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關于混沌通信及其相關網絡信息安全研究的發展

發布時間:2015-12-05 15:09

  20年來,國內外混沌理論與應用研究方興未艾,一直處于穩健發展時期,其重要的標志之一是,發達國家積極推進了一系列混沌保密通信的重大研究計劃,并取得了長足進展和碩果.1998年美國國防部資助3家大學交叉聯合項目②,(簡稱MURI,3家大學是UCSD/UCLA/Stanford),其課題有“基于非線性動力學的數字通信裝置”,“利用混沌通信的基礎理論課題”以及“混沌通信系統的基礎性課題”等;1999年美國陸軍研究處、美國海軍研究實驗室與空軍科研處共同資助斯坦福大學和加州大學合作研究混沌通信計劃:“基于半導體激光器在自由空間的混沌通信”,等等,都取得了突出成果.其中,Rulkov小組提出的混沌脈沖定位調制(CPPM)進行數字通信的方案,克服了通信通道中對噪聲的敏感性和崎變性,具有良好的通信性能.但是MURI項目任務完成后,全部成果都上交了美國國防部機密處理,聯合網站也隨之關閉,以后實際軍事應用的內幕就不得而知了.歐盟第5屆科技框架計劃于2001-9-1至2004-8-31設立了OCCULT計劃③,重點研究利用半導體激光器實現混沌光通信.2005年9月,參與OCCULT項目的意大利研究者Annovaz-zi-Lodi等[9]實現了電視視頻信號在1.2km短距離光纖中的混沌保密通信.同年11月,歐洲OC-CULT項目的研究小組在希臘雅典城借用總長為120km的商用光通信網絡實現了數據傳輸速率為1Gb/s、誤碼率為10-7的混沌保密通信,激起了世人不小的反響和關注,窺見了混沌通信的曙光.2006-10-1至2009-9-30歐盟第6屆科技框架計劃啟動了PICASSO計劃,重點研制混沌通信系統中的有源和無源器件,旨在提供可實現波分復用的混沌通信系統.2008年,參與PICASSO計劃小組研制出能夠產生寬帶混沌的光子集成器件,作為實用的混沌發射機[10].歐盟科技第7屆框架計劃(2007-2013)投資501.82億歐元,國家合作領域的10個主題中有一個是信息通訊技術,與網絡信息安全密切相關.我國從20世紀90年代以來一直跟蹤國外該領域的研究,每年國家自然科學基金資助一些混沌通信的面上基金、青年基金和有關重點項目,還有信息產業部科技發展計劃項目等,與國外相比,我國重視和支持尚不夠,但我國在該領域也取得了與國際上同步的進展。

  混沌應用穩健發展的第2個標志是1998年研究幾何與混沌的麥克·馬倫獲菲爾茲獎,雄辯地說明了混沌科學理論的重要地位,混沌和分形理論密不可分,混沌、分形理論、計算機理論和現代通信理論的結合在混沌保密通信中發揮了重大作用,應用前景廣闊.近年來,密碼學作為信息安全的理論和關鍵技術研究十分活躍,美、歐、亞各洲頻繁舉行密碼學和信息安全以及混沌通信學術會議.從70年代開始到現在,基于混沌-分形的密碼理論的研究成為混沌保密通信研究的重要課題。

  混沌應用穩健發展的第3個標志是,在應用研究成果的推動下,國際上許多著名刊物陸續出版混沌通信應用專輯或專刊.例如《IEEE電路和系統學報(I):基本理論和應用》,從1993年開始出版了系列混沌通信應用研究的進展專刊,迄今先后出版了4期混沌應用方面的專輯[11-14],IEEE出版了混沌學在電子與通信工程中應用的會議專輯[15],我國《系統工程學報》今年也將出版《混沌和復雜網絡理論與應用專輯》,其他國家也同樣如此,這些都充分顯示了混沌通信研究的突出進展和廣闊的應用前景.2000年由國際上該領域的專家Kennedy和Kolumban共同主編了關于“非相干混沌通信”專刊[15].2001年由國際上該領域的5位專家Kocarev,Maggio,Ogorzalek,Pecora和Yao共同主編了“在現代通信系統中混沌的應用”專刊[14],該專刊“引言”指出:“現在國際上基于混沌的通信系統的發展已經處于成熟狀態,已認同幾種可行的通信方案頗具特色”,這個評論更加增強了人們的信心,看到了混沌通信美好的發展前景.2005年12月,希臘、法國、意大利等7個國家8個單位的學者在《Nature》雜志上聯合發表關于商用混沌光纖通信系統的快報無疑為實用混沌通信技術注入了強心劑[15].由于混沌系統的基本特性都已得到有效實驗驗證,這些特性與密碼需求相一致,引起密碼學界的高度關注和重視.早在1984年就提出了混沌加密思想,以后混沌和密碼學結合使混沌加密的研究不斷深入.迄今,不僅建立了數字化混沌通信,并將混沌密碼應用于信息安全與保密通信領域.隨著大規模集成電路的高速發展,計算機及可編程邏輯電路計算精度與運算速度的不斷提高,已使混沌特性退化程度大為減弱,混沌保密通信正在走向實用化。

