语音保密通信中的语音加解密及密钥流同步技术研究与实现

论文总字数：35420字

摘 要

随着移动通信技术的不断发展，语音通信的安全问题日益突出，我们课题组提出了一种端到端的语音加密方案。在手机外部通过dsp模块对语音信号实现加解密，通过移动通信网络中的语音信道进行传输，通用性强，可以有效防止手机木马等病毒的干扰。

本毕设主要研究了祖冲之密码算法，为语音信号的加密与解密提供随机的密钥流；研究了常见分组密码中的密钥扩展算法，选择了国产摘要算法SM3算法作为密钥扩展算法，用于实现将用户输入的6-8位十进制密钥扩展为128比特密钥，作为祖冲之算法的密钥输入；在TMS320C5535DSP开发板上实现了上面两种算法。

语音通信收发两端都是使用祖冲之算法（ZUC）来提供密钥，为了在接收端正确的解密，收发双方需要保证密钥生成器状态一致，即密钥流同步。在发送端发送同步信息，接收端使用相关的方法进行检测，实现双方的密钥同步。本文提出了两种同步信息的传送方式，分析比较了三种同步信息的同步效果。另外，还讨论了基于授时技术的同步方案。

对TMS320C5535上实现的ZUC算法，SM3算法进行测试，测试结果证明了本文方案的正确性。密钥同步检测模块可以实现粗略的同步效果，但是同步精度有待进一步提高。

关键词：祖冲之算法；密钥扩展；密钥流同步；TMS320C5535

Research and Implementation of Voice Encryption and Stream Key Synchronization

Abstract

With the continuous development of mobile communication technology, security of voice communication have become increasingly prominent. Our group present a end-to-end encryption scheme. To achieve speech signal encryption outside mobile phone and through DSP platforms. And we transmit the encrypted speech signal through voice channel of the mobile communication network. it not only has a good concealment, but also can effectively prevent the interference of mobile phone Trojan and other viruses.

My graduation design focuses on the study of ZUC stream cipher to provide random key stream for the encryption and decryption of the speech signal. And I have learned key expansion algorithm in common block cipher. And finally chose the SM3 cryptographic hash algorithm as the key expansion algorithm, for the realization of the 6-8 decimal key user input for the expansion of the 128 bit key. Above two algorithms are implemented on TMS320C5535 development board.

Voice communication transceiver at both ends using the ZUC steam cipher to provide the key. In order to realize the correct decryption in receiver sender and receiver need to ensure consistent state key generator, namely key stream synchronization. The sender transmits synchronization information, the receiver uses related methods for detection synchronization of the key. This paper puts forward two ways to transmit synchronization information, and analysis the synchronous effect of three kinds of synchronization information. In addition, also discussed synchronization scheme based on timing technology.

For the ZUC stream cipher module and the SM3 algorithm module realized on the TMS320C5535, test results prove the correctness of the modules. Synchronous detection module can realize the synchronous effect roughly, but the synchronous precision is not so good.

Keywords: ZUC stream cipher; key expansion; key synchronization; TMS320C5535

目录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

目录 Ⅲ

图目录 Ⅳ

表目录 Ⅵ

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究现状 1

1.2.1 语音加密技术概述 1

1.2.2 移动通信网中加密语音传输方式 2

1.2.3 通过语音信道传输加密数据 2

1.3 本文工作和章节安排 2

第二章 祖冲之算法原理与实现 4

2.1 密码学概述 4

2.2 流密码简介 4

2.3 祖冲之算法原理与实现 6

第三章 密钥扩展算法 11

3.1 AES算法中的密钥扩展算法 11

3.2 Camellia算法中的密钥扩展算法 13

3.3 SM3密码杂凑算法原理和实现 14

第四章 密钥流同步 18

4.1 同步的基本方法 18

4.2 同步信息发送方式 18

4.4 基于授时系统的同步方案 30

4.4.1 授时技术简介 30

4.4.2 基于授时技术的同步方案 30

第五章 数字信号处理器DSP与模块测试 31

5.1 DSP芯片简介 31

5.2 TMS320C5535开发板介绍 32

5.3 TMS320C5535开发过程与程序测试 35

5.3.1 DSP开发过程 35

5.3.2 TMS320C5535混合编程 35

5.3.3 程序测试 36

第六章 总结与展望 41

6.1 本文工作小结 41

6.2 下一步工作与展望 41

致谢 42

参考文献 43

图目录

图1-1 移动通信语音信道示意图 1

图2-1 流密码工作框图 4

图2-2 同步流密码工作示意图 5

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