论文总字数：27863字

摘 要

信息安全的概念在二十世纪经历了一个漫长的历史阶段，90年代以来得到了深化。进入21世纪，随着信息技术的不断发展，信息安全问题也日显突出。如何确保信息系统的安全已成为全社会关注的问题。信息在存储、处理和交换过程中，都存在泄密或被截收、窃听、窜改和伪造的可能性。有线信道以导线为传输媒质，信号沿导线进行传输，信号的能量集中在导线附近，因此传输效率高，但是部署不够灵活。需要根据电话线的信道特征，研究生成密钥的理论方法。电话线的信道特征主要是电话线的频域响应特征。针对不同长度和材质的电话线频域响应特征，通过曲线拟合的方式获得不同的系数参数并进行量化，以提取信道的特征。在拟合时，使用多八次多项式进行拟合，将拟合得到的参数以3×3矩阵的形式，输入计算机中并且计算得到该矩阵的特征值。将得到的3组特征值按类别进行归一化，对归一化后的数据进行二进制转换并且控制转换的精度。最终，通过量化的数据获得安全通信用的密钥。

关键词 曲线拟合，信道特征值，密钥，安全通信

the channel characteristics extraction

of Telephone line for secure communications

Abstract

The article is mainly about the channel of characteristics extraction of telephone line for secure communications.Information security concept has experienced a long historical period, with the continuous development of information technology,information security issues become increasingly prominent in the 21^st century. Information storage,processing and exchange,all of them have possibility of leakage or interception,eavesdropping tamepering and forgery exist. Cable channel to the wire as the transmission medium, the signal is transmitted along the wire, so the highenergy is concentrated near the wire, so the high transmission efficiency, but the deployment is not flexible enough. The characterstics of telephone line need to be transfered to gradute theory key.Channel characteristics of the main telephone line is a frequency-domain responses of the telephone line. Response of different lengths and materials for the telephone line frequency domain to obtain different parameters and quantized coefficients by curve fitting methods to extract the channel characteristics. When fitting, using a multi-eight polynomial fitting, fitting parameters obtained in the form of 3 × 3 matrix, and input computer calculated eigenvalues of the matrix. Group 3 eigenvalues obtained by category normalized data were normalized binary conversion and control accuracy conversion.Ultimately, access to safe communication key by quantitative data.

KEYWORDS: Curve fitting, Channel characteristic value, keys, secure communications

