基于声信道的隐蔽信息传输关键技术

丁雪洁 李 彬 韦 迪,2 张 萌 孙德刚

1(中国科学院信息工程研究所 北京 100093)2(中国科学院大学 北京 100049)3(北京交通大学 北京 100044)4 (国家保密科技测评中心 北京 100044)



基于声信道的隐蔽信息传输关键技术

丁雪洁1李 彬3,4韦 迪1,2张 萌1孙德刚1

1(中国科学院信息工程研究所 北京 100093)2(中国科学院大学 北京 100049)3(北京交通大学 北京 100044)4(国家保密科技测评中心 北京 100044)

(dingxuejie@iie.ac.cn)

介绍一种利用声信道进行隐蔽信息传输的技术，该技术作为一种隐蔽通信技术，已经成为物理安全研究领域关注的重点.声信道信息隐蔽传输技术是利用声音实现电脑与电脑或智能手机等终端设备之间近距离点对点或一对多的信息隐蔽传输的一套全新技术方案.通信时，数据发送端将隐蔽数据转换为声波信号(15～20 kHz)，然后通过扬声器输出发送出来，数据接收端通过录音设备接收发送的播音数据，然后将播音数据解码为目标数据.相对于其他近距离通信方式，声信道信息隐蔽传输技术不仅具有实现简单、成本低的特点，只要发送端和接收端有播音和录音设备即可实现，另外还可以在第三方无法察觉秘密信息存在的情况下，在隐蔽的声信道中实现信息的秘密传输.

声信道；物理隔离；智能终端设备；隐蔽信息；信息传输

随着信息技术的发展，人们对随时随地传输和交换信息有着越来越迫切的需要，而近距离通信在其中扮演着越来越重要的角色，显示出巨大的发展潜力.近距离通信技术的范围很广，通常传输距离限制在较短的范围内的通信(几十米以内)，都可以称作为近距离通信[1].

近距离通信技术作为无线通信技术的一个重要分支在其成本、可靠性及实用性等方面都有着明显的优势，越来越引起人们的广泛关注.然而，传统的近距离通信方式存在很多弊端.目前包括ZigBee、无线局域网(WiFi)、蓝牙(bluetooth)、无线USB、无绳电话等大多使用了2.4 GHz ISM频段，有限区域内大量集中使用同一频段技术时会导致相互之间的干扰，严重影响通信质量，特别是在电磁波屏蔽、限定或者一些特殊的环境下更是严重受限.诸如红外线通信、光通信等方式也因为对设备的需求等原因只能在特殊环境下使用，很难成为主流.因此，人们迫切需要一种新的近距离通信方式，它不仅要能抵抗电磁干扰、安全便捷，而且要支持笔记本电脑、智能手机等目前被广泛使用的终端类型.在这种情况下，就需要开辟新的信道作为通信的途径.

在计算机系统中，存在着一个实现简单、成本低、对设备要求也低的信道——声信道.利用声信道的信息传输是一种新型而又便捷的近距离通信方案，它指的是将数据以声波信号为载体实现近距离的信息传递.因为该方案通信所利用的载波为声波，所以它不会受到无线通信与电磁干扰的影响.通信时，目标数据被读取并编码为声音信号，通过扬声器传出，数据接收端通过录音设备监听并接收播音数据，同时将播音数据解码恢复为目标数据.

相对于其他近距离通信方式，基于声信道的信息传输具有实现简单、成本低的特点，发送设备与接收设备之间不需要通过任何类型的网络接口互相连接，也无需安装专业芯片或其他外部设备，只要有播音和录音设备即可，在日常生活中可被广泛使用.同时，由于声信道信息传输的隐蔽性，它也成为信息安全领域的重点关注技术之一.

