（通信与信息系统专业论文）电话传真加密系统设计与实现.pdf

中文摘要 近年来，随着电话和传真机的广泛应用，通信安全隐患逐渐显薅出来。对此， 本文提出并实现了一种电话传真加密系统。 针对电话和传真安全方面存在的问题，设计并实现了一种基于3 d e s ( d a t a e n c r y p t i o ns t a n d a r d ) 算法的电话传真细密系统。系统采用单片机作为中央控制 单元；利用f p g a 实现话音信号的加密解密；借助计算机的串行通信接妇与系统 相连，p c 机运行用c + + b u i l d e r 编写的w i n d o w s 程序，用户可以通过此程序输入、 修改密钥。系统密钥长度为2 5 6 b i t ，可以按照规定的时间间隔跳变。采用该系统， 能解决电话窃听所造成的信息泄露等阀题，可用于各个领域的保密通话。经过实 际应用，证明本系统设计合理，运行稳定可靠，符合电话安全产品化酶要求。 电话传真的加密都是通过转发加密后的电话和传真的数字信号实现的。电话 加密是加密压缩后电话语音数字信号，在发送端，把电话话筒产生的模拟语音信 号数字化、压缩、加密后通过调制解调器发送到接收端，接收端把接收到的数据 解密、解压缩，最后转换为模拟语音信号驱动电话听筒。传真加密是加密传真的 报文，传真调制解调器解调出传真的报文，加密后遥过调制解调器发送羁接收端， 接收端解密报文后，把已解密的报文通过传真调制解调器发送给传真。 目前，本系统已经设计完成，经公共交换电话网络( p s t n ) 测试，其传送 话音清晰，传真图文清晰度不下降，并且密钥为2 5 6 b 匕特，每8 秒钟跳变一次。 关键词：电话传寞加密3 d e s 密钥跳变 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h et e l e p h o n ea n dt h ef a xh a v eb e e nw i d e l yu s e d t h e c o m m u n i c a t i o ns e c u r i t yh a sg r a d u a l l yb e e na p r o b l e mf o rt h e i rd e v e l o p m e n t 。i nt h i s t e x t ，t h ed e s i g na n da p p l i c a t i o no fas y s t e mt h a te n c r y p ts p e e c hs i g n a lo rt h ef a xd a t a i sd i s c u s s e d a i m i n ga tt h es a f e t yo ft e l e p h o n ec o m m u n i c a t i o n ，at e l e p h o n ee n c r y p ts y s t e m b a s e do n3 d e sa l g o r i t h mi sd e s c r i b e di nt h i sp a p e r 珏es i n g l ec h i pi su s e da st h e c e n t r a lc o n t r o lu n i ta n df p g ai su s e dt oe n c r y p ta n dd e c r y p tt h ed a t a t h ec o m p u t e r s s e r i a li n t e r f a c ei su s e dt od o w n l o a da n dc h a n g et h e s e c r e tk e y t h es e c r e tk e yo ft h e s y s t e mi s2 5 6 - b i t ，a n dc a nb ec h a n g e dc o n t i n u o u s l y w 池t h i ss y s t e m ，t h ep r o b l e mo f v o i c ed a t ab e i n gs t o l e nc a nb es o l v e d t h i st e l e p h o n ee n c r y p ts y s t e mh a sb e e n i m p l e m e n t e ds u c c e s s f u l l ya n dp e r f o r m sw e l l ，a n dc a l lb eu s e dw i d e l y 髓ee n c r y p f i o no ft e l e p h o n ea n df a xi sa c h i e v e dt h r o u g ht r a n s m i t t i n gt h e e n c r y p t e dd i g i t a ls i g n a lo ft e l e p h o n ea n df a x 。