目录

用于安全通信的电话线路信道特征提取 II

摘 要 II

Abstract III

第1章 绪论 1

1.1 信息安全的重要性 1

1.2 双绞线简介 1

1.2.1 双绞线信道建模 1

1.3 ADSL技术的发展背景 3

1.3.1 xDSL 3

1.3.2 ADSL系统模型 3

1.4 VDSL技术的发展 4

1.5 噪声分析 4

1.5.1 串音 4

1.5.2 背景噪声 4

1.5.3 脉冲噪声 4

1.6 小结 5

第2章 算法介绍 6

2.1 算法概述 6

2.2 MATLAB简介 6

2.3 最小二乘法拟合原理 7

2.4 矩阵特征值 7

2.5 归一化原理 8

2.6 密钥提取的方法 8

2.7 小结 10

第3章 总体设计 11

3.1 整体算法流程 11

3.2 建立模型 11

3.2.1 初始数据的分析 11

3.3 可视化分析 13

3.3.1 同一根线的两种传输方向的频率响应 13

3.3.2 不同的线L1，L2，L3，L4，L5。 14

3.4 数据拟合 16

3.4.1 拟合方式选择 16

3.4.2 拟合结果的形式选择 17

3.5 数据处理方法 18

3.6 量化 19

3.7 生成密钥 20

3.8 小结 20

第4章 对实验数据的适配 21

4.1 实验数据的特点 21

4.1.1 实验数据对同一根电话线的三种状态的测量 21

4.1.2 实验中测量的电话线的长度 21

4.2 实验数据的处理分析 21

4.2.1 实验数据中相同线段在三种模式下的频率响应 21

4.2.2 100M长的三根不同的线的响应 22

4.2.3 不同长度的电话线在安全通信模式下的频率响应 23

4.3 拟合计算与求出特征值 23

4.4 对特征值进行归一化 25

4.4.1 确定归一化的函数 25

4.4.2 归一化的主要函数为： 26

4.4.3 归一化后的结果 26

4.5 提取密钥 27

4.5.1 转换比特的分函数： 27

4.5.2 矩阵数值转化的主函数： 27

4.6 比特位固定为4位的结果 28

4.7 增加比特位至5位后的结果 28

4.8 小结 29

第5章 总结与展望 30

参考文献 32

致谢 33

绪论

信息安全的重要性

信息安全的理念在二十世纪至今经过了一个漫长的发展过程，进入二十一世纪以后，因为信息技术的不断发展，信息安全的问题也越来越受到重视。怎样才能保证信息系统的安全已经成为了一个亟待社会解决的大问题。国外发达国家对信息安全领域的研究比国内提前许多，所以已经获得了许多的突破与成果，而且成功实现了应用。

在日常生活与商务贸易中，人们普遍使用固定电话进行通话交流，同时依托于电话线的ADSL系统也是国内许多家庭上网的方式。如果电话线被心怀不轨的人或机构窃听，势必会造成对被监听者不可估量的损失，轻则隐私泄漏，重则因为商业机密或互联网金融密钥被窃取，造成人身和财产的巨大损失。为了解决这些问题，着重研究电话线的安全通信是非常的必要的。在研究中，电话线是由双绞线组成的，而且仍有许多家庭是使用的基于巨大存量的电话线网络的ADSL，VDSL网络，也就是人们所说的使用调制解调器进行网络连接的系统。

双绞线简介

双绞线也称为双扭线，是最常用的一种传输介质。双绞线是由两根外层包裹有绝缘保护层的铜导线按一定密度两者缠在一起所形成的线对组成的，因为每根导线在传输中辐射出来的电波会被另一根导线上发出的电波抵消，所以两根导线互相绞在一起可提高信号的抗干扰能力。双绞线一般由两根22～26号绝缘铜导线互相缠绕而成，然后将一对或多对双绞线放在一个绝缘套管中组成双绞线电缆。在双绞线电缆内，不同的线对具有不同的扭绞长度。扭线长度的选择是为了更好的消除扭绞线之间的干扰，一般来说，按逆时针方向扭绞，扭绞长度为14～38．1cm，相邻线对的扭绞长度在12．7cm以上。双绞线的缠绕密度、扭绞方向及绝缘材料，直接影响到它的特性阻抗、衰减和串扰。双绞线在传输距离，信道带宽和数据传输速度等方面相比其他的传输方式均显得不足，然而因为其低廉的售价，使得它仍然得到了广泛的应用。双绞线的规格使用美国线规(AWG)的标称表示，由构成双绞线的铜导线直径表示规格。双绞线规格有#19、#22、#24、和#26，直径范围从0．912毫米(0．03589英寸)到0．404毫米(0．1594英寸)，标号越小，其对应的直径越大，最常用到#24和#26的规格的双绞线应用在VDSL系统中。

双绞线主要是用来传输模拟声音信息的，但同样适用于数字信号的传输，特别适用于较短距离的信息传输。

双绞线信道建模

双绞线信道主要有两种数学模型：一种是ABCD模型，另一种是RLCG模型。通过这两个模型，能够对双绞线信道建立数学模型，求出其信道的传递函数。

二端口网络是具有唯一的输入端口和同样唯一的输出端口，并且在两个端口间具有一定的传输功能。为研究二端口网络，首先必须确定二端口网络与其相连的等效平行双线传输线的分界面。

z

I1

I2

D

C

A

B

上图所示的ABCD系统，可知其参数为：

=

RLCG模型

双绞线中有部分基本的参数，如电感(L)、电阻(R)、电导(G)和 电容(C)，这些参数叫作RLCG参数。使用双绞线的RLCG参数，可以来描述和表征双绞线的信道特性。这种模型称为双绞线信道的一次模型，计算出了双绞线信道的RLCG参数但是并没有提供双绞线信道的传递函数。然而，信道的传递函数可以通过以上的这些参数计算出来。

