620 浏览智能移动终端间短距离通信安全关键技术研究
摘要：物联网和移动互联网的快速发展,以智能手机为代表的移动设备间短距离通信广泛应用于智能家居、移动支付、智能交通等众多领域,使人们生产生活方式深刻变革的同时也对信息安全提出了新的挑战。目前短距离通信方式有很多种,而利用智能手机上部署最广泛的麦克风和摄像头等必备硬件,实现短距离通信是其中热门的研究分支。基于高帧率高清晰度视频的人眼与摄像头互不干扰的摄像头-屏幕短距离隐蔽通信,以及基于友好干扰技术的声音短距离通信,是非常重要的两个研究方向。目前动态摄像头-屏幕间短距离隐蔽通信,存在用户拍摄角度有限、解码耗时长、数据隐私保护不足等可用性与安全性问题;基于友好干扰技术的声音短距离通信,则存在难以抵御盲源信号分离攻击等安全性问题。针对以上问题,本文主要研究基于自身硬件短距离通信安全,核心是探索真实环境中智能设备间的摄像头-屏幕间和基于声音信道的安全短距离通信。本文以提高摄像头-屏幕间隐蔽通信与声音短距离通信的可用性与安全性为目的,主要研究以下三个方面的内容:（1）提出一种基于快速图像校正算法的摄像头-屏幕间短距离隐蔽通信协议。以往研究通过优化通信方式与编码图形,提升通信的可用性。本文首先刻画了摄像头-屏幕间短距离隐蔽通信共有的可用性与安全性问题,进而提出一种基于传感器数据的快速图像校正算法,改善摄像头-屏幕间通信角度受限的问题;在快速图像校正算法的基础上,提出一种基于用户类别的数据图形编码方案,通过将用户按照属性进行分类、优化编码图形并引入加密算法,减少解码时间开销、提升通信速度并保护用户隐私。通过实验验证了协议可以在变形程度达到60度的侧视角与俯仰视角,以及任意角度旋转变形的情况下校正图像,与已有工作相比可以减少90%的校正时间开销。图形编码方案引入加密算法,保护了用户隐私数据。协议总体通信速度增加了13%。实验结果显示了协议对于可用性与安全性的提升。（2）提出一种基于友好干扰技术的声音短距离安全通信协议。以往研究基于友好干扰技术保证声音短距离通信的数据安全,但没有充分考虑盲源信号分离攻击可以令友好干扰技术失效的问题。本文通过将智能手机的可移动性与秘密共享思想结合,有效抵御盲源信号分离攻击。在通信时协议通过令设备移动,对攻击者声音信道条件产生的随机影响,破坏盲源信号分离的攻击条件,抵御盲源信号分离攻击。协议只需要用户在通信时,以一定速度沿随机路径移动智能手机。基于秘密共享思想的数据传输,可以在用户没有达到安全移动速度时,保证数据的机密性。理论分析和实验验证显示了协议的可行性。实验结果表明,协议的安全通信距离可以达到30厘米,有效提升了声音短距离通信的安全性。（3）提出一种面向智能家居短距离通信场景的多因素身份认证协议。以往研究基于对称或非对称加密算法提出身份认证协议,未充分考虑针对短距离通信的特点进行改进。本文首先刻画了基于自身硬件短距离通信的特点,进而提出了面向智能家居短距离通信场景的多因素身份认证协议。通过摄像头采集用户生物特征,并与麦克风扬声器硬件指纹相结合,针对短距离通信方式特点进行优化。在认证设备与用户身份的同时,为后续通信提供会话密钥,并可以在后续通信中通过硬件指纹持续认证设备身份。理论分析和实验验证显示出协议的可行性和安全性。综上所述,本文系统研究了摄像头-屏幕间短距离隐蔽通信、基于声音信道短距离通信安全,提出了可用性与安全性更好的通信协议,并提出了面向智能家居场景的多因素身份认证协议,进一步保障了上述短距离通信方式的安全。通过理论分析和实验验证,对于基于自有硬件的短距离通信方式的实际应用、通信安全和用户隐私有重要的实际意义。