f o rt e l e p h o n ee n c r y p t i o n ，a tt h e t r a n s m i t t e r , a n a l o gv o i c es i g n a l ，f o r mm i c r o p h o n e ，i sc h a n g e dt od i g i t a ls i g n a la n d t h e ni ti sc o m p r e s s e d ，e n c r y p t e da n ds e n tt ot h er e c e i v e rb ym o d e m a tt h er e c e i v e r , i n f o r m a t i o ni sd e c r y p t e da n dd e c o m p r e s s e d 。a n df i n a l l yi ti sc o n v e r t e dt ot h ea n a l o g v o i c es i g n a lt od r i v et h et e l e p h o n eh a n d s e t f o rf a xe n c r y p t i o n ，d a t ar e c e i v e db yf a x m o d e mf r o mf a xi se n c r y p t e da n dt r a n m i t t e dt ot h er e c e i v e r a tt h er e c e i v e r , d a t ai s d e c r y p t e da n ds e n tt of a xb yf a xm o d e m ， t h es y s t e mh a sb e e nv a l i d a t e do nt h ep s t n ( p u b l i cs w i t c h e dt e l e p h o n e n e t w o r k ) i ti si n d i c a t e dt h a tt h ev o i c et r a n s m i t t e di sc l e a ra n dt h a tt h eq u a l i t ya n dt h e s p e e do f t h ef a xi se n s u r e d i tw o n ta f f e c tt h ew o r ko f 也et e l e p h o n e o rt h ef a x k e y w o r d s ：p h o n e ，f a x ，e n c r y p t i o n ，3 d e s ，k e y h o p p i n g 独创性声明 本人声明所里交的学位论文趣本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致潇之处外，论文中不琶含其他人已经发表 或撰写过豁磷究戏果，也不包含为获得盘鲞基堂或其健教育枧构的学位或涯 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：韶主武签字嗍枷7 年二月。圈 学位论文版权使用授权书 本学链论文僚者完全了解蓉鲞盘鲎有关保留、使孀学往论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分志容编入有关数据瘴进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阋。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学霞论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名：囊事嘁 签字同期：砷年月z r 导师躲依狳昔 签字日期：劢 年周乡f 日 天津大学磺士学链论文第一章绪论 第一章绪论 目前，屯话和传真已经在社会的各行备业得到了越来越广泛的应用，电话和 传真通信的安全闻题也越来越受到关注。 l 。王课题背景及其发震 星前，电话和传真已经在社会的各行备业得到了越来越广泛的应用，是传送 结息和牧发文本文锋的一条便捷的途径。曦话霰赞宾都是通过基前全球最普及戆 公用电话交换网p s t n ( p u b l i cs w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r k ) 进行传输，所以无 论是在世界的哪个办公场所，只要拥有一龠电话或者传冀机，就可以收发信息或 者传真。然露，它稻新霾宥嬲保密能力差的弱点墩逐濒暴露窭来了。蠹予是在公 鹣上传输，虽然采取了拨号等防止错谁和被窃听的措施。但当传送电话信息或传 真数据时，其内容完全暴嚣在公网( p s t n ) 上，所以采用些拦截手段，完全可以 把煮用数据拦截下来，著虽恢复。随蔫人们安全意识的提高，其逶信安全闽题成 为了关注的焦点。： 由予p s 硝嗣有的安全性设计缺陷始终茏法得到宥皴地解决，并且在短期内 将没有安全措施煞鹤臻转换戏安全熬p s 谍也是不现实酌，愿且残本也是非常蹇 昂的f l 】。因此，在终端设备( 电话和传真) 上采取加密措施，增强其安全性是比 较好的解决方案。 最早豹电话加密采用倒频技术溺，后来发展频域及时域加密技术，：十越纪 孤十年代开始研制高保密性的数字加密电话技术，现谯，军事及政府机要部门使 用的高保密性豹电话船密设备都已是数字加密电话。