双绞线的RLGC参数可以计算出两种有用的通用参数，即特性阻抗Z0(f)和传播参数γf。传播参数的实部就是双绞线的衰减参数α(f)，其代表了双绞线的衰减频率特性，是衡量双绞线特性的一个重要指标一。

γ=α jβ=

α=

β=

由于在RLCG解析模型中，L、C部假定为常数，而只正比于， 根据传输线的RLCG模型定义的特性阻抗为：

特性阻抗是与双绞线长度无关的参数，但它会随频率而变化。

ADSL技术的发展背景

xDSL

数字用户线(xDSL：Digital Subscriber Line)由美国贝尔通信研究所为推动视频点播(VOD)业务，于1989年研发了用户线高速传输技术，后因VOD业务受挫而被长期搁置了很长时间。近年来随着Interact技术的迅速发展，对固定连接的高速用户线需求日益高涨．由于双绞线的xDSL技术成本低廉且可以用于实现用户高速化而重新崛起，打破了高速通信由光纤独揽的局面。1996年起xDSL技术在欧美得到了迅速的推广。

xDSL技术可以分为速率对称型和速率非对称型两种，两种模式的区别主要有上行和下行的速率是否相等来判别。如果上行速率（用户到交换局）和下行速率（交换局到用户）相同，则成为速率对称型，否则称为速率非对称型。

ADSL系统模型

ADSL接入系统参考模型如图1。1所示。图中． POTS是普通电话业务，PSTN是公用交换电话网．SM为服务模块．ATU-C是ADSL的中心局端收发器单元. ATU-R是ADSL的远程终端收发器单元(即用户端)，SM是用户装置，用户网络的形式可以设计为总线型、环形或星型等形状。

ADSL拥有两种主流的调制方案，分别是无载波幅度相位(CAP)以及离散多音频(DMT)技术．

CAP是立足于正交幅度调制(QAM)的调制方式．在此系统中，将上、下行信号分别调制在不同的载波上．这种调制方式在速率对称型和非对称型的xDSL系统中都可以使用．在ADSL方式中的CAP利用30kHz-IMHz的频带。其波形周期越小所需要的频率就越高，从而能够提升调制信号的速率(即数据传输速率)。CAP中的“Carrierless(无载波)”意思是生成载波的部分(电路和DSP的固件模块)不独立．它与调制解调部分融合为一个整体，从而使整体结构更加简洁单一。由此可见简单的结构是CAP相对于DMT的一大优点，所以CAP方式工作的时延小．芯片功耗也较低。

DMT使用256路载波的QAM调制，该技术一般使用在ADSL等速率非对称型的系统中。对256个载波进行QAM调制需做傅里叶变换，在ADSL中一个载波调制占用4kHz带宽左右。 ADSL技术中现在使用的最优化的调制方法就是离散多音频技术． DMT相比其它的各种单载波技术更具有技术优势。相同的传输速率情况下．DMT比CAP所需的功率小。DMT使用数字处理技术优化性能，能够从集成电路技术和算法的发展中得益。

VDSL技术的发展

VDSL(甚高速数字用户环路)技术能够在普通的短距离的电话铜线上达到最高52Mbit／S的速率传输数据，它的速度大大高于ADSL(非对称数字用户环路)和Cable Modem(线缆调制解调器)。因此VDSL技术的应用为网络的提速带来了飞跃，从而也是颇受重视的一种热门技术，使得网络视频点播等需要高宽带的数据业务的实现成为了可能。

