基于空间稀疏编码的电子通信数据链加密仿真

2021-11-17蒋德勇王文娟陈舒娅

计算机仿真 2021年8期

李俊，蒋德勇，王文娟，陈舒娅

(1.江西应用科技学院人工智能学院，江西南昌 330100；2.赣南师范大学数学与计算机科学学院，江西赣州 341000)

1 引言

互联网时代的到来，电子通信数据链技术让信息的传输更加简单、快捷，可以实时获取信息、双向或多方位的传递信息、分析处理信息，更可以将多方平台连接到一起，形成立体分布的信息网络，极大地提高了数据的传输速度[1-2]。但是，在这种信息传递方式下，信息传递的安全性，却成为了当前人们极为关心的问题，尤其是企业、部队、医院、政法机关、银行等领域，对于信息的通信安全，要求更是极高[3]。

为此，国内外都在积极研究数据链的加密技术，研究发现目前普遍存在数据拦截、中断、窃听、链路干扰、数据篡改等电子通信数据链安全风险。根据上述可能存在的风险，国内外众多学者研究出了分层的安全机制，将数据链分为接入层和非接入层两个层面，控制电子通信数据链信息传递风险的发生，但是却存在控制不全面，通信数据依然存在被攻击、窃听的风险。因此有学者提出，在数据链中，增加干扰码，提高电子通信信号的复杂程度，避免窃听者对通信的窃听，但是，该种方法，却也降低了通信线路的利用率[4-9]。

综合上述对电子通信数据链加密的研究发现，目前的数据链加密技术，依然存在不全面、数据链加密技术更新不及时等问题[10]。为此利用空间稀疏编码具有的较大编码方案存储、联想记忆等特点，提高电子通信数据链加密技术，对信息传递风险的抵抗能力，因此提出基于空间稀疏编码的电子通信数据链加密仿真。

2 基于空间稀疏编码的电子通信数据链加密仿真

2.1 基于空间稀疏编码建立电子通信数据链模型

假设此次建立的数据链模型，由M个样本组成的训练集为X，即X={x1，x2，…，xM}，训练集的维数为n2，则训练集为X的大小为n2*M。采用迭代运算，获得数据链基函数集合D，基函数的原子数量为K，则基函数集合D的大小为n2*K，则有

(1)

式中，A=[a1，a2，…，aM]，表示训练样本在基函数集合D上的空间稀疏编码矩阵；xi表示第i个样本；Ω表示稀疏正则化函数；ai表示第i个样本，在基函数集合D上的空间稀疏编码；λ表示非负参数，以获得公式第一项及第二项的折中[11-12]。

为保证空间稀疏编码稀疏系数的稀疏性，获得较好的电子通信数据链稀疏逼近性能，针对式(1)，进行矩阵分解。矩阵D的每一列即代表一个主成分[13]。但是，为了促使此次建立的数据链模型，更具有局部性特征，将在矩阵分解的基础上，对基函数集合D和编码矩阵A加上非负约束，则有

(2)

此时，需要采用范数正则化约束，对稀疏正则化函数Ω进行约束，得到电子数据链模型，则有

(3)

根据式(3)所示的电子通信数据链模型，即可仿真研究电子通信数据链加密技术。

2.2 确定数据链加密密钥产生过程

根据此次建立如式(3)所示的电子通信数据链模型，得到的电子通信数据链稀疏性特征和局部性特点，生成加密的初始密钥，得到加密的子密钥，从而完成对数据链的加密过程。而在这个过程中，需要将数据量的IP地址进行正逆两次置换，重新排列数据链。所以，此次设计数据链加密，其密钥的产生过程如下：

步骤1：在数据链加密时，需要针对数据链的IP地址，采用校验位，进行密钥置换，当IP地址置换结束后，需要过滤掉校验位，生成只有56bit的初始密钥；

步骤2：根据步骤1得到的初始密钥，将其分成等长的两组，再让每组分别循环、左移，得到两组新的等长密钥，将新的等长密钥重新组合，成为新的初始密钥；

步骤3：将步骤2得到的新的初始密钥，进行二次置换，得到第一个子密钥；

步骤4：重复上述3个步骤，得到所有子密钥。

依据上述密钥的生成步骤，完成数据链加密。

2.3 加密电子通信数据链

基于数据链加密密钥产生过程，在加密电子通信数据链过程中插入f函数，根据式(3)得到的电子通信数据链稀疏性特征和局部性特点，完成电子通信数据链的加密过程，避免数据链存在的稀疏性特征和局部性特点，影响数据链加密效果。

假设，此次加密电子通信数据链，插入的f函数，记为f(A，J)，其中，A表示32位输入，J表示48位输入。则仿真加密电子通信数据链的流程如图1所示。

图1 仿真加密电子通信数据链的流程

图1中，仿真加密电子通信数据链，需要经过矩阵变换，通过扩展变换生成矩阵E，将矩阵E的长度扩展至48bit，得到矩阵E(A)，并将其与J，按照2.2节中所示的步骤2和步骤3异位，得到矩阵B，通过矩阵置换方式得到矩阵C，对矩阵C进行压缩变换得到U，即最终加密后的数据链。

