（计算机软件与理论专业论文）通用pstn安全电话的研究与实现.pdf

y 6 547 3l 通用p s t n 安全电话的研究和实现 计算机软件与理论专业 研究生胡晓勤指导教师伍良富、李涛 p s t n 电话已经在全球普及，渗透到社会生活的各个角落。由于p s t n 网 络的设计缺陷，其安全性问题目益突出，特别是在些敏感部门，如政府、军 队等安全问题更加尖锐。窃听、冒充、否认和语音模仿攻击给用户造成了巨大 的损失。 到目前为止，世界范围内的p s t n 供应商已经投入了巨大的成本，包括建 设、维护骨干网和用户环路。在短期内将没有安全措施的p s t n 转换成安全的 p s t n 是不现实的，而且成本也是非常高昂的。因此，在目前p s t n 的基础上， 增强其安全性是比较好的解决方案。 本文分析了目前p s t n 的安全问题和已有的解决办法，提出了种新的解 决办法一安全电话系统。安全电话系统提供了完整的安全服务：保密性、身 份认证、完整性、抗抵赖性等。该系统不仅可用于p s t n ，也可用于其它和p s t n 类似的基于电路交换和网络本身没有保密的系统。 具体来说，本文做的主要工作如下： 1 ，提出了通用p s t n 安全电话系统的整体解决方案： 2 提出了语音加密的方案； 3 提出了p k i 运用于安全电话系统中的问题，改进了现行的p k i 体制， 提出了轻型p k i 及相关的两个支撑方法，小团体原则和主动c r l 方法； 4 提出了电话通信双方身份认证及会话密钥交换的方案； 5 研究了c r l 更新问题，提出了主动c r l 方法及更新协议； 6 利用保密电话的信道复用解决c r l 的更新问题； 7 给出了通用p s t n 安全电话终端设计方案； 8 研究了安全电话终端实现平台，并选择了实验平台： 9 利用通用微型计算机平台，在l i n u x 操作系统上，设计并模拟实现了 安全电话终端电话； 1 0 测试了安全电话终端。 安全电话系统有着广阔的应用前景，如军队、政府、党务和大型企业等。 安全电话终端有较好的商业价值，主要设计思想和方法已经申请专利，己通过 初审，申请号为0 3 1 1 7 8 4 2 1 。 关键词：安全电话安全电话系统p s t n 安全电话轻型p k ip s t np k ic a c r l 更新h 3 2 4h 2 3 4 语音压缩密码技术密钥交换智能卡l i n u x 嵌入式 系统 t h er e s e a r c ha n d i m p l e m e n t i o no f g e n e r a ls e c u r e t e l e p h o n e f o rp s t n m a j o rc o m p u t e rs o f t w a r e & t h e o r y s t u d e n th u x i a o q i n a d v i s o rw u l i a n g f u ，l it a o p s t n t e l e p h o n e h a sb e e na w i d e s p r e a da n dc o m m o nu t i l i t yi nt h ew o r l d i ti sa p a r to fo u rs o c i a ll i v e s h o w e v e r , b e c a u s eo ft h ep s t nd e s i g nf a u l t st h es e c u r i t y p r o b l e m sh a v eb e c a m em o r ea n dm o r es e r i o u s p a r t i c u l a r l y , i nt h o s e i m p o r t a n t d e p a r t m e n t ss u c ha sg o v e r n m e n t sa n dm i l i t a r yd e p a r t m e n t s ，s e c u r i t yp r o b l e m sa r e m o r es e v e r e w i r e t a p p i n g ，i m i t a t i n ga n dd e n y i n gh a v ec a u s e dg r e a tl o s s e so fg l o b a l u s e r s u pt on o w , p s t np r o v i d e r sh a v ei n v e s t e dal o to fc o s t si n b u i l d i n ga n d m a i n t a i n i n gt h e i rb o n en e t w o r k sa n ds u b s c r i b e r sc y c l ec i r c u i t i ti si m p o s s i b l et o t r a n s f o r mp s t ni n t os e c u r ep s t n r i g h tn o w , f u r t