，第40位，第48位，第56位，第64位與發(fā)送端密鑰不同時(shí)也能正確接收到信息，這是因?yàn)镈ES密鑰輸入64位，但每個(gè)第8位用作奇偶校驗(yàn)，所以密鑰的長(zhǎng)度實(shí)際是56位，其他情況接收端均不能正確還原出原始信息，從圖中可以看出，其誤碼率基本維持在較高的0.4—0.6之間，可見使用DES對(duì)跳頻系統(tǒng)加密可以提高跳頻系統(tǒng)的安全性。

2、采用AES對(duì)跳頻系統(tǒng)加密

AES-128生成的跳頻序列可以是跳頻在128個(gè)頻率下跳頻，系統(tǒng)只有64個(gè)頻率，所以在跳頻頻率表中，AES碼中的O與64同時(shí)對(duì)應(yīng)Fi，l與65對(duì)應(yīng)F2，……，63與127對(duì)應(yīng)F64。

采用AES加密的仿真圖如圖7，可以看出只有用與發(fā)送端同樣的密鑰l進(jìn)行解密，才能得到正確的信息，而使用與發(fā)送端不相同的密鑰，即使是只有第一位密鑰不同的密鑰2，依然是無(wú)法進(jìn)行正確解密的，誤碼率達(dá)到了43.75%，接近50%，圖8為不同密鑰對(duì)誤碼率的影響，第一個(gè)點(diǎn)是密鑰與發(fā)送端密鑰的第一位不同，第二個(gè)點(diǎn)是密鑰與發(fā)送端密鑰的第二位不同……，第129個(gè)點(diǎn)是發(fā)送端密鑰，可見密鑰與發(fā)送端密鑰不同時(shí)，無(wú)法正確接收到發(fā)送端的信息，其誤碼率也基本維持在較高的0.4—0.6之間，所以使用AES對(duì)跳頻系統(tǒng)加密提高了跳頻系統(tǒng)的安全性。

3、實(shí)時(shí)性安全性分析

用PC機(jī)(CPU:lntel( R) Pentium( R)Dual-Core E5700，內(nèi)存：3GB）測(cè)試兩種算法的實(shí)時(shí)性，運(yùn)行次數(shù)為100次，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

由表1可見，在軍事通信信息是少，實(shí)時(shí)性要求不高的情況下，兩種加密算法都可以應(yīng)用在這種場(chǎng)合。

對(duì)于DES密碼，R=256≈7×1016，如果使用運(yùn)算能力為每秒30億次的普通計(jì)算機(jī)來(lái)破譯DES密鑰，假設(shè)每次運(yùn)算能完成一次加密的情況，要完成一次DES密鑰的搜索破解過程，需要(256/(30×IOH))/(60×60×24)=278d，但如果用最新最怏的超級(jí)計(jì)算機(jī)，則在幾個(gè)小時(shí)就可以破譯。

對(duì)于AES密碼，假如使用IBM的超級(jí)計(jì)算機(jī)藍(lán)色基因的運(yùn)算能力（每秒280.6萬(wàn)億次）來(lái)計(jì)算，假設(shè)每次運(yùn)算能完成一次加密的情況，要完成一次AES-128密鑰的搜索破解過程，需要(2128/(280.6×1012))1( 60×60×24×365)=3.845×1016a的時(shí)間，所以可以預(yù)見在未來(lái)很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，AES的算法依然安全。

通過以上的比較，可以看出，實(shí)時(shí)性和安全性往往是矛盾的，AES的密鑰更安全，但DES的實(shí)時(shí)性更好，在實(shí)際應(yīng)用中，要通過實(shí)際通信指標(biāo)的要求，選擇合理的加密方式。

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