一种适用于水声通信的认证密钥协商方法

本发明涉及的是水声通信信息安全领域，尤其涉及一种适用于水声通信的认证密钥协商方法，更确切地说是在水声环境下，通信双方完成身份认证并协商出会话密钥的方法。

背景技术：

1、相较于一般无线通信环境，水声通信面临更严苛的带宽约束。水下声波传播速度低，端到端传播时延增加；同时，水声信道可用频带通常较窄，加上环境干扰使得有效通信速率远低于常规无线网络。在连续会话场景中，公钥、密文等信息反复传输会进一步占有有限带宽，增加误码、重传和能耗负担。因此，如何减少密钥协商阶段的交互和传输数据量是水声通信安全方案设计中的关键问题。

2、水声通信网络具有开放性的特点，容易遭受窃听、伪装、篡改和重放等攻击，而水声通信所服务的领域往往涉及敏感信息，一旦通信安全无法得到保障，可能导致数据泄露、关键节点失效，甚至威胁整个水下网络的稳定运行。随着量子计算的发展，经典加密算法将无法抵御量子计算机的攻击。面向长期安全需求，后量子密码逐渐成为安全密钥建立研究的重要方向。kyber512本质上属于密钥封装机制，其安全性基于模块学习带误差问题，即便对于量子计算机，该问题在计算上也难以解决，但其在水声通信场景中的应用仍需进一步降低通信开销并提高对受限信道环境的适配性。因此，亟需一种适用于水声通信的认证密钥协商方法。

技术实现思路

1、针对水声信道存在的带宽受限、传播时延大、链路不稳定以及节点计算和能量资源受限等问题，本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提出了一种适用于水声通信的认证密钥协商方法。

2、有鉴于此，本发明提出了一种适用于水声通信的认证密钥协商方法，包括：

3、初始化阶段：水下节点alice与水下节点bob预先构造多项式环并确定公共参数；

4、密钥生成阶段：水下节点alice利用本地信道估计结果提取水声信道物理层随机特征并量化为原始随机比特序列，进行哈希处理得到随机种子，通过随机种子生成私钥与误差项，进而计算得到公钥，并发送给水下节点bob；

5、封装阶段：水下节点bob将含认证信息的消息与公钥生成预密钥，基于物理信道随机性采样生成下一轮私钥及误差项，通过压缩操作封装为密文并生成本轮会话密钥，将密文发送给水下节点alice，并保存下一轮公私钥用于后续解封装；

6、解封装阶段：水下节点alice解压缩密文，并通过认证信息对密文的合法性进行联合验证，若合法则生成本轮会话密钥，否则终止解封装操作。

7、作为上述方法的一种改进，所述水下节点alice和水下节点bob均采用otfs调制，具备本地信道估计能力，两个水下节点间在时延-多普勒域包含个时延网格和个多普勒网格。