关键词：屏幕间短距离隐蔽通信;
文章目录
致谢
摘要
ABSTRACT
1 绪论
1.1 研究背景
1.2 国内外研究现状
1.2.1 摄像头-屏幕间短距离通信
1.2.2 基于声音信道的短距离通信安全
1.2.3 智能移动终端间短距离通信身份认证协议
1.2.4 现有工作存在的问题
1.3 本文研究内容
1.3.1 基于快速图像校正的摄像头-屏幕间短距离隐蔽通信研究
1.3.2 基于友好干扰技术的声音短距离安全通信研究
1.3.3 面向智能家居短距离通信场景的多因素身份认证协议研究
1.4 论文结构
2 基于快速图像校正的摄像头-屏幕间短距离隐蔽通信协议
2.1 引言
2.2 摄像头-屏幕间短距离隐蔽通信协议设计
2.2.1 动态摄像头-屏幕间短距离隐蔽通信原理
2.2.2 协议设计目标与协议结构
2.3 基于传感器姿态数据的快速图像校正算法
2.3.1 智能手机中的传感器
2.3.2 图像像素的坐标系变换
2.3.3 基于传感器数据的快速图像校正
2.4 基于用户分类的图形编码方案
2.4.1 基于用户分类的数据图形设计
2.4.2 图形编码方案安全性分析
2.4.3 协议发送与接收流程
2.5 实验与结果分析
2.5.1 实验设置
2.5.2 快速图形校正算法实验分析
2.5.3 通信性能分析
2.6 本章小结
3 基于友好干扰技术的声音短距离通信安全研究
3.1 引言
3.2 基于声音信道的安全短距离通信总体设计
3.2.1 设计目标
3.2.2 威胁模型
3.2.3 通信协议结构
3.2.4 秘密共享模块
3.2.5 数据信号载频选择
3.2.6 自适应信号强度选择
3.2.7 友好干扰信号的生成和移除
3.2.8 系统整合
3.3 安全性分析
3.3.1 位置攻击
3.3.2 盲源信号分离攻击
3.3.3 拒绝服务攻击
3.3.4 重放攻击与中间人攻击
3.4 实验与结果分析
3.4.1 实验基础设置
3.4.2 通信质量分析
3.4.3 通信速度分析
3.4.4 盲源信号分离攻击能力分析
3.4.5 抵御盲源信号分离攻击分析
3.4.6 秘密共享方案实验结果分析
3.4.7 耗电量分析
3.4.8 与已有工作比较
3.5 本章小结
4 面向智能家居短距离通信场景的多因素身份认证协议
4.1 引言
4.2 面向智能设备间短距离通信的多因素身份认证协议设计
4.2.1 身份认证安全设计目标
4.2.2 威胁模型
4.2.3 面部识别原理与过程
4.2.4 硬件指纹识别原理与过程
4.3 身份认证协议注册与认证流程
4.3.1 注册阶段
4.3.2 认证阶段
4.4 安全性分析
4.4.1 BAN逻辑分析
4.4.2 攻击分析
4.5 实验与结果分析
4.5.1 实验环境设置
4.5.2 身份认证效率分析
4.5.3 已有工作对比结果分析
4.5.4 用户接受度分析
4.6 本章小结
5 结论
5.1 论文的主要贡献
5.2 下一步研究方向
参考文献
[1]移动支付中二维码的安全性研究[J]. 王春东,冯超然,高素梅. 天津理工大学学报. 2014(03)
[2]基于口令认证的RFID系统安全协议及其BAN逻辑分析[J]. 蔡庆玲,詹宜巨. 电信科学. 2008(12)
[3]信息安全综述[J]. 沈昌祥,张焕国,冯登国,曹珍富,黄继武. 中国科学（E辑:信息科学）. 2007(02)
硕士 共2条
[1]面向屏幕—摄像头通信的动态二维码系统设计与实现[D]. 陈旭.南京大学 2019
[2]基于动态二维码的屏幕摄像头通信系统的设计与实现[D]. 詹同.南京大学 2018