h e r m o r e ，t h ec o s tm u s tb ev e r y h i g h s o ，e n h a n c i n gt h es e c u r i t yo f p s t n i saf e a s i b l es o l u t i o n t h e s e c u r i t yp r o b l e m sa n ds o l u t i o n se x i s t e da r ea n a y s i s e di nt h i sp a p e r a n da n e ws o l u t i o n s e c u r e t e l e p h o n es y s t e m i sp r o p o s e d s e c u r et e l e p h o n es y s t e m p r o v i d e si n t e g r a t e s e c u r i t ys e r v i c e s ：c o n f i d e n t i a l i t y , a u t h o r i t yc e r t i f i c a t i o n ， i n t e g r a l i t ya n da n t i d e n y i n g t h i ss y s t e mi sa p p l i e di nn o to n l yp s t nb u ta l s o o r 一s e c u r i t ys y s t e mb a s e do nc i r c u i ts w i t c h e dn e t w o r k s s p e c i f i c a l l y ，t h ec o n t r i b u t i o n so f t h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 ，an e wa n di n t e g r a t es o l u t i o nf o rg e n e r a ls e c u r et e l e p h o n ef o rp s t ni s p r o p o s e d 2 as o l u t i o nf o rv o i c e e n c r y p t i o ni sp r o p o s e d 3 t h ei s s u eo fa p p l y i n gp k it op s t ns e c u r et e l e p h o n es y s t e mi s p r o p o s e d a n dt h ec u r r e n tp k ii s i m p r o v e d a tt h e s a n l e t i m e ，l i g h tp k ia n di t s s u p p o r t e dt o wp a r t si n c l u d i n g s m a l l g r o u pp r i n c i p l ea n da c t i v e c r l m e t h o da y eg i v e n 4 a u t h o r i t yc e r t i f i c a t i o na n ds e s s i o nk e ye x c h a n gp r o t o c o li sg i v e n i j i 5 c r lu p d a t i n gp r o b l e mi sr e s e a r c h e da n dt h ea c t i v ec r l m e t h o da n di t s p r o t o c o la r eg i v e n 6 t h e p r o b l e mo fc r lu p d a t i n gi ss o l v e db y c o m p l e x i n g c h a n n e l 7 t h ed e s i g no ft e r m i n a le q u i p m e n to f g e n e r a ls e c u r et e l e p h o n ef o rp s t ni s p r e s e n t e d 8 p l a t f o r m sf o r s e c u r i t yt e l e p h o n e a r er e s e a r c h e da n da n e x p e r i m e n t a l p l a t f o r mi sc h o i c e d 9 as e c u r et e l e p h o n et e r m i n a li sd e s i g n e da n d i m p l e m e n t e db a s e do np ca n d l i n u xo p e r a t i o n s y s t e m 】0 t h et e r r a i n a lh a sb e e nt e s t e d s e c u r i