Thiết kế hệ thống bảo mật liên lạc bằng giọng nói
Tóm tắt: Nhằm vào vấn đề bảo mật trong quá trình giao tiếp bằng giọng nói, một hệ thống bảo mật giao tiếp dựa trên máy vi tính đơn chip được thiết kế. Hệ thống chủ yếu được chia thành một mô-đun gửi bí mật và mô-đun nhận bí mật, có thể nhận ra hai chức năng của cuộc gọi thông thường và cuộc gọi bí mật, và nhận ra giao tiếp đồng bộ và an toàn bằng cách sử dụng một máy vi tính đơn chip để tạo một khóa ngẫu nhiên. Kết quả kiểm tra cho thấy hệ thống có thể nhận ra chức năng của bảo mật truyền thông và có thể nhận ra việc thu nhỏ mô-đun, thuận tiện cho việc tạo ra một công cụ bảo mật truyền thông với độ bảo mật cao hơn.
Từ khóa: giao tiếp bằng giọng nói, kiểm tra, máy vi tính đơn chip, bảo mật
Xã hội hiện tại là một xã hội dựa trên thông tin cao, và nhiều phương thức liên lạc bằng giọng nói và video như điện thoại di động, điện thoại video, đa phương tiện và trò chuyện video trực tuyến đang ngày càng trở nên phổ biến. Với sự phát triển của công nghệ truyền thông trong xã hội ngày nay, một loạt các vấn đề bảo mật như giám sát và nghe lén từ xa tiếp tục xuất hiện. Làm thế nào để bảo vệ hiệu quả an ninh của giao tiếp bằng giọng nói và ngăn chặn thông tin bị nghe lén hiện nay đã trở thành một cuộc thảo luận. Và trọng tâm của nghiên cứu. Do đó, để đối phó với những vấn đề này, nhiều mạch bảo mật giọng nói và các thiết bị mã hóa đã xuất hiện. Ngày nay, công nghệ bảo mật thông tin liên lạc đã được sử dụng rộng rãi trong truyền thông dân sự và truyền thông công nghệ quân sự.
Trong bài báo này, coi chi phí thấp, với 51 máy vi tính đơn chip làm lõi, thiết kế một hệ thống bảo mật liên lạc bằng giọng nói có thể cung cấp bảo mật cho các thiết bị liên lạc chung trong các hoạt động giao tiếp. Hệ thống có thể đảm bảo mã hóa việc truyền giọng nói và giải mã giọng nói của nội dung giao tiếp bằng cách đặt phím và đảm bảo hệ thống có thể ngăn nội dung giọng nói được sử dụng bởi các hệ thống truyền thông khác trên mạng khi giao tiếp giữa hai thiết bị liên lạc. Đánh chặn nghe lén.
1 Thiết kế sơ đồ tổng thể
Kế hoạch tổng thể là hiện thực hóa kiểm soát bí mật trong quá trình giao tiếp thông qua hệ thống kiểm soát chuyển mạch chính bí mật và toàn bộ hệ thống có thể nhận ra hai chức năng của giao tiếp thông thường và liên lạc bí mật. Sơ đồ khối hệ thống tổng thể của thiết kế bảo mật của giao tiếp thoại được hiển thị trong Hình 1. Ý tưởng thiết kế cụ thể là: một mô-đun mạch bảo mật bao gồm một máy vi tính đơn chip và một số thành phần ngoại vi, một là đầu gửi của mô-đun bảo mật và một là đầu cuối của mô-đun bảo mật. Trong quá trình liên lạc bằng giọng nói, tín hiệu thoại của thiết bị gửi đi qua đầu gửi và đầu nhận của mô-đun bảo mật rồi đến thiết bị nhận giọng nói và thiết bị nghe lén được sử dụng giữa đầu gửi và đầu nhận. Miễn là hệ thống kích hoạt công tắc điều khiển bí mật, hệ thống sẽ vào giao tiếp bí mật và kẻ nghe trộm chỉ có thể nghe thấy giọng nói bị bóp méo, do đó đạt được chức năng của hệ thống.
