ВВЕДЕНИЕ 3
1 Системы генерации и распределения ключей 6
1.1 Использование особенностей канала связи для распределения ключей 6
1.2 Многолучевой радиоканал как источник общей случайности 9
1.3 Реализация систем генерации и распределения ключей 15
2 Программно-конфигурируемое радио 19
2.1 Определение 19
2.2 Универсальная платформа ПКР USRP 21
2.3 Программный фреймворк «GNU Radio» 25
3 Разработка приемопередатчика 35
3.1 Реализация передатчика и приемника зондирующих сигналов 35
3.2 Разработка протокола зондирования канала 48
3.3 Тестирование приемопередатчиков 52
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 63
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 64
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Проблема распределения ключей шифрования в симметричных криптосистемах является одной из фундаментальных проблем современной криптографии. Применяемые для распределения ключей алгоритмы асимметричной криптографии основываются на математической теории вычислительной сложности, и проблема их стойкости становится все актуальнее с развитием вычислительной техники, в особенности квантовых компьютеров.
При рассмотрении сетевой модели беспроводных систем связи, можно отметить, что широко используемые протоколы распределения ключей реализованы на ее верхних уровнях независимо от физического уровня и, соответственно, самого канала связи. Однако, особенности канала связи также могут использоваться для решения задачи распределения ключей.
В последнее время внимание исследователей привлекли методы совместного формирования ключей на основе оценки случайных параметров многолучевого радиоканала. Оценка параметров канала производится при помощи его зондирования и последующего измерения параметров зондирующего сигнала, например, амплитуды или набега фазы. Метод совместного формирования ключей в многолучевых каналах является самым перспективным методом распределения ключей в беспроводных системах связи в плане его практического применения.
Системы генерации и распределения ключей, использующие особенности многолучевого канала, реализуют на основе готовых радиоустройств, например, устройств стандартов IEEE 802.11, а также на основе отдельно разработанных специализированных устройств. Использование готовых радиоустройств упрощает реализацию системы, но накладывает множество ограничений на нее. Отдельно разработанные радиоустройства позволяют обойти эти ограничения. Однако, разработка специализированного радиоустройства представляет собой трудоемкий процесс, а их последующая модификация не всегда возможна.
В последнее время наметилась тенденция использования программно- конфигурируемого радио (ПКР) для разработки беспроводных систем связи. ПКР представляет собой класс радиоустройств, в которых все или некоторые функции физического уровня выполняются программно. Использование ПКР упрощает разработку систем связи и имеет большой потенциал для систем генерации и распределения ключей. Так в условиях, когда оптимальная архитектура системы не до конца определена, применение ПКР, модификация которых в большинстве случаев заключается в изменении программного обеспечения (ПО), является наиболее выгодным.
Популярность технологии ПКР привело к появлению универсальных аппаратных платформ ПКР, которые могут использоваться для ускорения разработки и прототипирования систем связи. Использование универсальных платформ ПКР требует только разработки ПО. Одними из самых популярных универсальных платформ являются платформы семейства USRP (англ. Universal Software Radio Peripheral), которые и используются в данной работе.
Актуальность темы. Разработка радиоустройств для систем генерации и распределения ключей в многолучевых каналах является достаточно трудоемкой задачей, при этом их модификации не всегда возможна. Использование ПКР позволяет упростить процесс разработки и последующей модификации радиоустройств для подобных систем.
Целью работы является разработка приемопередатчика на базе программно-конфигурируемого радио для системы генерации и распределения ключей на основе случайности траектории распространения радиоволн в многолучевой среде.
Поставленная цель потребовала решения следующих задач:
1. Изучить методы совместного формирования ключей в многолучевом канале.
2. Произвести и обосновать выбор инструмента разработки ПО для ПКР.
3. Реализовать передатчик и приемник зондирующих сигналов.
4. Разработать протокол зондирования канала.
5. Провести тестирование разработанных приемопередатчиков.
Научная новизна. В отличие от имеющихся работ, в которых используются ПКР для совместного формирования ключей в многолучевом канале на основе амплитуды и набега фазы зондирующего сигнала, в данной работе представлена реализация приемопередатчиков, позволяющих проводить синхронные измерения этих параметров зондирующего сигнала.
Практическая значимость. Использование ПКР в системе генерации и распределения ключей направлено на сокращение времени разработки самой системы и внедрения различных технологий для улучшения технических характеристик без существенных аппаратных изменений.
В результате выполнения работы были решены следующие задачи:
1. Изучены методы совместного формирования ключей в многолучевом канале.
2. Рассмотрены возможные варианты инструментов разработки ПО для ПКР. В качестве инструментов разработки был выбран программный фреймворк «GNU Radio» и визуальная среда разработки GRC.
3. Разработаны приемник и передатчик зондирующих сигналов, позволяющие осуществлять зондирование канала в полудуплексном режиме. Предложена методика передачи, приема и последующего измерения параметров ВЧ гармонического сигнала заданной частоты.
4. Разработан протокол обмена зондирования канала. Предложен метод осуществления временной синхронизации приемопередатчиков.
5. Проведено тестирование разработанных приемопередатчиков. Показана идентичность полученных амплитудно- и фазо-временных характеристик двух устройств. Предложен метод осуществления фазовой синхронизации и компенсации уровней сигналов.
