文章总结： 本文针对船舶甚高频（VHF）无线通信系统中AIS等关键数据明文传输的安全风险，设计并实现了一种具备多重安全模式与战术功能的加密通信系统。该系统创新性地利用自定义密钥管理协议封装AIS标准8号报文，并采用基于AES256的动态与静态密钥混合加密机制。系统构建了包含标准通道和专用加密通道的三重物理信道架构，以及链路层加密与网络层身份认证的双重安全架构。此外，它还集成了正常、加密、混合及静默四种工作模式，以满足从常规航行到编队协同突击等多种战术场景需求。实测表明，该系统在保持与传统海事系统良好兼容性的同时，显著提升了通信的保密性、隐蔽性与战术灵活性1。 综合评分： 90 文章分类： 网络安全,解决方案,技术标准,应用安全,数据安全

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深度丨基于甚高频无线通信技术的船舶加密通信系统的设计与实现

原创

覃晓宁 覃晓宁

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2026年6月29日 17:45 北京

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★ 广州中科莱斯科技发展有限公司 覃晓宁

摘要：针对当前船舶甚高频（Very High Frequency，VHF）无线通信系统中AIS、DSC等关键数据明文传输存在的安全风险，本文设计并实现了一种具备多重安全模式与战术功能的船舶VHF加密通信系统。该系统创新性地利用自定义密钥管理协议封装AIS标准8号报文，并采用基于AES256的动态与静态密钥混合加密机制，对AIS终端数据进行实时加密处理。系统同时设计了三重物理通道架构：标准AIS A/B通道（CH87/CH88）及专用加密S通道（158.625MHz），并构建了链路层加密与网络层身份认证的双重安全架构。为实现多样化的海上行动需求，系统集成了四种工作模式：正常模式（N）、加密模式（Se）、混合模式（Si）及静默模式（H），支持从常规航行到编队协同突击等多种战术场景。实测表明，本系统在保持与传统海事系统良好兼容性的同时，显著提升了通信的保密性、隐蔽性与战术灵活性，为打击水上犯罪活动提供了有效的技术手段。

关键词：甚高频通信；船舶通信；AIS加密；动态密钥；战术通信；网络安全；工作模式

1　引言

甚高频（Very High Frequency，VHF）无线通信及其承载的自动识别系统（Automatic Identification System，AIS）、数字选择性呼叫（Digital Selective Calling，DSC）是现代化海事监管、航行安全与海上交通管理的核心。然而，国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）规定的AIS协议（如ITU-RM.1371）采用明文、周期性广播机制，导致船舶静态信息（MMSI、船名）、动态信息（位置、航速、航向）及航行状态完全暴露。这一固有缺陷已被广泛利用于非法活动，如海盗对高价值目标的识别跟踪、走私船队的隐蔽联络，以及通过“AIS欺骗”进行的身份伪造与干扰。

尽管IMO（International Maritime Organization，国际海事组织）已意识到相关风险，但现有海事通信标准为保障互操作性，并未内置强加密功能。少数具备加密功能的专用设备往往形成封闭系统，难以融入广泛部署的国际海事通信生态。因此，设计一套既遵循国际标准帧结构，又能实现高强度加密，并支持多种战术工作模式的VHF通信系统，对于保障海事执法安全、维护国家海洋权益具有紧迫的现实意义。

本文提出了一种全新的船舶VHF加密通信系统设计方案。其核心在于：（1）在标准AIS协议框架内，通过自定义的密钥管理协议与8号（二进制数据）报文实现加密通信；（2）建立包含公开通道与专用加密通道的三重物理信道架构；（3）定义四种可灵活切换的工作模式，以满足从和平时期公共航行到特殊时期协同行动的多样化需求。

2　系统总体设计

2.1　设计目标与要求

（1）安全保密性：实现对AIS/DSC关键数据的端到端加密，确保信息对未授权方不可读、不可伪造。

（2）战术隐蔽性：支持“对外隐蔽，对内可见”的通信模式，实现船舶身份的隐身与伪装，干扰敌方态势感知。

（3）标准兼容性：完全支持在AIS A/B通道（CH87、CH88）上的标准明文通信，确保与全球AIS网络的正常互操作。

（4）模式灵活性：提供多种工作模式，用户可根据任务场景（如日常航行、编队巡逻、突击行动）一键切换。

（5）实时性与可靠性：加密处理引入的延迟低于100ms，确保战术指令的实时传达；在复杂电磁环境下通信稳定。

2.2　系统架构

系统采用“射频前端+软件定义基带+安全应用模块”的硬件架构与“物理层-链路层-网络层-应用层”的分层协议栈。硬件核心组件如下：

（1）多通道SDR平台：采用具备多发射链的USRP X310或类似设备，支持同时监听/发射A、B、S三个独立VHF频道。

（2）高性能处理单元：搭载Inteli7或同等性能的嵌入式工控机，运行实时操作系统，处理协议、加密及模式控制。

（3）安全硬件模块：集成符合FIPS 140-3 Level 3标准的硬件安全模块（Hardware Security Module，HSM），用于安全存储根密钥及执行高强度密码运算。