2 Thiết kế phần cứng hệ thống
Hệ thống bảo mật liên lạc bằng giọng nói chủ yếu bao gồm một mô-đun bảo mật giọng nói, mô-đun đơn chip phía máy phát, mô-đun đơn chip phía máy thu và các mạch chức năng hiển thị liên quan.
2.1 Thiết kế mạch của mô-đun bảo mật giọng nói
Mô-đun bảo mật giọng nói chủ yếu chịu trách nhiệm về công nghệ xáo trộn và loại bỏ tín hiệu thoại tương tự trong hệ thống bảo mật liên lạc. Mô-đun này sử dụng AK2356 do AKM Nhật Bản phát triển, là chip mạch tích hợp dựa trên CMOS được sử dụng đặc biệt để bảo mật thông tin liên lạc qua điện thoại. Nó có 24 chân, trong dòng hoặc SMD, sau đó được phát triển thành các mô hình khác nhau. , Chip sử dụng công nghệ đảo ngược tần số của bảo mật giọng nói, nghĩa là phần tần số cao và phần tần số thấp của tín hiệu thoại được trao đổi. Khi tần số chính được xác định, có thể thay đổi trạng thái của công tắc điều khiển tần số sóng mang (chân 13 và chân 14). Chọn bốn tần số khác nhau để đạt được mã hóa giọng nói. AK2356 tạo thành một mô-đun mạch bảo mật phổ quát cơ bản bằng cách kết hợp với một số thành phần ngoại vi. Sơ đồ mạch cụ thể được hiển thị trong Hình 2.
2.2 Thiết kế mạch của mô-đun đơn chip người gửi
Mặc dù mô-đun bảo mật giọng nói được xây dựng ở trên có thể nhận ra chức năng bảo mật của giao tiếp, rất dễ giải mã vì chỉ có 4 phương thức mã hóa giọng nói. Để khắc phục vấn đề này, hệ thống máy vi tính chip đơn được giới thiệu để tạo ngẫu nhiên khóa đồng bộ hóa ngẫu nhiên và điều khiển mô-đun bảo mật giọng nói. Thực hiện mã hóa động.
Từ góc độ chi phí và các cân nhắc khác, STC89C51, bộ vi điều khiển 8 bit công suất thấp, hiệu suất cao, cộng với một số thành phần ngoại vi và cổng điều khiển cần thiết để kết nối với AK2356, hoàn thành mô-đun đơn chip của người gửi Thiết kế mạch. Các cổng P1.1 và P1.2 của máy vi tính chip đơn được kết nối tương ứng với hai công tắc chọn tần số của chip AK2356, đồng thời được kết nối tương ứng với hai đèn LED. Độ sáng của đèn LED được sử dụng để hiển thị tần số điều chế và giải điều chế được sử dụng. Cổng P2.0 của máy vi tính chip đơn được sử dụng làm công tắc điều khiển mã hóa, cho biết có sử dụng chức năng mã hóa giọng nói hay không bằng cách nhấn nó hay không. Khi hệ thống sử dụng chức năng mã hóa, cổng P2.0 được nhấn và chương trình bên trong của vi điều khiển sẽ phát hiện ra rằng cổng P2.0 được nhấn, sau đó cổng P2.1 được kết nối với thiết bị đầu cuối điều khiển mã hóa AK2356 sẽ hoạt động, làm cho chip AK2356 được mã hóa bằng giọng nói trạng thái. Cổng P3.2 của máy tính một chip được sử dụng để gửi mã đồng bộ hóa.
2.3 Thiết kế mạch của mô đun SCM cuối nhận
Các cổng P1.1 và P1.2 của máy vi tính chip đơn được kết nối với công tắc chọn tần số của chip AK2356 tương ứng. Tương tự, hai đèn LED có thể được kết nối tương ứng với các cổng P1.1 và P1.2 và độ sáng của đèn LED cho biết loại nào được sử dụng. Một tần số điều chế và giải điều chế. Cổng P2.0 được sử dụng để điều khiển thiết bị đầu cuối điều khiển mã hóa AK2356 và cổng P3.0 và P3.1 của máy vi tính chip đơn được sử dụng để phát hiện và nhận mã đồng bộ hóa được tạo bởi mạch mô-đun đơn chip truyền qua chương trình bên trong.