但商用的低保密性的加密电 话仍大量应用模拟如密电话技术。其原因是模拟加密电话容易通过现有的模拟电 话信道。但模拟语音信号经过语音编码变成二进制数字信号之后，并不保密，这 是因为：( 1 ) 敌我双方都有语音编解码器；( 2 ) 可直接用普通电话机收听，虽然语 音质量不好，但可醑懂。嚣就，采焉数字加密技术豹热密羧巢最好。传真机瑚峦 予现在市场上的主流产品是三类传真枫，它传送懿数攥本身就是二进制码，因此 天津大学硕学位论文第一章绪论 传真也多是采用数字加密技术。 与模拟加密相比，数字加密有许多优点：( 1 ) 电话语音处理效果好；( 2 ) 加密 运算快；( 3 ) 窃听可懂度低；( 4 ) 密钥量大；( 5 ) 小型化。 对此，本文采用数字加密技术提出并实现了一种电话传真加密系统。 1 2 本文的主要工作和论文结构 本文从上述背景出发，采用基于3 d e s ( d a t ae n c r y p t i o ns t a n d a r d ) 加密 算法，设计并实现了电话传真加密系统。本文完成的主要工作是：设计基于p s t n 的电话传真系统，其中包括系统的硬件设计、单片视软件设计、k 机与系统通 信软件的设计以及蹭泓上的3 d e s 模块的v h d l 设计。文章余缨了该系统的调制 解调器、传真协议、系统硬件结构、单片机软件结构等，并重点对系统的软件实 现作了详细介绍，最后对该设计的成果与不足作了评价。本文分为一下几章： 第一章绪论。介绍了该课题的背景及发展状况，分析了电话传真加密的重要性， 介绍了研究内容及论文结构。 第二章调制解调器。对本系统实现数据收发的关键部分麓o d e m 作一些贪绍， 重点介缨了传真调制解调器在传真加密系统中的功能。 第三章传真通信。简单介绍了目前市场上的主流传真机三类传真机及其所 使用的t 3 0 协议。 第四章系统硬件结构。系统的实现是以硬件为基础的，这部分介绍了电话传真 热密系统的梃絮结构、使雳到麓主要器件，并着重分析了电话接蜀电路 的阻抗匹配等问题。 第五章系统软件实现。这部分是本文的重点，将会详细地阐述系统软件的结构、 系统各个状态的转换、m o d e m 驱动程序、电话传真加密传输的软件实现 流程以及对突发情况采取的保护措施等。 第六章系统使用说明。介绍了弼何操作该系统。 结柬语：对该系统的成果和不足的总结。 天津大学硕士学位论文 第二章调制觯调器 第二章调制解调器 调制解调器即常说的m o d e m ，它是m o d u l a t o r ( 调制器) 与d e m o d u l a t o r ( 解调器) 的简称。主要用于在p s t n 上传输数字信号。由于传输的加密后的话 音信号( 或传真报文) 是数字信号，而电话公用交换网的传输信道是模拟信道， 利用模拟信道传送数字信号必然受到信道频带限制。一般情况下，模拟话路信道 的频率范围是3 0 0 h z - - 3 4 0 0 h z 。因此就需要m o d e m 进行数字模拟信号转换。 2 1 调制解调器 本系统采用了m o d e m 来实现数据信号的调制和解调从而将数据信号转 换为适合在话路信遵中传输的模拟信号，并使其差错率满足要求。它除完成d a 、 a d 变换外，还具有定时、波形形成、位同步与载波恢复及相应的接口控制功能。 利用m o d e m 进行通信的典型系统如图2 - 1 所示。 2 1 兰| 谓 # 1 确 苎= 镕 图2 1典型数据通信系统 数 据 端 在发送端，数据信号通过m o d e m 进行调制，变为适于在模拟信道中传输 的模拟信号，发往信道。在接收端，经a g c 和定时、载波提取，恢复出与控送 端同步的位定时和载波信号，然后进行相干解调、滤波和码变换，还原出发送的 数据信号。 本系统中，在p s t n 模拟信道中的远距离传输数据以及与传真机进行交换数 3 天津大学磺圭学位论文第二章谡铡解谓爨 据都是由m o d e m 来实现麴。 2 2 调制解调器的a t 指令 谲铡髂调器一般都提供指令组，来设定它的通谖、操诈等各种状态，两一般 这些指令都以a t 为前置码，所以一般将这些指令称力“a t 指令【3 j 。 调制解调器的动作，一般区分为指令模式和资料模式，资料模式也称为数据 传输模式。指令模式：即表示与对方调制解调器连上线之前对其输入字元，执行 设定、控制等状态。资料模式：即表示与对方调制解调器连上线之后，对其输入 字元，字元会传送到远方调制解调器。篱易分辨方式为连线前是指令模斌，连接 线后为资料模式。调制解调器必须确认在指令模式下执行指令，不可在资料模式 ，下执行，甭则调制解调器将会把此指令视为资料并传至对方的调制解调器。 当调制解调器在指令模式时，所有的指令之前都必须加入a t 或a t ，传真指 令的格式为： a t + 指令+ 褥 v g s x 2 警( 4 - 1 2 ) i l 。錾 ( 4 1 3 ) 所以 峙酱 ( 似， 令l 爿k o ，r r = r = 1 0 0 q ，考虑到圈4 - 3 中的增益关系， 谗= 糕吐3 纸由舸得 = 急一罴= 2 9 3 4 7 q ( 4 - 1 5 ) 由式( 4 - 1 0 ) 得。 