目前，国内外相继开展了利用声信道传输信息的学术研究.2008年，英国华威大学Li等人证实了利用超声在空气中传播作为一种数字信号的通信方式是有效的[2].作者在实验环境下利用电容传感器在有效带宽内通过空气传播数字编码符号.2013年，德国Fraunhofer FKIE公司的Hanspach与Goetz实现了笔记本电脑之间的声通信，他们借鉴水下声音通信网络技术来建立空气声音通信网络[3].笔记本电脑之间可以利用声音传递信息，信息是通过GUWAL(一种水下作战通信语言)传递.但是，作者所传递的信息都是敲击键盘的声音.2013年国内也出现了利用声信道传输信息的应用.支付宝的“当面付”技术就是一种利用声波来进行支付的应用.手机客户端通过扬声器发出带有支付宝交易号信息的声波，接收方通过麦克风获取声波，形成音频文件并提取出交易号，继而完成具体的付款操作，该应用声波承载的是用来提取信息的交易号，也是需要在设备接入互联网的前提下才可以使用.

基于此本文将介绍一种利用声信道进行信息隐蔽传输的技术，该项技术旨在进行物理隔离的场所内，使用智能终端设备实现隐蔽信息的传输与交互.

1 技术方案

基于声信道的隐蔽信息传输技术的优势在于发送设备与接收设备不需要通过任何类型的网络接口互相连接，仅需要借助设备的扬声器及麦克风同时配合相应的软件便可完成信息的传输，其主要原理如图1所示：

图1 声信道通信的基本方案

在发送端，目标数据被读取并编码为高频声音信号，通过扬声器输出；在接收端，接收设备通过录音设备监听并接收播音数据，并将播音数据解码恢复为目标数据.可以看出，在整个通信的过程中，也无需安装专业芯片或其他外部设备，只要有播音和录音设备即可.

2 主要研究内容

采用声信道进行信息传输是一种较为新颖的通信方式.由于声音信号容易受到信道噪声及干扰的污染，造成接收端有一定的误码率，这样必定会影响数据传输的准确性，因此需要设计能够抵抗声信道干扰的传输机制.图2是基于声信道的信息传输技术原理图：

图2 基于声信道的信息传输原理

由图2可知，在发送端，首先对计算机里的源文件进行编码，变为数字信号.将数字信号调制到特定频率的载波上，然后利用电脑自带的扬声器发送出去.在接收端，通过终端设备自带的麦克风接收声音信号，然后解调出声载波上携带的文件信息，译码恢复出源文件.

2.1 声信道特性及设备频响特性的研究

为了实现在空气中良好的声通信，需要研究空气声信道的特性.空气声信道是指把携有信息的声波通过空气从信息发生端传递到信息接收端的通道[4].声波在空气中的传播和无线电波在空气中的传播有着显著的不同，主要体现在以下几个方面：1)延时高且动态变化大；2)信号衰减大；3)多径效应严重；4)多普勒效应相对明显[5-7].同时要对不同终端设备的频率响应特性进行测试比较.了解声信道特性及设备的频率响应特性是设计声信道信息传输方案的关键.

2.2 信源编解码及带有纠错机制的信道编码

通过设计信源编码方案，将终端设备上所存储的文字信息按照统一的编码标准进行编码，以达到对包括字母、数字、符号、中文等字符传输的支持；针对信源输出符号序列的统计特性寻找某种信源编码方法，把信源输出符号序列变换为最短的码字序列，使码字序列在能保证无失真地恢复原来的符号序列的前提下，各码元所载荷的平均信息量最大.

设计信道编码方案，以减小声信道干扰对信息传输所造成的不利影响，降低误码率，提高通信效率[8].数字信号在传输过程中，由于受到干扰的影响，码元波形会变坏，接收端收到后可能发生错误判决.在合理选择调制、解调方法以及发送功率等方面仍不能满足要求时，就要考虑差错控制措施.差错控制编码的基本实现方法是在发送端将被传输的信息附上一些监督码元，这些多余的码元与信息码元之间以某种确定的规则相互关联.接收端按照既定的规则校验信息码元与监督码元之间的关系，一旦传输发送差错，则信息码元与监督码元的关系就受到破坏，从而接收端可以发现错误并纠正错误.