3 Thiết kế phần mềm hệ thống
Để thuận tiện cho việc gỡ lỗi hệ thống, phần mềm hệ thống chủ yếu bao gồm thiết kế một số mô-đun độc lập như gửi chương trình đầu cuối, chương trình gửi mã, chương trình mã đồng bộ hóa và chương trình thiết bị đầu cuối được hiển thị trong Hình 3.
Trong quá trình liên lạc bí mật, bộ vi điều khiển ở đầu gửi bí mật sẽ quét cổng P2.0 của vi điều khiển theo thời gian thực bằng cách gọi liên tục chương trình quét bàn phím. Nếu được quét ở mức thấp, có nghĩa là nhấn nút điều khiển bí mật, sau đó nhấn vào vi điều khiển. Cổng P2.1 của AK2356 sẽ được đặt ở mức thấp, nghĩa là mã hóa giọng nói sẽ được kích hoạt. Sau đó, hệ thống sẽ đặt ngẫu nhiên hai công tắc chọn tần số của AK2356 và vi điều khiển sẽ đọc các giá trị mức của hai công tắc chọn tần số. Trạng thái mức của cả hai được sử dụng để chọn số mã xung tương ứng, sau đó thực hiện chương trình gửi mã để gửi thông tin mã đồng bộ hóa, và cuối cùng cổng P3.2 của vi điều khiển gửi tín hiệu xung đồng bộ hóa
Nếu phát hiện thấy nó ở trạng thái được mã hóa, số mã xung tương ứng với giá trị hai cấp được đọc bởi máy vi tính chip đơn được gán cho thanh ghi để truyền và độ rộng của dock đồng bộ hóa được đặt thành 6 ms. Để thanh ghi thực hiện thao tác trừ 1 và tiếp tục giảm đi 1. Khi giá trị trong thanh ghi được phát hiện là 0, nghĩa là khi tất cả số xung được gửi đi, mức cao 6 ms được đặt làm mã kết thúc.
Mã ngẫu nhiên được tạo bởi máy vi tính đơn chip, giá trị trong thanh ghi A đã được thêm 1 thao tác và giá trị trong A được gán cho cổng P1, sau đó các giá trị trong P1.1 và P1.2 của cổng P1 là ngẫu nhiên, sẽ có 4 loại Tình huống có thể xảy ra. Chọn mã đồng bộ hóa và gửi mã theo cấp độ của P1.1 và P1.2.
Khi đầu nhận nhận được thông tin mã đồng bộ hóa, để ngăn chặn sự can thiệp của lỗi, trước tiên cần phải phát hiện độ rộng xung nhận được, được phát hiện bởi các cổng P3.1 và P3.2 của vi điều khiển. Giả sử rằng độ rộng xung đầu cuối nhận được là 4 ms, nếu độ rộng xung đầu cuối nhỏ hơn 4 ms, nó sẽ được coi là mã không hợp lệ, nếu không, nó sẽ tiếp tục thực hiện quy trình tiếp theo, đếm các xung mức thấp và gán chúng cho bộ tích lũy A. Khi chiều rộng mã của mã kết thúc lớn hơn 6ms, điều đó có nghĩa là hoạt động nhận đã kết thúc. Cuối cùng, thực hiện các hoạt động tương ứng theo số lượng xung trong A, do đó hoàn thành chức năng mã hóa ngẫu nhiên và cuộc gọi đồng bộ.
4 kết quả thử nghiệm
Bởi vì hệ thống được thiết kế chủ yếu nhằm bảo mật thông tin liên lạc bằng giọng nói và kết quả của bảo mật giọng nói là một hiện tượng thính giác và hiệu ứng của hiện tượng này không thể được phản ánh tốt trong văn bản. Để minh họa tính hiệu quả của hệ thống, hệ thống hiển thị trong Hình 4 được chọn ở đây. Chương trình kiểm tra.