t yt e l e p h o n es y s t e mh a sag o o dc h a n c eo fw i d ea p p l y i n gt og o v e r n m e n t s m i l i t a r yf o r c e s ，p a r t yb r a n c h e sa n dg i a n tc o m p a n i e s ，t e r m i n a le q u i p m e n to f s e c u r i t y t e l e p h o n eh a sg o o dc o m m e r c i a lv a l u e s t h em a i ni d e a sa n dm e t h o d sa r ea p p l i e dt o c h i n e s eg o v e r n m e n tf o r p a t e n t ，a n d t h e a p p l y i n gs e r i a ln u m b e r i s0 3117 8 4 2 1 k e y w o r d s ：s e c u r et e l e p h o n e ，s e c u r et e l e p h o n es y s t e m ，s e c u r et e l e p h o n ef o r p s t n ，s e c r u et e l e p h o n ec o m m u n i c a t i o n ，s e c u r ec o m m u n i c a t i o n ，l i g h tp k i ， p s t n ，c a ，c r lu p d a t i n g ，h 3 2 4 ，h 。2 3 4 ，v o i c e c o m p r e s s i o n ，e n c r y p t i o n t e c h n o l o g y , k e ye x c h a n g e ，s m a r tc a r d ，l i n u x ，e m b e d e ds y s t e m 川i i 人学坝 二学位论文 通用p s t n 安全电话的研究和实现 1绪论 1 1 背景 自从1 8 6 7 年贝尔发明电话到今天，电话在全球范围内普及，有着非常广泛 的应用，已经渗透到社会生活的各个角落。政府、军队、公司、学校等机构和 个人依靠电话进行交流和协作，可以这样说，离开了电话，社会生产效率和生 活水平都会降低。因此，电话在社会生活中起着不可替代的作用。 但是，由于p s t n ( 公众交换电话网络，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 ) 网络的设计缺陷，其安全性一直是社会各界关注的问题。每年，电话泄密事件 不计其数，给用户造成了巨大的损失，同时也使得运营商成本上升。世界各国 p s t n 电话运营商已经给这个网络进行了巨大的投资，包括数字骨干网和模拟本 地环路。运营商和用户不可能立即完全放弃p s t n 这种成熟和便宜的技术而采 用更安全的全数字网络及相应的安全技术。所以，在现有p s t n 网络基础上， 进一步加强其安全性在技术上和实际应用上是一个可行性、经济性都比较好的 办法。 p s t n 网络区别于分组交换网络的重要特征之一是其使用电路交换，服务质 量有保障。而正是由于这个特性和使用明文传输语音和数据，p s t n 电话更容易 受到攻击。最常见和最有效的攻击方法是本地环路搭线窃听和运营商非法监听， 还有冒充、否认和声音模仿攻击。 1 2 课题来源 本课题是李涛教授主持的四川大学计算机网络与安全研究所( n i s e c ， h t t p ：c s s c u e d u c r d n i s e c ) 的众多安全类课题之一。n i s e c 长期致力于计算机网 魍川大学硕l 学位论文 络与安全、电子商务电子政务、智能信息系统等领域的理论与技术的研究，研 制成功c a 认证中心、新型智能防火墙、i d s 、安全v p n 、安全电子邮件系统、 安全w e b 服务器、灾难紧急救援系统、多功能网络安全服务器、国库直接支付 系统、政府采购系统等八大系列1 0 多个产品，应用范围遍及全省各地市州县乡 镇。 除此之外，四川大学计算机网络与安全研究所也开始关注传统通信领域内 的安全问题，并做了大量的工作。本文是n i s e c 在传统p s t n 通信领域研究课 题之一。 这些产品的研发成功标志着我们在网络安全理论以及应用的研究上都取得 了重要的进展，如专家所评“不仅具有大的理论意义，同时具有广阔的应用前 景”。 1 ，3 国内外研究现状 针对p s n 4 网络安全问题，国内外学者和工程技术人员做了大量的工作， 提出了各种各样的方案。其中最主要的有两种： 一是采用建设专门电话网络或者租赁专用线路的解决方案。这样可以达到 一定的保密程度，但是，仍然不能防止线路窃听，而且，成本开销巨大。一个 典型的例子是军用电话网络，其和公众电话网络分离，只有有限的、受控的节 点和公众电话网络相连。