（4）VHF功放与合路器：针对三个频道配置独立的前端滤波与功率放大，并通过合路器连接至单根VHF天线。系统架构图如图1所示。

图1 系统架构图

3　加密与安全通信方案设计

3.1　基于AIS8号报文的加密通信协议

3.1.1　核心设计原则

（1）无缝兼容性：所有加密报文均严格遵循ITU-R M.1371等AIS标准定义的8号报文（二进制广播数据）结构。网络中的任何标准AIS接收机均可接收并解析该报文头，不会将其视为错误帧。加密信息完全封装在标准定义的“数据”字段内。

（2）安全增强性：在兼容的基础上，通过加密、认证、完整性校验和密钥协商等手段，为AIS通信提供机密性、身份真实性和抗重放攻击能力。

（3）可扩展性与灵活性：通过DAC（区域应用码）和FID（功能标识符）定义丰富的子协议，支持密钥管理、安全数据传输、身份认证等多种功能。

3.1.2　自定义报文格式详解

8号报文的结构为：报文头（6比特消息ID等）+DAC（10比特）+FID（6比特）+数据（最多996比特）+填充/CRC。本系统设计完全遵循此结构，具体定制如表1所示。

表1

3.1.3　密钥协商流程

这是一个基于FID=001等类型的子协议，用于在通信双方之间安全地建立共享会话密钥。其流程建议采用混合加密体系。

（1）步骤1（请求）：船舶A生成一个临时公私钥对（如ECDH），将公钥PubKey_A、随机数Nonce_A及自己的身份标识（如MMSI）用系统预置的根证书公钥加密，或直接附带数字签名，封装到Data字段，通过DAC/FID=001报文广播。

（2）步骤2（响应）：船舶B收到后，验证签名/解密，生成自己的临时公钥PubKey_B和随机数Nonce_B。计算会话密钥SK=KDF(ECDH(PubKey_A，PrivKey_B)，Nonce_A，Nonce_B)。然后将PubKey_B、Nonce_B以及用SK加密的一个确认信息，封装到Data字段，通过FID=001报文回复给A。

（3）步骤3（确认）：船舶A计算相同的SK，解密确认信息，验证通过后，双方共享SK用于后续对称加密通信。

3.2　AES256混合加密机制

本系统采用基于AES256算法的静态密钥与动态密钥相结合的混合加密机制。该机制设计兼顾了高强度的实时数据保密性、通信效率以及长期的前向安全性，其核心在于建立并维护一个双层密钥体系，并规范其完整的生命周期管理。

3.2.1　密钥体系与生命周期管理

（1）静态主密钥（Long-term Master Key，LTK）

性质与生成：作为系统的信任根，其是一种长期有效的对称密钥，采用高强度真随机数发生器生成，密钥长度为256位，通常在生产阶段或通过安全的离线渠道预置到所有己方单元的HSM或安全存储区中。

身份绑定与认证：作为预共享密钥，其参与设备的初始双向认证过程，或用于签发和验证设备间的短期认证凭证。

会话密钥保护：用于加密保护动态会话密钥（Session key，SK）的传输。这是其最主要的功能，确保SK在分发过程中的机密性。

更新策略：LTK的更新周期较长（如按月、按季度或按任务阶段），需通过安全的外带或预协商机制进行。更新时，新旧密钥会有一个短暂的并行期，以确保通信不中断。

（2）SK

性质与生成：其为每次独立通信会话或每个固定时间段（如每小时）动态生成的短期对称密钥，长度同样为256位。其生成必须基于密码学安全的伪随机数发生器。

核心职责：直接用于加密实际传输的AIS动态信息（位置、航速、航向）或指挥控制指令等业务数据。

分发机制：SK的分发通过两种安全方式之一实现：

基于公钥密码学（PKI）：发送方使用接收方预配置的公钥（推荐使用ECCP-256，因其在同等安全强度下较RSA2048更高效）加密本次的SK，将密文封装在AIS8号报文中发送。只有拥有对应私钥的接收方才能解密获得SK。

基于静态密钥的密钥派生：在已建立LTK共享信任的基础上，通信双方根据共享的LTK、当前时间戳和一个随机数，通过密钥派生函数（KDF，如HMACSHA256）同步计算出一致的SK。此方式无需传输SK密文，效率更高。