r 丑3 = 2r fx1 3 6 3 = 2 7 2 6 q ( r f = 1 0 0 f d ( 4 - 1 6 ) 由式( 4 1 1 ) 得 盱麓氟7 q似忉 为了尽量减小r , a 和对并联电阻r 2 的影响( r l 、r 2 是戈了实现增益匹配) ， 将如l 、r z o l 、r f 的阻值( 阻抗) 均扩大1 0 0 0 倍即得到了图禾3 中的 电路阻值。这样即实现了阻抗匹配。 在图4 - 3 中，t x 端的输出电压中含有r x 端的输入电压，这样会形成回波， 对传输的信号产生干扰，需要从t x 中舍有的r x 分量抵消捧，否则会会对话音信 号产生很大影响。本系统是由后面电路t p 3 0 5 7 中的放大器( 即图4 - 3 中的g s x 放大器) 来实现抵消的。 天津大学磺学位论文第四章系统硬佟结构 4 3 3p e m 编码解码器t p 3 0 5 7 由于f p g a 是对数字信号加密，而话音信号是模拟信号，因此需要对话音信 号进行p c m 编码或解码。本系统采用t p 3 0 5 7 实现a 律p c m 编解码。它可餍时 实现两路信号的编解码，还附带有高低通滤波器】。 4 3 4 语音压缩芯片d s 2 1 6 5 从p c m 编码器嵩来的语音信号速率为6 4 k b i t s ，丽数据m o d e m 的传输速 率只有2 1 6 0 0 b i t s ，所以必须把语音信号压缩以薏再进行传输。因1 毙本系统采用 对其先压缩编码，再加密传输的处理方法。 本系统采用芯片d s 2 1 6 5 对语音数据作压缩和解压缩处理。它采用简单的串 行接口，易于控制，可同时实现两路a 律p c m 编码信号的压缩与解压缩f 1 2 】。 d s 2 1 6 5 有三种可选的语音数据压缩速率，分别为3 2 k b i t s 、2 4 k b i t s 和1 6 k b i t s 。 其孛，3 2 k b i t s 采震是c c i t t 嚣g 7 2 1 黧a n s i 的t 1 。3 0 1 压缩标准；2 4 k b i t s 采 用是a n s i 的t 1 3 0 3 压缩标准；焉1 6 k b i t s 采用是d a l l a s 公司自主开发的一 种语音压缩算法。由于m o d e m 的较低的传输速率的限制，本系统选择的是 1 6 k b i t s 的压缩速率。 4 3 。5 调制解调器( m ) 由于模拟电话公用交换网的传输信道是模拟信道，因此需要对数据信号进行 调制和解调，将数据信号转换成适合在话路信道中传输的模拟信掣”。本系统使 用m 5 6 r s t v 3 模块来完成此项功能。m o d e m 与单片机连接原理图如图4 5 所 示。 天津大学硕士学位论文 第四苹系统硬件结构 传真m o d e m d s 8 9 c 4 2 0 e x d + p 3oc r x d 0 l t x d 一p 3in x d 0 1 数据m o d e 【) c d 盛 交换机 图4 5 单片机与传真m o d e m 咀及数据m o d e m 的连接原理图 其中传真m o d e m 与本地传真相连，数据m o d e m 通过交换机与远端数 据m o d e m 相连。两个m o d e m 的r x d 和1 如分别接单片机的两个串口。p 14 连接d c d ( 载波检测) 低电平表示本地m o d e m 接收到远端m o d e m 发来的 载波信号，而高电平表示与远端的m o d e m 断开连接。p i5 连接r i ( 振铃指示) ， 低电平表示本地m o d e m 收到远端m o d e m 拄来的振铃信号。在传真加督系统 中还需要加入一个传真m o d e m 。它是用来转发传真控制信号指令和传真格式的 数据。由于传真m o d e m 只是本地连接，因此不需要传送载波检测和振铃指示 信号，即d c d 与r i 不需要与单片机相连。在前面的章节中已经对两种调制解调 器( m o d e m ) 进行了详细的介绍。 4 3 6f p g a 本系统中f p o a 有多个任务。f p g a 主要任务是对电话的语音数据进行加密 解密，另外e p g a 还对语音编解码和压缩芯片进行控制以及产生电话传真机需 要的一些信号音。f p o a 与单片机和外围电路的连接如图4 - 6 所示。 j j j卿m ： 天津大学硕士学位论文 第四苹系统硬件结构 单片机 。一c l k w r + i nr 图4 - 6f p g a 与单片机连接原理图 舀音编解 码和压缩 芯片 f p g a e 为f p g a 的工作状态选择信号，高电平使f p g a 工作于空闻状态， 这个状态下单片机可以向f p g a 写密钥，低电平使f p g a 工作于加密解密状态。 w _ r 为f p g a 的读写控制信号，高电平表示读低电平表示写。c l k w r 为读 写时钟。加密或解密完成后，i n t 产生中断( 高电平有效) 。s e l 0 和s e l l 用于 选择提供绐电话传真的各种信号音，使得i = 4 5 0 向h c 5 5 0 3 输出不同的波形，使 得用户在电话听筒中听到不同的信号音。 f p g a 中的加密解密模块用3 d e s 方法，有资料证实3 d e s 比d e s 更难破解 被破解的可能性几乎为零，因此