这种结构可以最大限度的防止公众电话网络用户对军 用电话网络的攻击，但是，却不能防范来自内部的攻击。而来自内部的攻击威 胁更大，破坏力大。 二是采用普通电话机与通信加密机协同工作的解决方案。通常，这种通信 加密机是基于对称密钥的保密传输设备，其弱点是每次使用相同的密钥，一旦 一次通讯被破解，则所有的通讯都被破解，这样安全风险就很高；而且，由于 对称密钥的密钥管理先天不足，要达到足够的安全性，必须在一个周期时间后 更换所有用户密码，这使得密钥的管理成本很高，无法满足党政军这种大规模 的应用：同时，由于其工作模式需两种设备配合使用，成本高( 数万元一台) ， 心川大学硕l 学位论史 使用复杂，难以规模应用。 1 4 本文工作 本文的工作是在研究目前电话安全问题及安全类电话的实现方案后，提出 了一种能够同时进行身份认证和语音保密通信的方案，同时研究了安全电话系 统的信道复用问题和小团体c r l 传播问题，提出了解决方案。具体来说，本文 工作如下： 1 提出了通用p s t n 安全电话系统的整体解决方案； 2 给出了通用p s t n 安全电话终端设计方案： 3 提出了语音加密的方案： 4 提出了p k i 运用于安全电话系统中的问题，并根据具体需要，改进了现 行的p k i 体制，提出了轻型p k i 及相关的两个支撑方法，小团体原则和 主动c r l 方法； 5 提出了电话通信双方身份认证和会话密钥交换的方案； 6 研究了c r l 更新问题，提出了一个新的c r l 更新协议； 7 利用安全电话的信道复用解决c r l 的更新问题； 8 研究了智能电话的软件、硬件实现平台，选择了实验用软硬件平台。 9 利用通用微型计算机平台，在l i n u x 操作系统上，设计并模拟实现了保 密电话。 1 5 论文结构 本文主要论述p s t n 电话通信的安全问题及解决方案、实现，并介绍了相 关理论、技术、运用模式等。论文结构如下： 第一章，讲述课题背景、来源、国内外研究现状、论文工作和论文结构。 第二章，介绍目前p s t n 电话结构、数字通信、p k i 体制、数字通信保密 l 世川大学硕士学位论文 理论、原有解决方案；引入p k i 体制到安全电话系统架构中，简 述了安全电话通信的典型过程。 第三章，提出安全电话终端架构，介绍h 3 2 4 协议簇及密钥管理协议 h 2 3 4 、语音信号处理、语音信号保密处理技术，如密码技术、 混沌技术、替音技术，调制解调器技术和智能卡技术等安全电话 终端使用的理论和技术。 第四章，提出安全电话系统、终端的设计方案，具体涉及现行p k i 结构的 改进、c r l 发布的新方法及协议、硬件平台的研究及实验平台的 选择、软件平台的选择、语音编码算法的选择、密码算法的选择、 安全电话终端软件设计。 第五章，介绍安全电话终端的程序实现，包括总体结构和各部分的具体实 现。 第六章，总结全文、展望未来。 2 安全电话系统架构 2 1 现行p s t n 系统架构 p s t n ( p u b l i c s w i t c h e d t e l e p h o n e n e t w o r k ) ，即“公共交换电话网”。图2 1 所示为一个p s t n 网络的典型结构图。在p s t n 网络中，首先，它的交换设备 不属于任何特殊的用户，而是属于服务提供商；第二，这个网络是“交换”的， 即两个电话用户之间的联系是通过电路交换实现的。 在p s t n 网络中传输话音信息时，话音信号首先要经过电话转换为电信号， 以便在p s t n 中传输。电话输出的电信号再与一个本地交换局( 或称中心局) 相连，因此，电话用户与中一t l , 局之间的联系通常就被称为本地环路。本地环路 一般由两根铜线互相绞合构成的双绞线。在双绞线上，话音信号可以双向传输， 即双绞线对话音来说是全双工传输的。 图2 1p s t n 的典型结构 对于本地环路来说，它的一端与用户电话相连，而另一端与中心局相连。 中心局可以看作是p s t n 网络的一个节点，完成网络的设置、维护、运行和操 作等功能。中心局之间由局间干线相连，干线的长度可达数千公里，由干线组 嘎川大学硕卜学位论文 成的网络通常叫做骨干嘲。中心局必须完成本地环路、干线及其他服务电路之 间的交换，它早期主要采用人工控制的纵横制交换机，而当前主要是计算机控 制的程控交换机。 根据p s t n 系统的结构，显然可以把p s t n 分解为接入、交换和传输三个 部分。从用户到中心局之间为接入段，中心局之问采用干线传输，不同层次的 中心局则必须完成不同层次的交换功能。 在早期的p s t n 中，在本地环路和干线中传送的都是模拟的话音信号。但 是模拟的传输系统易受到噪声的干扰，对温度等环境变化敏感，而且各种干扰 在多个中一c 、局之间转接时还有积累的效应。因此，为了提高p s t n 系统，尤其 是长途p s t n 业务的质量，需要对p s t n 网络进行数字化。然而，由于供应商 和用户在本地环路和模拟电话机上的巨大投资，使得“全数字”电话通信在“最 后一公里”进展缓慢。因此形成了目前的交换与传输是数字方式，而接入是模 拟方式的格局。 2 2p s t n 语音信号的数字化传输 为了进行语音信号在数字骨干网上的传输，首先要把模拟的语音信号变成 数字信号，由于用户接入是模拟方式，所以语音信号的数字化一般在中心局端 完成。