2.3 声信号预处理

声信号的预处理主要包括声信号的降噪、滤波和同步等.其中降噪算法、滤波算法主要是针对信号传输过程中由信道衰落所引起的失真、主要信息的丢失等问题，通过对接收声音信号的预处理，减少信道传输所带来的误码率.而同步的目的是检测传输信号是否有效，并找到信息传输的起始位置.以上工作都是为实现后续的解调解码做好准备.

2.4 声信道调制解调技术

虽然声信道在距离相对较近的情况下可以直接传送基带数字信号，但是我们希望发送设备与接收设备之间可以达到一定的距离，这样就必须经过调制处理将信号频谱搬移到指定频率范围内，即把信号转换成适合在信道中传输的形式.所谓载波调制，就是用调制信号去控制载波的参数的过程，使载波的某一个或者某几个参数按照调制信号的规律而变化.为了提高传输速度，需要设计符合声信道特性的调制解调技术，从而获得最大的数据吞吐量[9-10].

2.5 载波信号频率特性

声波的分类是按照频率来划分的，包括次声波、可听声、超声波等.人耳能够正常听到的声波就是可听声，频率范围为20 Hz～20 kHz.频率低于20 Hz的声波叫作次声波，它的穿透力极强，在传播过程中能量衰减很小，但是由于次声波的频率与人体固有频率相吻合，所以它对人体健康的危害是极大的[11].频率超过20 kHz的声波叫作超声波，人耳察觉不到，能量大，并且超声波是沿直线传播的.不管是超声波还是次声波，它们都是需要使用专用的设备发送与接收的，普通的计算机与智能手机是远远达不到这种要求的.要想在对硬件不作特殊要求的情况下也能够实现利用声波传输消息，就只能从可听声范围内寻找突破口.

通常我们认为可以听到声音频率范围为20 Hz～20 kHz，但其实人耳对不同频段的敏感程度是不同的，对1～4 kHz范围内的声音最为敏感，幅度很低的信号也能被听见，而在低频区和高频区，能被人耳听见的信号幅度需要高得多，即使对同样声压级的声音，人耳实际感觉到的音量也是随频率而变化的.因此我们可以将这种高频声音作为数据传输的载体，一方面高频声在信息传输时具有较高的隐蔽性，另一方面周边环境中高频噪声的干扰小，声信息的传输准确率高.同时载波频率的选择也不能过高，若超出了笔记本电脑与智能手机内置的扬声器、麦克风的频响范围，会导致信息传输失败.

3 发展趋势

实现发送设备与接收设备之间的声信道的信息传输后，我们期望扩展为实现一个基于声信道的信息传输网络.该网络可以看作是一个共享的物理环境，其中包含至少2台通信设备，这2台设备作为整个网络的源发送设备与最终接收设备.网络中的其他设备既可以作为发送端或接收端，也可以作为多级跳跃传输中的中继设备，中继设备在传输网络中提供一种类似路由的转发功能.

考虑到声信息传输数据量的局限性，首先将传输网络内的所有设备进行编号，例如01，02，…以编号作为设备的唯一地址，如图3所示:

图3 传输网络示意图

发送设备的每一段音频按如上格式进行发送，接收设备将目的地址与自身地址进行比较，若匹配则解码出源信息，若不匹配则作为发送设备将音频再次发送出去.

该传输网络方案的缺陷是必须有控制协议，且必须实现载波侦听防碰撞，因为基于声信道的传输类似于一种广播发送，若多台设备同时转发则会出现扰乱导致声信号不可解调，但是该种方案实现了跨平台传输，而且通过多级跳跃可以使有效传输距离显著增加.

图4 传输网络数据包格式

4 实验场景

按照图5的通信环境搭建实验，实验1为2台笔记本电脑建立的信息传输系统.实验2为笔记本电脑和智能手机之间建立的信息传输系统.