3 仿真研究

3.1 实验准备

基于上述研究将2.2节所示的密钥产生过程，代入图1所示的仿真加密电子通信数据链的流程中，采用专业的数据链加密TOSSIM仿真平台，进行仿真加密，即完成电子通信数据链加密仿真研究，设计的仿真环境，如表1所示。

表1 仿真环境

根据如表1所示的电子通信数据链仿真平台运行环境，此次仿真，选择电子通信数据链，发送电子通信采用35bit报文格式的报头，消息字采用75bit，作为电子通信传输的数据；其中报头编码为RS(16，7)，消息字编码为RS(31，15)，码元宽度为8，数据链的射频部分，使用的MSK调制，会产生75MHz的载波，电子通信信道为高斯信道。在仿真过程中，将不考虑跳频问题，且电子通信数据链，完全和平台软件的运行同步，其仿真图如图2所示。

图2 电子通信数据链仿真框图

将此次研究的电子通信数据链加密技术，记为实验A组，文献里提到的两组电子通信数据链加密技术，分别记为实验B组和实验C组。确定加密技术运算时间函数、数据链所在空间位置、密文像素值和信息熵计算公式，对比三组数据链加密技术在图2所示的电子通信数据链中的电子通信数据链加密执行效率、对差分攻击和信息熵攻击的抵抗效果。

3.2 电子通信数据链加密执行效率对比

选择 TOSSIM电子通信数据链仿真平台，引入 clock()函数，得出三组加密技术对此次实验选择如图2所示的电子通信数据链加密所需要的时间对比结果，如图3所示。

图3 电子通信数据链加密执行效率对比图

从图3中可以看出，实验C组加密此次仿真，选择的仿真对象，需要的加密时间最长，达到0.664835秒，对电子通信数据链加密执行效率低下；实验B组加密此次仿真，选择的仿真对象，需要的加密时间，虽然强于实验C组，仅需0.445055秒，但是对电子通信数据链加密执行效率，仍处于较低水平；而实验A组加密此次仿真，选择的仿真对象，需要的加密时间仅需0.329670秒，加密用时明显是三组实验中最短的。由此可见，此次研究的电子通信数据链加密技术，加密电子通信数据链时，加密所需时间较短，具有较高的执行效率。

3.3 差分攻击抵抗效果对比

将此次实验选择的数据链，放置在空间坐标系(x,y,z)中，其中x对应二维矩阵的行，y对应二维矩阵的列，z对应密文像素值的差值，并将其数据链的位置设定为(69，98)，加密后的密文像素值，设定为116。此时当数据链加密结束后，采用差分攻击分别攻击三组加密技术加密后的数据链，对比三组加密技术对差分攻击的抵抗效果如图4所示。

从图4中可以看出，实验C组抵抗差分攻击的效果最差，仅在(50，0，0)的位置，保存一点加密后的数据链，数据链信息，基本呈现在眼前；实验B组抵抗差分攻击的效果，虽然强于实验C组，但也仅仅只是在(0，120，250)和(0，90，50)两个位置，保存一点加密后的数据链，大部分的数据链信息，同样呈现在眼前；而实验A组抵抗差分攻击的效果，明显强于实验B组和实验C组，从图4中，未曾发现明显数据链信息显示位置。由此可见，此次研究的电子通信数据链加密技术，加密的电子通信数据链，能够获得较好的抗差分攻击特性。

3.4 信息熵攻击抵抗效果对比

在第一组和第二组实验的基础上，进行第三组实验，对比三组加密技术对信息熵攻击的抵抗效果。在本组实验中，假设图2所示的数据链中，包含的信息为符号信息集X={x1,x2，…，xi，…，xn}，符号集中符号xi在消息中出现的概率为p(xi)，此时，得到的信息熵H(x)为

(4)

三组加密技术采用(4)式计算数据链加密后的信息熵，并与估计信息熵值进行对比，从而确定三组加密技术，对信息熵攻击的抵抗效果，得到的对比表，如表2所示。

表2 信息熵比较表

从表2中可以看出，实验C组加密后的数据链，加密后的信息熵虽然比加密前的信息熵大，但是明显低于信息熵估计值，难以抵御信息熵攻击；实验B组加密后的数据链，加密后的信息熵同样比加密前的信息熵大，并且比实验C组高0.409，但是同样低于信息熵估计值，难以抵御信息熵攻击；而实验A组加密后的数据链，加密后的信息熵明显比加密前的信息熵大，且高于信息熵的估计值，极其接近信息熵的最大值8。由此可见，此次研究的电子通信数据链加密技术，具有较高的信息熵值，能够有效抵御信息熵攻击。

综合上述三组实验可知，此次研究的电子通信数据链加密技术，加密电子通信数据链时，加密所需时间短，具有较高的执行效率，可以有效抵挡差分攻击和信息熵攻击。