主字母體制安控指令加密研究

徐楊

摘要：介紹了美國(guó)的改進(jìn)型主字母體制的指令設(shè)計(jì)方法，采用數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，指令碼使用了高糾錯(cuò)率的（7，4）漢明碼，并且對(duì)整條指令進(jìn)行了3DES加密，使得安控指令的高保密性、低誤指令率性、低虛指令率性和抗干擾性等性能進(jìn)一步提高，能夠有效對(duì)抗敵方通過(guò)記錄回放設(shè)備進(jìn)行干擾破壞，同時(shí)指令幀中設(shè)計(jì)的飛行器ID號(hào)能夠滿足多目標(biāo)的安控需求，而且不同目標(biāo)使用不同密碼也能使其系統(tǒng)安全性得以進(jìn)一步保證。

關(guān)鍵詞：靶場(chǎng)；安控；主字母；加密；漢明碼

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008-1739（2019）02-63-3

0引言

安全遙控系統(tǒng)是所有飛行器發(fā)射時(shí)（導(dǎo)彈試驗(yàn)、火箭發(fā)射、衛(wèi)星發(fā)射、載人航天及深空探測(cè)等）所必需的一個(gè)系統(tǒng)。美國(guó)靶場(chǎng)安全指令系統(tǒng)在用的主字母體制經(jīng)過(guò)改進(jìn)后，成為改進(jìn)型主字母體制，其增加的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)和加密功能，進(jìn)一步保證了指令的更低誤指令率、更低虛指令率和更高保密性，能夠有效降低敵方的偽造指令對(duì)目標(biāo)的攻擊，同時(shí)能夠支持多目標(biāo)系統(tǒng)[1]。

1改進(jìn)型主字母體制指令

20世紀(jì)70年代末由NASA的專家們提出了主字母體制[2]，其通過(guò)7個(gè)單音選2個(gè)單音組成字母，整條指令有9個(gè)字母，前7個(gè)字母表示地址字，后2個(gè)字母表示功能字，指令內(nèi)各字母間隔一段時(shí)間，不連續(xù)傳輸。指令幀格式如圖1所示。

2000年，USAF聯(lián)合NASA發(fā)展了一種新的終端系統(tǒng)———加強(qiáng)型飛行終端系統(tǒng)（Enhanced Flight Termination System，EFTS）[1]，其中新增加的改進(jìn)型主字母體制在主字母體制上改進(jìn)為11個(gè)單音選3個(gè)組成字母，第12個(gè)單音作為導(dǎo)頻，同時(shí)為了對(duì)指令進(jìn)行DES或3DES加密，指令幀按二進(jìn)制數(shù)據(jù)組幀，幀結(jié)構(gòu)定義為64 bit，前面24 bit為可變域，后面40 bit為固定域，其中有飛行器ID號(hào)，可支持多目標(biāo)任務(wù)，加密后的指令再經(jīng)主字母指令碼生成，各字母無(wú)間隔連續(xù)傳輸。指令幀結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2改進(jìn)型主字母指令的加密及碼生成

在改進(jìn)型主字母體制里，人工設(shè)置的指令幀原碼先進(jìn)行加密，然后進(jìn)行改進(jìn)型主字母指令碼生成，再進(jìn)行指令副載波產(chǎn)生及FM調(diào)制后發(fā)送出去，設(shè)計(jì)原理圖如圖3所示，接收處理與之相反。

圖2中，改進(jìn)型主字母體制指令原碼為64 bit，按照?qǐng)D3先采用DES或3DES方式加密。DES和3DES加密都屬于對(duì)稱型分組加密算法，其保密性完全依賴于密鑰。DES在使用之初，保密性很好，但由于計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的增強(qiáng)，DES密碼的密鑰長(zhǎng)度變得容易被以窮舉攻擊方式完成暴力破解，根據(jù)資料數(shù)據(jù)[3]，1997年時(shí)用了96天完成破解，1998年時(shí)在56 h內(nèi)完成破解，1999年時(shí)用了22 h 15 min完成破解，因此目前DES加密的實(shí)際使用價(jià)值已不存在。而3DES加密方法則通過(guò)增加DES的密鑰長(zhǎng)度這種相對(duì)簡(jiǎn)單的方法來(lái)避免類(lèi)似的攻擊，DES使用56位密鑰對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，3DES使用3條56位的密鑰對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行3次加密，其具體實(shí)現(xiàn)如下：設(shè)Ek（）和Dk（）代表DES算法的加密和解密過(guò)程，K代表DES算法使用的密鑰，M代表明文，C代表密文。3DES加密過(guò)程為：C=EK3（DK2（EK1（M）））；3DES解密過(guò)程為：M=DK1（EK2（DK3（C）））。

K1，K2，K3決定了算法的安全性，若3個(gè)密鑰互不相同，本質(zhì)上相當(dāng)于用一個(gè)長(zhǎng)為168位的密鑰進(jìn)行加密。多年來(lái)，它在對(duì)付強(qiáng)力攻擊時(shí)是比較安全的。3DES加密方法實(shí)現(xiàn)時(shí)以DES為基礎(chǔ)，技術(shù)實(shí)現(xiàn)較容易。3DES算法作為DES到AES的過(guò)渡算法，已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，除了計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)方式外，嵌入式算法實(shí)現(xiàn)也有多種方式，在ARM，DSP，F(xiàn)PGA，單片機(jī)和NIOS上都可以實(shí)現(xiàn)，參考資料中甚至提供了程序范例。