实验步骤如下：

1) 首先在发送设备与接收设备中分别安装对应的软件，获取读取文件、控制声卡及允许设备录音的权限；

2) 发送端软件读取指定的文件并统一编码成数字信号，通过调制模块将数字信号调制到特定的高频声载波上，利用设备自带的扬声器循环发送；

3) 接收设备使用内置的麦克风监听在该区域内的设备所播放的含有约定信息的高频声音信号；

4) 接收端软件对接收到的高频声音数据进行实时解码，恢复声音中所包含的文字信息，并通过用户界面显示出来.

图5 实验场景1

图6 实验场景2

图5、图6中为利用声信道进行隐蔽信息传输的实例，采用无线声信道完成隐蔽信息的传输，其旨在针对终端设备之间如笔记本电脑、智能手机完成信息的交互.另外，由于载波信号为高频声信号，因此可在人耳无法察觉的情况下完成信息的传播.此项技术中，需要保证在信息传输正确的情况下，提升声信道的传输速率，这也是对于声信道进行信息传输与交互的挑战.

5 结束语

本文介绍了一种利用人耳不可听闻的声音实现笔记本电脑之间以及笔记本电脑与智能手机之间的信息传输的技术.该技术仅利用终端设备的扬声器及麦克风即可完成信息的传递和交互，通过采用高频载波信号使其通信行为具有较高的隐蔽性，可突破网络上的物理隔离进行隐蔽通信.

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[6]杨训仁, 陈宇. 大气声学[M]. 北京: 科学出版社, 2007

[7]陈桂英, 张国军, 刘梦然, 等. 短距离声通信研究及实现[J]. 科学技术与工程, 2013, 13(29): 8631-8634

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[11]Lopes C V, Aguiar P M. Acoustic modems for ubiquitous computing[J]. IEEE Pervasive Computing, 2003, 12(3): 62-71

丁雪洁

助理研究员，主要研究方向为物理空间安全、智能信号处理.

dingxuejie@iie.ac.cn

李 彬

工程师，主要研究方向为同态加密、密码算法效率和安全性、信息流安全分析.

Shadowman11@sina.cn

韦 迪

硕士研究生，主要研究方向为隐蔽通信、隐蔽信道建模技术.

weidi@iie.ac.cn

张 萌

硕士，工程师，主要研究方向为电磁泄漏发射检测技术、通信安全、计算机系统结构、嵌入式系统等.

zhangmeng@iie.ac.cn

孙德刚

硕士，正研级高级工程师，博士生导师，主要研究方向为高安全等级系统防护技术、电磁泄漏与发射技术、无线通信安全.

sundegang@iie.ac.cn

The Transmission Technology of Covert Information Based on Acoustic Channel

Ding Xuejie1, Li Bin3,4, Wei Di1,2, Zhang Meng1, and Sun Degang1

1(InstituteofInformationEngineering,ChineseAcademyofSciences,Beijing100093)2(UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049)3(BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044)4(NationalSecrecyScienceandTechnologyEvaluationCenter,Beijing100044)

In this paper we introduce a transmission technology of covert information using acoustic channel. As one of key covert communication technologies, it has been attracting widespread attention and interest in the study field of physical security. This technology can achieve the transmission of hidden information between smart terminal devices, such as smart phones and personal computers. The secret data was transformed into a sound wave (frequency ranging from 15 kHz to 20 kHz) and then sent out by speakers from transmitting end. At the receiving end, the sound wave was recorded by microphones and decoded. Compared with other close range communication modes, this technology has obvious advantage, not only can be implemented simply with low cost as long as the transmitter and the receiver are broadcast and recording equipment can be achieved,but also assure that the covert transmission of information in the hidden voice channel without detecting the existence of secret information by the third party.

acoustic channel; physical separation; terminal device; covert communication; information transmission

2016-01-10

国家自然科学基金项目(61501458)

张萌(zhangmeng@iie.ac.cn)

TP309.1