Tần số lời nói của con người nằm trong khoảng từ 300 đến 3 400 Hz. Một bộ tạo tín hiệu có thể được sử dụng để tạo ra bất kỳ tín hiệu tần số nào trong khoảng từ 300 đến 3 400 Hz, và sau đó tín hiệu tần số này có thể được kết nối với mô-đun bảo mật truyền giọng nói. Thiết bị đầu vào giọng nói được kết nối với thiết bị đầu vào bằng giọng nói của mô-đun bảo mật giọng nói gửi và thiết bị đầu ra giọng nói của mô-đun nhận bằng hai kênh của máy hiện sóng tương ứng. Bằng cách quan sát hai sơ đồ dạng sóng hiển thị trên máy hiện sóng, bạn có thể xác định liệu mã hóa giọng nói đã hoàn thành hay chưa. Hiệu ứng thử nghiệm này là tương đối trực quan.
Sau khi hệ thống bảo mật liên lạc bằng giọng nói hoạt động, mô đun MCU của người gửi ngẫu nhiên tạo khóa đồng bộ hóa và cập nhật liên tục để đạt được mã hóa động, trong khi mô đun MCU của người nhận cập nhật khóa kịp thời sau khi nhận và phát hiện thông tin mã đồng bộ hóa để duy trì giải mã động. Hình 5 cho thấy bản đồ vật lý của trạng thái bí mật, với hệ thống đầu cuối gửi ở bên trái và hệ thống đầu cuối nhận ở bên phải.
Dạng sóng tín hiệu của âm thanh tương tự của bộ tạo tín hiệu và dạng sóng tín hiệu được giải mã của hệ thống đầu cuối nhận được thể hiện trong Hình 6. Có thể thấy trong Hình 6, hai dạng sóng về cơ bản là giống nhau. Hệ thống ở trạng thái bảo mật liên lạc thông thường, nghĩa là các công tắc điều chế và giải điều chế tần số của các bên gửi và nhận ở cùng một trạng thái và dưới cùng một phím. Lúc này, hãy sử dụng tai nghe và các loa khác. Giọng nói nghe được cũng có thể phản ánh tốt giọng nói gốc của trình phát giọng nói, cho biết hệ thống bảo mật giọng nói có thể thực hiện các chức năng mã hóa và giải mã.
Nếu thiết bị nghe lén giọng nói bị nghe trộm khi hệ thống bảo mật liên lạc hoạt động bình thường, nó sẽ nghe thấy tiếng ồn. Hình 7 cho thấy sự so sánh giữa dạng sóng tín hiệu của âm thanh mô phỏng của bộ tạo tín hiệu và dạng sóng tín hiệu mà kẻ nghe trộm nghe thấy. Điều này cho thấy thêm rằng hệ thống bảo mật giao tiếp thoại được thiết kế có thể đạt được chức năng bảo mật liên lạc bằng giọng nói.
5. Kết luận
Nhằm vào vấn đề rò rỉ giọng nói trong quy trình giao tiếp hiện tại, hệ thống bảo mật liên lạc bằng giọng nói được thiết kế từ góc độ chi phí thấp. Nó bao gồm hai mô-đun: người gửi và người nhận. Máy vi tính một chip điều khiển mô-đun bảo mật giọng nói để tạo và nhận các phím ngẫu nhiên để đạt được giao tiếp an toàn. Đặc trưng. Để xác minh tính chính xác của hệ thống bảo mật liên lạc bằng giọng nói, bộ tạo tín hiệu được sử dụng để tạo ra dạng sóng tương tự của tần số giọng nói và phát lại giọng nói được so sánh. Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống bảo mật có hiệu suất bảo mật và giải mã tốt, độ ổn định cao và hệ thống có thể Nó được mở rộng để áp dụng các chip SMD, để mô-đun được thu nhỏ và có giá trị ứng dụng thực tế tốt hơn.