3DES屬于現(xiàn)代加密算法，而傳統(tǒng)的序列密碼體制中，G.W.Vernam發(fā)明的一次一密密碼體制[4]，曾經(jīng)被前蘇聯(lián)使用過(guò)，保密程度也是非常高的。一次一密加密是通過(guò)隨機(jī)產(chǎn)生的亂碼實(shí)現(xiàn)的，明文信息是逐位和一個(gè)永不重復(fù)的隨機(jī)密鑰序列K相加，K的長(zhǎng)度等于明文長(zhǎng)度，其優(yōu)點(diǎn)是解密時(shí)不存在差錯(cuò)擴(kuò)散，且轉(zhuǎn)換速度快，現(xiàn)在大多數(shù)密碼機(jī)大都采用這一體制。Shannon證明了一次一密體制是不可破的，“只要密碼本毀掉，不管超級(jí)計(jì)算機(jī)對(duì)它工作多久，也不管有多少人采用什么樣的方法和技術(shù)都不能破解”[5]。除此之外，戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期，特工廣泛使用普通的一本書(shū)作為密碼本，其破譯難度也是很大的。無(wú)論采用哪種加密方式，加密是有效防止非合法用戶獲取信息以及偽造信息最有效的方式，安控指令尤其需要注意指令的保密。而飛行器接收終端的解密通過(guò)可更換的密鑰插卡實(shí)現(xiàn)，每一個(gè)飛行器被制造出來(lái)時(shí)，預(yù)留一個(gè)卡槽及接口，用于裝載密鑰卡，在使用前裝載所使用的密鑰。

按照?qǐng)D3，指令幀加密后進(jìn)行改進(jìn)型主字母指令碼生成。改進(jìn)型主字母體制采用11選3組成字母，因此字母表會(huì)有165個(gè)字母，如表1所示。用128個(gè)字母對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，每一個(gè)字母對(duì)應(yīng)7 bit數(shù)據(jù)。其余37個(gè)字母作為功能字母使用，其中字母129表示幀頭同步bit為0，字母130表示幀頭同步bit為1，字母131表示本字母與前一個(gè)字母一樣（為確保每條指令各字母不完全相同，將連續(xù)2個(gè)相同的字母的第2個(gè)替換為字母131）。

當(dāng)一幀指令為如圖2所示的64 bit時(shí)，經(jīng)過(guò)3DES加密后仍為64 bit，將其后補(bǔ)零為70 bit，用一個(gè)字母代替7 bit，則需要10個(gè)字母就可以表示一幀指令，即完成改進(jìn)型主字母指令碼生成。

3改進(jìn)型主字母指令碼生成算法原理

4改進(jìn)型主字母指令幀的優(yōu)點(diǎn)

在圖2的指令幀中，除40 bit固定域用于指令的驗(yàn)證外，24 bit可變域內(nèi)的指令計(jì)數(shù)也用于指令的驗(yàn)證。接收機(jī)存儲(chǔ)收到的指令計(jì)數(shù)，當(dāng)下一條指令到來(lái)時(shí)，40 bit固定域驗(yàn)證通過(guò)后，對(duì)收到的指令計(jì)數(shù)與存儲(chǔ)的指令計(jì)數(shù)進(jìn)行比較，當(dāng)收到計(jì)數(shù)值大于先前存儲(chǔ)計(jì)數(shù)值時(shí)，命令得以驗(yàn)證并執(zhí)行，否則當(dāng)收到計(jì)數(shù)值小于先前存儲(chǔ)計(jì)數(shù)值時(shí)，命令不執(zhí)行。指令幀中靶場(chǎng)ID、飛行器ID和命令計(jì)數(shù)都進(jìn)行驗(yàn)證通過(guò)后，命令才得以執(zhí)行，可以大大降低虛指令的概率，同時(shí)也大大降低了敵對(duì)方通過(guò)記錄存儲(chǔ)設(shè)備將指令記錄后，通過(guò)回放指令進(jìn)行干擾破壞的概率。針對(duì)不同飛行器ID使用不同的密鑰，能夠提高系統(tǒng)安全性，降低不同飛行器間的互相干擾。

圖2中，在24 bit可變域內(nèi)，7 bit指令域采用（7，4）漢明碼[4，6]，它有7位碼長(zhǎng)，4位信息，3位碼距，1位糾錯(cuò)能力，因此能糾正單個(gè)隨機(jī)錯(cuò)誤，能有效地對(duì)指令碼進(jìn)行糾錯(cuò)，而4 bit的指令位數(shù)可以保證控制命令種類(lèi)能夠達(dá)到16種。附加位則作為保留以便未來(lái)功能的拓展。

5結(jié)束語(yǔ)

目前安控設(shè)備應(yīng)用于火箭、導(dǎo)彈發(fā)射等多方面，其性能要求非常高，改進(jìn)型主字母體制的指令設(shè)計(jì)中，有效的加密方式及帶命令碼、靶場(chǎng)ID、飛行器ID和命令計(jì)數(shù)的指令幀結(jié)構(gòu)，不同飛行器ID使用不同的密鑰的設(shè)計(jì)方式，能夠使得安控系統(tǒng)的保密性、可靠性、低誤指令率、低虛指令率及抗干擾性等性能進(jìn)一步提高，能適應(yīng)多目標(biāo)安控的需求。

參考文獻(xiàn)

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