  混沌應用穩健發展時期的第4個標志之一混沌通信及其加保密線路設備相關的專利數量增加,僅我國混沌保密通信相關專利60多項,占混沌應用專利總數的1/3。隨著國家現代移動通信的迅猛發展和寬帶接入的廣泛普及,各國政治、軍事、經濟、文化和社會生活對通信網和互聯網越來越多的需求,通信網和互聯網已成為國家關鍵基礎設施,獲得了迅速發展.近年來,經常發生網絡通信安全問在傳輸存儲處理過程中的數據信息丟失泄露或被非法篡改將對國家國防社會和經濟等造成嚴重的影響.例如,GSM網絡的SIM卡被克隆和通信內容被竊聽,IEEE802.11標準中的WEP算法被破解,盜用他人賬號上網等,令人越來越關注現有通信技術和網絡的安全性.鑒于國際上日益激烈的網絡安全形勢,今年我國工信部專門出臺了《通信網絡安全防護管理辦法》,從2010年3月起執行.這說明解決通信系統信息安全性問題對國家具有長遠的戰略意義。

  混沌通信與互聯網及軍事網絡信息安全密切相關.令人關注的是,1998年美軍提出了“網絡中心戰”④,2009年美國總統奧巴馬剛上臺就提出了制定網絡安全事件應急計劃和籌備美軍網絡司令部等重大決策.6月美國國防部馬上創建了世界上第1個網絡戰司令部,它成為與空軍作戰司令部、太空司令部平級的單位,麾下多達541個子司令部、65個空軍中隊、4個空軍網絡戰聯隊和陸、海軍網絡戰部隊.“網絡中心戰”的全面實現要經歷20~30年時間,在2015年建成全球信息網絡,2020年能實行較成熟的網絡中心戰.美國防部報告指出:“網絡中心戰可能是美國政府歷史上最復雜的任務,可與第二次世界大戰及對前蘇聯的冷戰相比是長期困難高費用和高風險的任務。”“這一任務豈止是非常復雜,所需的知識甚至還不存在.這類似當年美國的曼哈頓`原子彈工程'、`阿波羅'登月工程,需要長期的、動員全國力量的創新”.整個美軍的網絡戰部隊全面組建完畢時,它將擔負起網絡攻防任務,確保美軍在未來戰爭中擁有全面的信息優勢.與此同時,其他發達國家也紛紛響應,英國已宣布將通過3個階段來發展網絡使用能力;北約在完成了網絡使用能力可行性研究基礎上,正加速推進北約軍事戰略轉型;法國開始研發“網絡中心戰”核心裝備;澳大利亞則公布了“網絡中心戰”新的路線圖.美軍“網絡中心戰”首要任務之一是,實現信息化作戰環節,它包括9大核心系統,都與網絡信息安全直接密切相關,例如數據鏈系統、信息傳輸系統、敵我識別系統、導航定位系統、電視會議系統、數字地理系統和數據庫系統等,涉及這些系統的網絡理論方法和技術,最關鍵任務是建立基于“全球信息柵格”的信息保障體系.這些預示著空前激烈的網絡信息戰已不可避免,比“冷戰”時期更激烈的軍事文化和社會經濟更廣闊的一場競賽開始了.我國面臨著前所未有的挑戰.本文下面將著重討論目前應用研究中關心的若干主要課題、關鍵技術和研究方向,同時展望該領域應用發展前景。  