数字化过程包括对模拟信号时间的离散化以及幅度上的离散化。其中时 间离散化的过程叫做采样：幅度离散化的过程叫做量化。通常，在中国和欧洲 使用6 4 k b p s 的a 律，而在北美，则使用5 6 k b p s 的u 律。 中心局在完成语音信号的数字化之后，还要把多路话音信号集合起来，通 过干线传送到另外的中一心局。这种把多路较低的数字语音信号集合为高速数字 信号的过程，叫做复接。复接的主要方法是频分复用和时分复用。目前的数字 p s t n 系统都是采用时分复用的方法，把整个信道划分为很多时隙，每个时隙对 应于一个特定的连接。考虑到每路数字语音信号的速率是6 4 k b p s ，因此，复接 后的传输速率是6 4 k b p s 的整数倍。 从交换的角度来看，电话网络中的交换都是属于电路交换的范畴，即电话 四川大学颂，l ，学位论文 网络任意两点之问的通信都需要有专用的传输通道相连。这种电路交换方式， 对于语音传输是适用的，使用户双方的语音数据有很好的实时性和q o s 保证。 2 3 数字通信保密 在模拟技术时代，人们提出这样的方法：将语音信号以频域、时域、振幅、 二维等方法加窗、置乱，然后发送出去。实践证明，这种方法的保密性较低， 语音信号剩余理解度较高，达不到保密要求，并且对线路质量要求高。随着数 字技术的发展，数字通信保密技术逐渐取代模拟保密技术，两者相比，前者具 有如下的一些特点： 1 由于数字通信中首先要对模拟信号进行数字化，使得信号的加密解密更 容易，其加密强度容易做得更高，对语音质量的影响较小； 2 数字加密采用比特连续加密算法，加密速度快，对信号的加密时延较小； 3 加密后的密文信号己无语音信号的基本特征。而模拟加密体制即使加密 后的密文仍然残存有语音信号的部分特征，对于经过特殊训练的人员可 能从中获得有用的信息； 4 数字加密既可以对单路信号加密，又可以对群路信号加密，而模拟加密 一般只能对单路信号加密； 5 数字加密的独立密钥量在理论上可以做到无限大。而模拟加密体制由于 受到语音恢复和解密后的语音可懂度等条件的限制，其密钥量不可能做 得很大： 6 由于数字信号处理技术和微电子技术的发展，使得数字加密设备易于实 现，并且小型化； 7 数字加密体制易于实现通信网络加密。在密钥管理方面，可以实现密钥 的自动分配，使得在通信网保密系统中，基本可做到“一次一密”。 把语音信号转化为数字信号加密后，通过网络传输，在另一端解密，就可 以实现安全电话通信。 四川大学硕：七学位论义 2 4 现有安全电话系统架构 安全电话系统必须对语音进行保密处理，所以，没有保密手段的专用网络 解决方案并不在安全电话讨论的范围内。根据加密方式的不同，现有安全电话 系统主要分为两种：一种以端到端加密为基础，使用现有的电话网络，不论是 有模拟环路的p s t n 还是完全的数字电话网络，如 s d n ；另一种以网络通信保 密技术为基础，要求使用完全的数据电话网络和数字电话机。而其二者的结合， 衍生出第三种，但这一种并不是目前主流方法。具体方式如下： 端到端加密，它是从用户到用户或从终端到终端的加密通信。中间不再加 密或也不解密，故称之为端到端加密通信，这种加密通信方式适用于点对点通 信单路数字保密电话通信。其特点是完全由用户自己直接控制加、解密。其缺 点在于：用户终端不宜做得太复杂，保密性不会太高；只能与密钥相同的同类 保密机进行通信。 网络加密，各种需要加密的信息，数字化后复接到各次群路，然后，对这 些群路数字序列进行数字加密，在接收端再解密为群路信号。这样可以很经济 的完成线路传输中信息保密任务。线路保密机的保密强度一般都很高。其缺点 是：用户电话机到线路保密机之间的线路是不保密的。 混合加密，把用户加密和线路加密结合使用，称之为混合加密。这种加密 方式可以综合上述两种方式的技术优点。 2 4 1 端到端加密架构 如前所述，端到端加密是通信双方将信号加密、解密，而和网络是否加密 无关，完全由用户控制。这种方式的好处是可以在全世界任何提供p s t n 电话 的地方使用，而不依赖于具体的网络提供商，其系统架构如图2 2 所示。 由图2 2 ，可以清楚的看到，用户可以通过所有基于电路交换的网络，如卫 星电话如依星电话、国际海事电话，移动电话如g s m 、c d m a ，p s t n 进行保 密通信。其安全服务由安全电话终端提供，而不依赖于网络，网络供应商不知 o q 川人学硕 一学位论史 道也不可以控制用户之间进行的安全电话通信。端到端系统的优秀代表是美国 提出的s t u i l l ( s e c u r et e l e p h o n eu n i t s t h i r dg e n e r a t i o n ) 系统。8 0 年代早期， 美国国家安全局( n a t i o n a ls e c u r i t y a g e n c y ) 发起了一个开发计划，最终导致了 s t u i i i 的产生。