噪声分析

电话线中可能有多组双绞线组合而成的。由于许多电话线造假低廉，其抗干扰能力较差。无法实现互相的屏蔽。所以各个电话线之间可能会形成干扰。由于绝缘材料的应用有限，其对外界干扰源的抗干扰能力有限。在高频段，数据传输的衰减已经相对低频段的衰减较大，那么电话线对外部的干扰就更加的敏感。另外，生活中无处不存在电磁干扰，如高压电线的弧光放电，公路上的各种带电的交通设施，以及大型电器的突然启动等等。都会造成非常大的电磁脉冲。还有人们身边形影不离的手机等通讯设备，其在与外界产生信息交换时，产生的电磁辐射功率也是客观存在的。并且这样的电磁干扰对办公桌上的电话或者连接因特网的电脑因为距离较近，所以其对电话线路的干扰更加明显和突出了，电话线中存在的噪音可以主要分解为包括串音干扰、自噪声、背景噪声、射频干扰和脉冲噪声等等。实验中需要尽量避免被这些干扰源扰乱实验过程。

串音

一对双绞线上的信号如果能够对另一组双绞线上的信号产生干扰，就可以将之称之为双绞线之间的串音。如果这些双绞线被封装在同一条电话线中。那么被干扰的双绞线就被称为被干扰线对，造成干扰的线对可以称为干扰源或干扰线对。在含有许多线对的电话线中，可以存在着许多个干扰源。按串音干扰源的特性，可以将串音分为“近端串音”和“远端串音”。近端串音（NEXT）特点是，其干扰源的发送端和被干扰线的接收端位于同一端口。在这种情况下，干扰信号沿着干扰线出发，耦合到被干扰线，然后再返回到被干扰线的接收端。远端串音（FEXT）的特点与近端串音的原理恰好相反，其干扰源的发送端远离被干扰线的接收端。其干扰信号可以沿着干扰线对传播，耦合到被干扰线对，接着产生的串音信号沿着被干扰线传递到被干扰线的接收机。近端串音NEXT类型与远端串音FEXT相比。接收机之前沿着双绞线传播的距离较短，信号较强。所以来自

特定干扰源的NEXT的影响要比FEXT更强。封装在同一个线路中的双绞线之间的串音干扰是影响其工作性能的最大原因。

背景噪声

背景噪声是独立于电缆参数的由传输系统产生的噪声之外所有噪声的总称，与电缆参数无关。

脉冲噪声

脉冲噪声是电话线受到外界突发的电磁脉冲所产生的噪声。家用电器如冰箱等大功率电器的突然启动，移动电话的接听等等，就能够造成较大的脉冲噪声。在小范围的空间内造成电磁场的短暂改变。

小结

在研究时，同一根电话线采取三种不同的模式进行测量，分别是安全通信的情形下与连接ADSL模块的情况和被窃听的情况。而同一根电话线也从两个方向分别测量以观察其传输方向不同是是否会产生不同的密钥。另外，选取同一厂家的多根线同长度的电话线，以观察其在通信中的特征与区别。将以上这些电话线使用不同的频率进行测量，频率范围从0至100MHz。并且在计算机中使用MATLAB软件分析，进行必要的计算，以研究出提取安全通信密钥的方法。

算法介绍

算法概述

本章节主要介绍本次实验中所应用的算法。实验中主要使用的编程与数学操作工具是MATLAB，在MATLAB的环境下进行了编程与实验。首先对原始数据进行数据处理得出频率与频率响应的数据，然后使用拟合工具箱对曲线进行拟合得出9个参数。以这9个参数组成矩阵，利用求矩阵特征值的函数schur()将矩阵的特征值求出。之后，使用归一化的算法，将特征值归一化至[0,1]。最后，编写一个提取密钥的程序，程序分为提取密钥的主要算法和一个读入矩阵数据并存入转化密钥后的新数据的主函数。利用设置的参数，对密钥提取的精度进行控制。从而实现了特征值的密钥提取工作。

MATLAB简介

MATLAB是由美国的MathWorks公司所研发的一款优秀的商业软件，其出色的算法开发，数据可视化，对数据出色的分析能力和卓越的系统交互能力使得其成为最受科学工作者欢迎的一款软件。

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