销毁：会话结束或有效期届满后，SK必须从内存中彻底清除，仅保留加密后的通信记录。这确保了密钥的临时性。

3.2.2　数据加密与传输流程

当需要对业务数据进行加密发送时，遵循以下精细化流程：

会话密钥准备：发送方首先获取或生成当前有效的动态SK。如果是一次新会话，则通过上述分发机制确保接收方也能获得相同的SK。

选择AES256-GCM（Galois/Counter Mode）作为加密模式。此模式在提供高强度机密性（加密）的同时，集成了认证功能，能确保数据的完整性和真实性，可防止密文被篡改。

加密操作输入包括：明文数据（P）、SK，以及一个唯一的初始向量（IV，或称Nonce）。IV必须每次不同（如采用递增计数器或随机数），且与SK一起提供给接收方，通常可明文传输。

加密输出为密文（C）和一个认证标签（Authentication Tag）。标签用于接收方验证密文和关联数据（如AIS报文头）的完整性。

报文封装与传输：将C、Tag以及必要的IV（如果未预同步）一同封装到自定义的AIS 8号报文数据字段中。报文按照标准格式在指定的加密通道（S通道）广播。

接收与解密验证：授权接收方从报文中提取出IV和密文，使用本地相同的SK进行AES256-GCM解密运算。系统会同时验证认证标签，只有标签验证通过，才会输出解密后的明文数据；否则，视为报文无效或遭篡改，直接丢弃并记录安全事件。

3.3　三重信道与双重安全架构

（1）物理信道

A通道（CH87）/B通道（CH88）：用于标准AIS明文广播或混合模式下的伪装信息广播；S加密通道（158.625MHz）：专用信道，全时隙用于传输基于8号报文的加密数据，不与公共AIS网络争用资源，保障加密通信的实时性与可靠性。

（2）双重安全架构

在链路层实现安全加密：在S通道及A/B通道的加密报文中，应用上述AES256-GCM加密，确保数据在空中接口的机密性与完整性。

在网络层实现安全身份认证：于PKI或预共享对称密钥，在通信建立时进行双向身份认证，防止非法设备接入。认证信息可通过8号报文交换。

4　多工作模式设计与实现

系统核心创新在于四种可配置的工作模式，可以应对不同执法与战术场景。

4.1　正常模式（Mode N：Normal）

行为：在A、B通道完全遵循国际AIS标准，明文广播所有船舶静态、动态及航次信息。

应用场景：和平时期在国际水域或港口的常规航行，完全符合SOLAS公约要求。

4.2　加密模式（Mode Se：Secure&Encrypted）

行为：关闭在A、B通道的所有发射。船舶的实时动态、静态信息仅在专用S加密通道上，以加密的8号报文形式，向己方授权的编队成员广播。对外部观察者而言，该船在公共AIS网络中“隐身”。

应用场景：隐蔽执法、编队秘密集结、突击查缉等需要高度隐蔽性的行动。

4.3　混合模式（Mode Si:Stealth&Imitation）

行为：同时进行两种广播：（1）在S加密通道向己方广播真实的加密信息；（2）在A、B通道按预设策略广播伪装的AIS明文信息（如伪造的静态身份、偏移后的动态位置）。

应用场景：战术欺骗。例如，执法船伪装成商船接近目标；或船队通过广播虚假位置信息，迷惑和干扰对手的态势感知，为真实行动创造机会。

4.4　静默模式（Mode H：Silent&Hunter）

行为：完全停止所有通道的发射功能，仅作为接收机，监听A/B通道的公共AIS信息及S通道的己方加密信息。

应用场景：电子静默侦察、伏击。船只在关键区域隐蔽待机，通过被动接收全面掌握周边态势，而不暴露自身存在。

模式切换可通过驾驶台硬件开关或软件界面一键完成，系统自动处理信道切换、报文格式转换及密钥启用逻辑。

5　结论与展望

本文设计并实现的船舶VHF加密通信系统，成功解决了传统海事通信明文传输的固有安全缺陷。通过创新性地利用标准AIS报文封装加密协议、构建三重信道架构以及定义四种灵活的工作模式，系统在标准兼容性、战术隐蔽性和操作灵活性之间取得了卓越的平衡。它不仅能够有效保护我方船舶通信安全，更能通过“隐身”“伪装”和“静默”等高级功能，赋能海事执法部门采取更主动、更灵活的战术，显著提升了其应对水上犯罪、维护海上安全的能力。

参考文献略。

作者简介

覃晓宁（1979-），男，汉，广西岑溪人，本科，现就职于广州中科莱斯科技发展有限公司，研究方向是信息安全。

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来源 | 《自动化博览》2026年3月刊

责任编辑 | 赫敏

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