其核心技术是： 图2 2 端到端系统架构图 1 甚低比特率语音编码，如9 6k b p s 全双工m r c e l p 、4 8k b p s 全双工 r c e l p 、4 8k b p s 全双工c e l p 、2 4k b p s 全双工l p c 一1 0 e 、2 4k b p s 半双工l p c 一1 0 e 等。 2 语音数字语音加密，使用d a c e 密码算法和b e l ll a b o r a t o r i e s 专有密码 算法。 3 密钥交换技术，可使用基于公钥的密钥交换、私有密钥和带认证的公钥 技术、c r y p t oi g n i t i o nk e y 密钥交换a 4 调制解调技术，使用v 3 2 、v 3 4 ； 可以这样说，端到端加密架构是一种分布式的系统，具有分布式天然的优 点，使用安全电话系统和电话网络之间的耦合程度减少。在这种架构下，每个 使用安全电话的用户只和接收安全电话呼叫的用户有关，而和系统中的其它用 户和其它系统无关，即使一个安全电话系统被攻破，也不会波及整个安全电话 9 四川大学硕上学位论文 系统。而且，只要电话供应商的网络不完全崩溃，这种分布式系统仍然可以发 挥作用。 这种系统的重点在于电话终端的设计，从而对电话终端的要求较高，直到 最近，一台功能简单的安全电话终端，如m d l4 1 0 0 全功能桌面终端要价接近 4 0 0 0 美元。对于一般的用户来说，是个不小的开支，而对于政府、军队这种敏 感机构来说，则是可以接受的。 s t u - i i i 在美国和加拿大使用范围很广，主要用于政府、军队和民用通信。 可以用于保护政府机关的机密话音数据信息的通信安全和非机密但又敏感的 政府信息的通信安全。也可用于军队战术通信。其终端供应商由美国政府指定， 分别是a t & t 、通用电器( g e ) 和摩托罗拉。其出口必须得到美国国家安全局 的批准。 2 4 2 网络加密架构 网络加密的基础是全网络的数字传输，包括通常所说的骨干网络和用户环 路都要全部数字化。同时还需要其它的支持设备： 1 用户终端设备，如数字传真机、电话机、保密电话机等： 2 数字时分多路终端或复接器，如多路电话集中器、数据复接器等； 3 数字信号交换设备等。 没有使用模拟信号的用户环路，对语音的加密处理就变得很容易了，所以 有了全网络的加密，其系统架构如图2 3 所示。 网络加密系统的组成是： 1 数字安全电话机，它是网络加密系统中的主要通信终端设备。为了与数 字交换机协调工作，一般采用6 4 k b p s 速率p c m 编码，并具有数字加解 密和密钥存储能力。与交换机之间采用数字接口。 2 数字交换机，这是网络加密系统中的核心，除了具备一般交换机的信令 检测、信息交换等功能外，还有一个与密钥分配设备连接的数据通信接 口，通过该接口交换机可以将主被叫用户号传送给密钥分配设备，密钥 分配设各同时可以通过该接口，向主被叫用户的数字安全电话机、数字 四川火学坝l 学也论文 安全传真机等分配会话密钥。 3 密钥分配设备，主要负责网络中保密机会话密钥的自动分配工作，主要 完成如下功能：向数字安全电话机自动分发密钥；按计划向群路保密机 分配会话密钥：会话密钥的产生及随机性检验，主要产生用户数字安全 电话机、数字安全传真机的会话密钥；接收、存储群路保密机的会话密 钥和相关用户的主密钥：通信用户的身份鉴别； 4 密钥管理与分配中心，是密钥控制的核心，全网密钥系统的运行均在其 协调控制下完成。 图2 3 网络加密系统架构图示出了系统中一个逻辑安全单元，通常，这个单 元可能是一个本地中心局。通过这个单元，用户可以和本单元及本单元之外的 用户进行安全电话通信。 其它 系统 图2 , 3网络加密系统架构 相比端到端加密架构，网络加密架构特点明显： l 终端设备和网络设备一起，组成安全电话系统，都必须加密解密，加 密解密是分段进行的，如安全电话机和群路加密机之间、本地群路加 密机和远程群路加密机之剧。每一阶段的加密解密的密钥不同，需要 密钥分配设备分配不同的密钥。整个加密结构呈现出树形a 2 网络对用户进行鉴别，用户的身份、密钥保存在网络密钥管理中心。用 四j l i 大学顺士学位论文 户不对网络进行鉴别。 3 密钥分配、管理和网络层次相对应，中心局和用户之间需要一层密钥分 配、管理机构：中心局之间需要另外一层密钥分配管理、机构。 网络加密架构的优点是 1 安全电话终端设备的复杂度、成本大大降低。 2 用户使用相当方便，几乎不用为密钥管理、身份认证等安全服务操心， 和普通电话操作非常接近。 3 全网数字方式加密话音质量好。 4 方便国家安全机构进行合法的监控。 然而，这些好处的获得不是没有代价的，相反，其实现代价还非常大，而 且，网络加密架构还有若干的缺点： 1 系统有关节点。加密结构、密钥分配结构呈树形，必然有一个根结点来 管理、分配密钥。这对于安全电话系统来说，是一个致命的隐患。特别 是如果根节点崩溃，则整个系统就全部瘫痪，从而导致可用性下降。 2 有非法监听的漏洞。如果网络供应商对用户进行非法监听，用户没有办 法知道。 3 整个系统负荷量大。由于进行全网络加密，而加密是非常耗资源的操作， 在用户呼叫数目较多时，加密解密操作很容易消耗完系统资源，使系 统可用性下降。 4 系统固定投资大，运营成本上升。网络加密架构下，不仅网络设备要完 全更新换代，而且用户必须将模拟电话机更换成数字电话。