8、作为上述方法的一种改进，所述初始化阶段确定的公共参数包括：

9、多项式环中的多项式次数、模的维数、多项式系数的模数、随机种子、以及用于公钥和密文生成的随机均匀矩阵。

10、作为上述方法的一种改进，所述密钥生成阶段，生成的原始随机比特序列为，其中，

11、

12、为对导频信号进行信道估计，得到估计矩阵，为量化门限。

13、作为上述方法的一种改进，所述密钥生成阶段，将原始随机比特序列经过哈希处理生成随机种子，根据下式生成私钥与误差项：

14、

15、其中为中心二项分布，参数定义了分布的取值范围，表示可扩展输出函数；

16、根据，，计算公钥；其中，表示随机均匀矩阵；

17、保存私钥，并将公钥发送水下节点bob。

18、作为上述方法的一种改进，所述封装阶段，具体包括：

19、水下节点bob将自己的id号、位置和时间戳拼接为含认证信息的消息，根据与收到的公钥生成预密钥；

20、通过水声信道估计得到原始随机比特序列，利用哈希处理生成随机种子并生成下一轮私钥及误差项、，即、；

21、根据私钥及误差项、，原始随机比特序列，利用压缩函数将消息封装为密文；

22、根据预密钥和密文，生成本轮会话密钥发送至水下节点alice；

23、保留本轮公钥和私钥。

24、作为上述方法的一种改进，所述解封装阶段，具体包括：

25、水下节点alice通过解压缩函数对密文解压缩，并与私钥恢复出消息；

26、根据中的认证信息获得发送方的id号、位置和时间戳，进行以下联合验证：

27、是否匹配本地节点列表，若不一致则立即终止认证；

28、时间戳与当前时间的差值进行比较：若则判定消息已过期或被篡改，其中，为当前时间，为传播时延，为最大允许的时延；

29、根据当前时间、传播时延推算水下节点bob实际的位置，若与的偏差超过设定阈值则触发位置异常标记；

30、当上述验证均通过，则判定密文的发送方合法，根据和，重新生成预密钥，进而生成本轮会话密钥。

31、作为上述方法的一种改进，所述方法还包括：下一轮会话阶段：通信双方利用本轮会话保留的公私钥与会话状态完成身份认证与密钥更新，循环执行，实现低开销的连续会话密钥更新机制。

32、作为上述方法的一种改进，所述方法还包括：当某轮密文丢失或解调失败导致双方状态失步，双方重新执行上述方法的各阶段。

33、与现有技术相比，本发明的优势在于：

34、1、利用本地信道估计结果提取水声信道物理层随机特征，将其作为随机种子参与公钥与私钥的生成过程，从而增强密钥生成过程的随机性，降低密钥被预测或复现的可能。

35、2、将发送方的id、位置、时间戳联合构造为认证信息，并嵌入密文，使密文与发送方的合法信息相关联。通过身份匹配、消息新鲜性与位置一致性的联合验证，对接收密文的合法性进行综合判决，只有当三者满足安全约束时，才判定密文来自合法节点，否则标记为恶意节点，以实现对水声通信中重放、伪装等攻击的有效检测。

36、3、在密文封装过程中同步生成并保留下一轮会话所需的公私钥，避免后续额外的公钥传输过程，以节省带宽、减少交互次数，提高通信效率。初始会话完成后，通信双方利用上一轮会话保留的公私钥与会话状态完成身份认证与密钥更新，实现低开销的连续会话密钥更新机制。

1.一种适用于水声通信的认证密钥协商方法，包括：

2.根据权利要求1所述的适用于水声通信的认证密钥协商方法，其特征在于，所述水下节点alice和水下节点bob均采用otfs调制，具备本地信道估计能力，两个水下节点间在时延-多普勒域包含个时延网格和个多普勒网格。

3.根据权利要求1所述的适用于水声通信的认证密钥协商方法，其特征在于，所述初始化阶段确定的公共参数包括：

4.根据权利要求2所述的适用于水声通信的认证密钥协商方法，其特征在于，所述密钥生成阶段，生成的原始随机比特序列为，其中，

5.根据权利要求2所述的适用于水声通信的认证密钥协商方法，其特征在于，所述密钥生成阶段，将原始随机比特序列经过哈希处理生成随机种子，根据下式生成私钥与误差项：

6.根据权利要求5所述的适用于水声通信的认证密钥协商方法，其特征在于，所述封装阶段，具体包括：

7.根据权利要求1所述的适用于水声通信的认证密钥协商方法，其特征在于，所述解封装阶段，具体包括：

8.根据权利要求1所述的适用于水声通信的认证密钥协商方法，其特征在于，所述方法还包括：下一轮会话阶段：通信双方利用本轮会话保留的公私钥与会话状态完成身份认证与密钥更新，循环执行，实现低开销的连续会话密钥更新机制。

9.根据权利要求8所述的适用于水声通信的认证密钥协商方法，其特征在于，所述方法还包括：当某轮密文丢失或解调失败导致双方状态失步，双方重新执行权利要求1的各阶段。