由于有密钥 分配、管理中心的存在，网络提供商必须进行维护，保证正常运行，则 显然增加了运营成本。 由于网络加密架构的优点和缺点，在实际运用中并没有得到大规模的普及， 只有经济势力雄厚的政府、军队采用这种架构，商用市场则几乎没有。 【7 u 川大学坝 学位论殳 2 ，5 p k i 体制 p k i ( p u b l i ck e yi n f r a s t r u c t u r e ) ，公钥基础设施，就是提供公钥加密和数字 签名服务的系统，目的是为了管理密钥和证书，保证数字信息传输、存储的机 密性、真实性、完整性和不可否认性。 从广义上讲，所有提供公钥加密和数字签名服务的系统，都可叫做p k i 系 统，p k i 的主要目的是通过自动管理密钥和证书，可以为用户建立起一个安全 的网络运行环境，使用户可以在多种应用环境下方便的使用加密和数字签名技 术，从而保证网上数据的机密性、完整性、有效性( 数据的机密性是指数据在 传输过程中，不能被非授权者偷看：数据的完整性是指数据在传输过程中不能 被非法篡改；数据的有效性是指数据不能被否认) 。一个有效的p k i 系统必须是 安全的和透明的，用户在获得加密和数字签名服务时，不需要详细地了解p k i 是怎样管理证书和密钥的。 使用公钥技术平台，建立安全通信信任机制的基础是：任何需要提供安全 服务的通信都是建立在公钥的基础之上的而与公钥成对的私钥只掌握在它们与 之通信的另一方。这个信任的基础通过公钥证书的使用来实现。公钥证书就是 一个用户的身份与他所持有的公钥的结合，在结合之前，由一个可信任的权威 机构，即c a ( c e r t i f i c a t ea u t h o r i t y ) 来证实用户的身份，然后可信任的c a 对 该用户身份及对应公钥相结合的证书，进行数字签名，以证明其证书的有效性。 p k 体制包括如下几部分： 1 认证机构( c a ) ：证书的签发机构，是p k i 的核心，是p k i 应用中权 威的、可信任的、公正的第三方机构。 2 证书库：是证书的集中存放地，提供公众查询。 3 ，密钥备份及恢复系统：对用户的解密密钥进行备份，当丢失时进行恢复， 而签名密钥不能备份和恢复。 4 证书作废处理系统：证书由于某种原因需要作废，终止使用，这将通过 证书作废列表c r l 来完成。 5p k i 应用接口系统：是为各种各样的应用提供安全、一致、可信任的方 式与p k i 交互，确保所建立起来的网络环境安全可信，并降低管理成 四j i i 大学硕 学位论文 本。 2 6 安全电话系统架构 本文综合比较端到端加密架构和网络加密架构的优点、缺点，提出一个新 的安全电话系统架构： 1 采用端到端加密方式处理语音信号。 2 引入p k i 体系提供完整的安全服务。 3 安全电话通信不需要第三方参与。 4 安全服务由安全电话终端和用户个人数字证书提供。 要实现安全电话系统，必须开发新的安全电话终端、增加新的运行协议和 改进目前p k i 运行模式。 2 6 1选择端到端加密架构 如前所述，使用网络加密方式，这种方法要求对现有的电话网络进行根本 性的改造，成本高昂，所以这种方法没有得到普遍应用。即使不考虑成本，本 文要在相对短时间内完成网络设备、终端设备、密钥管理分配设备的设计与实 现，是不可能的。 立足于现有p s t n 网络，在商用电话网上传输加密语音信号，将为用户节 约大量的固定投资和后期运营费用，所以本文选择了用户加密方式，提供终端， 在结构上将加密和传输功能分开。而且，随着，集成电路技术的不断发展，终 端的固定成本一定会降低，满足用户的要求。 在p s t n 网络上进行保密通信的基本原理是：首先对用户进行身份认证和 密钥交换，成功之后进行语音信号保密处理。 语音信号保密处理，首先将语音信号转化为数字信号，然后进行保密处理， 最后转化成模拟信号进入本地环路，在中心局转换成数字信号发送，从而实现 保密通信。要使这种方案成为可能，必须使用数字密码技术及相应的密码管理 叫川人学坝l 学位论义 技术。 所以，安全电话系统运行结构和p s t n 典型结构就非常相似，只需要把图 2 1 中的电话替换为安全电话终端即可。这种模型也和i n t e m e t 上的v p n 模型相 似。 2 6 2 引入p k l 体制 安全电话之所以成为安全电话，就必须满足下面的安全服务：保密性、身 份认证、完整性、抗抵赖性等。p s t n 网络提供的信道是不安全的，如果要把现 行的p s t n 网络改造成安全网络，不论在经济效益还是国家政策上，都是不可 行的。因此，要提供安全服务，只能够在现有基础之上，不对p s t n 网络进行 改动，而只对电话终端进行改进，由此来提供安全服务。 为了能够提供完整的安全服务，本文引入p k i 体系完成身份认证、密钥交 图24 安全电话系统架构 换、抗抵赖等功能。引入p k i 体系后的安全电话架构如图2 4 安全电话系统架 构。 在图2 4 安全电话架构图中，p s t n 成为承载安全服务的n _ e a q z = 6 。安全电 话系统管理员、用户、数字证书、c r l 列表和安全电话终端组成了安全电话系 四川大学顾卜学位论文 统。这个安全系统，目前设计为一个半封闭的系统，即不提供和其他安全电话 系统的互通和互操作功能。所以其并不适用于个国家、地区和行业的用户无 分级的大规模用户应用，而只适用分级的政府部门内部、军队、公司、团体、 学校小规模用户应用，也就是说，把大规模用户按安全等级划分成小规模用户。 设计这样一个小规模半封闭系统，主要原因是为了提高系统内部通信的安全性、 可用性和降低拥有、运营成本。例如，整个系统的证书可以在一个相对较短的 周期内全部更新，而不用像大型c a 那样必须维持永久服务。 安全电话系统管理员：如果和p k i 体系作对比，其作用就是扮演c a 的角 色，但是由于安全电话系统的特殊性，其功能和实现会有不同： 1 理员证书可以由其他c a 生成，而不必使自己成为根c a ； 2 所有用户证书由管理员生成和签发： 3 使用主动方式发布c r l 列表。和传统c a 不一样的是，当管理员签发 一个新的c r l 列表时，其必须尽快通知所有的用户，使之能够甄别出 已经不受信任的用户； 4 管理员可以主动更新整个系统的数字证书，包括管理员证书和所有用户 证书。 总之，相对于传统c a ，安全电话系统管理员更小巧、灵活和主动，其更详细的 信息，参见第四章第一节。 用户：受系统管理员信任的客体，安全服务的服务对象。 安全电话终端：和p s t n 网络一起，构成安全电话系统的物理平台，是本 文研究和实现的重点。 旧川大学顺 学位论文 黑名单或无授权者：本系统以外的客体，没有得到系统管理员的信任。 数字证书：由系统管理员对系统内用户签发的公钥证书，标识一个用户的 户 图25 安全电话系统u s e c a s e 图 身份，其存储在智能卡介质上。 ， 图2 5 安全电话系统u s ec a s e 图( 用例图) 更清楚的显示了用户、系统管理 员、系统外用户和安全电话系统之间的关系。区分了系统外用户、用户和系统 管理员之间的不同角色和安全电话系统提供的不同功能。 四川大学硕上学位论文 2 6 3 典型通信过程 次典型的安全电话通信可以划分为：身份认证、语音信号保密通信和挂断 图2 , 6 典型通信过程时序图 三个步骤，其时序图见图2 6 。用户拥有一张存储有自己公钥、私钥证书和管理 员公钥证书的i c 卡，将i c 卡插入到安全电话终端，终端检测用户i c 卡的合法 性，如果为非法的i c 卡，或者i c 卡内的用户个人数字证书为非法，将拒绝用 户使用保密通信功能：通过用户个人数字证书合法性验证以后，用户拨打对方 电话。 旧川人学蛳i 学位论文 被叫方摘机以后，即通信双方已经建立物理连接以后，通信双方进行相互 的身份认证、c r l 列表交换、同时交换会话密钥，如果任何一方身份认证失败， 则不能进行保密通信，安全电话终端将在用户的指令下断线或者进行普通的电 话通信。当身份认证和会话密钥交换成功后，安全电话终端将提示用户进行保 密语音通信。在发送方，安全电话终端将发送方的语音信号转换成数字信号、 编码、用会话密钥进行加密，最后使用调制解调器调制成模拟信号进入p s t n 本地环路，然后在中心局转化为数字信号进入骨干网。 在接收方，安全电话终端首先将从p s t n 本地环路上传送来的模拟信号转 换为数字信号、用会话密钥解密、解码，最后还原成语音信号。经过安全电话 终端处理后的语音信号，能够抵抗重放攻击、窃听攻击、声音模仿攻击和防止 通话后抵赖行为发生。通话结束后，用户挂机，安全电话终端清除通话双方的 个人信息，回到初始态，等待用户再次使用。 图2 6 典型通信过程时序图清楚的浣明了一次安全电话的通信过程。这里以 a ( a l i c e ) 作为呼叫发起方，b ( b o b ) 作为接收方说明，而互相的角色可以转 换。其中第8 、9 步为一个全双工过程，两方都可以接收和发送数据。第1 0 步 为挂断，两方之中的任意一方都可以执行这一过程。 叫j 1 1 人学顾十学位论文 3 安全电话终端架构 3 1架构图 从图2 4 安全电话系统架构图可知，安全电话终端和智能卡一起，成为安全 电话系统运行起关键作用的设备。智能卡存储用户个人数字证书和安全电话系 统管理员的公钥证书，安全电话终端提供相应的安全服务：身份认证、会话密 钥交换、语音加密传输、c r c 列表更新等。因此，安全电话终端与普通电话终 语 目 处 理 语音 倍昔 图3 1 安全电话终端架构 端是不一样的。其具体架构如图3 1 安全电话终端架构所示。 在图3 1 安全电活终端架构图中，“调制解调”以上的信号为模拟信号，进 入p s 7 1 - n 的本地环路。输入语音”和“输出语音”也为模拟信号，除此之外各 箭头代表的是安全电话终端以数字方式处理安全电话相关的各种数据。 叫川大学帧 j 学位论文 安全电话终端业务逻辑可以分为：语音处理和安全服务。这两个部分是不 可分割的整体，语音处理是安全服务的最终目的，安全服务是语音处理的前提。 图3 t 中，加虚线框的部分是语音处理部分。语音处理包括： 1 语音采样回放，也就是模拟语音通过模数( a d ) 转换变成数字信号的 过程，而回放则是数字语音信号转换为模拟语音信号的过程，即数模转 换( d a ) 。 2 语音压缩解压，是将数字语音信号( 1 2 8 k b p s 或者6 4 k b p s ) 通过编码