  1 數字化混沌通信

  迄今,數字化混沌通信一直是最重要的研究方向,因為數字通信系統的特點是抗干擾能力強、易于加密和大規模集成等,它與模擬混沌通信系統比較,具有結構簡單、易于實現和保密性能高等優勢,因此它必將取代模擬通信,在通信行業中占主導地位。利用數字化混沌技術實現數字化混沌通信,已被大量模擬仿真及科學實驗證實最具有實用前景。實驗證明:數-數通信仍能保存原混沌系統的許多特征,諸如:對初始值的高度敏感性、混沌序列的類似隨機性等,并且還有符合密碼學需要的特征,初始密鑰空間無限大、混沌系統惟一確定性等,并更易大量非線性運算和達到同步通信,使數字化混沌和加密理論結合構成信息安全與保密通信系統.但是,由于數-數混沌系統時域值受到有限精度和離散化限制,每一次迭代運算時都引入了量化誤差.只要提高運算精度,則平均量化誤差小,所以必須深入研究數字化的混沌特性,設計混沌序列密碼核,使之產生輸出良好的偽隨機序列,并對該序列進行預測,構造出可估計的數字化混沌序列密碼的基本模型,這樣在有限資源下最有效地調配系統參數、精度和初始值,確保輸出序列符合密碼序列要求,則可作為密鑰序列發生器或參與密碼運算,并能應用于加密系統和保密通信中.為此,數字化混沌序列密碼理論及其信息加密系統需要進一步創新。

  目前,混沌通信分為有線通信和無線通信.前者因為在理想信道中傳輸信號,基于混沌同步的通信比較容易實現.而無線通信的難度則比有線通信大得多.無線通信又有無線模擬通信和無線數字通信.基于模擬混沌電路系統的無線混沌通信保密系統,其核心問題是同步技術,關鍵為數字混沌序列的生成、收發雙方的混沌同步、混沌信號編碼以及利用群同步等方法恢復初態、相關解調恢復原信號.利用混沌與密碼學相結合的復雜混沌密碼通信,主要基于計算機有限精度下實現的數字化混沌系統.混沌密碼研究包括:利用單個或多個混沌系統產生偽隨機序列作為密鑰序列,實現對原文的加密;用明文或密鑰作為混沌系統的初始條件或結構參數,通過混沌系統合適的迭代次數產生密文。第1種方式對應于流密碼,第2種方式對應于分組加密.由于混沌序列是復雜的偽隨機序列,它在構造復雜流密碼上極具有優勢,且在保密通信中應用這種非線性序列,結構復雜,難以分析和預測,可以滿足網絡上數據安全傳輸和數字保密通信等領域的廣泛需求。

  為了真正推進混沌在工程實際中的應用,不論理論還是工程技術上都需要解決若干問題.首先,深入研究數字化后混沌特性的變異、短周期、退化的軌道分布和非理想的相關特性,這是真正應用面臨的難題之一.第二,需要研究用于評估混沌加密系統的安全性、復雜性和可靠性的一套標準,目前國際上尚缺乏統一標準.第三,探討數字化后混沌序列特性的測度問題,根據加密需要選擇不同級別加密算法.因此,目前,探討數字化混沌序列密碼新模型及切實解決上述工程應用中問題是實現數字化混沌通信的關鍵所在。

  2 時空超混沌通信

  高維時空超混沌保密通信一直是另一個重要研究方向,提出的模型和門類很多,這里僅示一例說明.近年來,利用高于3階細胞神經網絡(CNN)的超混沌通信研究,可望應用于空間多目標信號處理中,可為國防領域里解決設置在衛星、無人機、飛艇等天基載體上的基站等各種天基目標中的空中基站與地面基站、基站及目標之間等多目標測控及通信問題.由于時空超混沌系統的混沌動力學特性更復雜的隨機性和不可預測性,必將深刻地影響超混沌保密通信和多址通信.如具有多個正的Lyapunov指數和更多的可控參數,超混沌的加密信號一般比低維的混沌更破譯(如相空間重構、回歸映象和非線性預測等).因此,利用時空超混沌通信可以提高通信系統的抗攻擊和抗干擾能力.又因CNN特有的局域連接的結構,使其硬件容于實現,這樣利用CNN的超混沌特性進行保密通信具有重要的理論價值和實用意義。

  1988年,在Hopfield神經網絡和細胞自動機及超混沌理論的影響下,加州大學伯克利分校Chua和Yang提出面向超大規模集成電路(VLSI)實現的反饋型神經網絡,其規則的局域連接拓撲結構很適合解決信號處理問題,更符合實際生物神經網絡的連接模式,使網絡的連接鍵大為減少,更有利于VLSI硬件實現;Hopfield網絡理論的運用又使它可用模擬電路實現數字邏輯,同時也具有能量函數的概念,從而更易分析網絡的動態特性,更易用硬件實現實際應用系統的設計。CNN作為典型的非線性系統,期望利用其并行處理等優點,解決傳統信號處理算法難以解決的問題.確實在信號處理領域獲得了廣泛的研究和應用,已提出大量的實用算法,并設計、制造和使用了一些性能優良的CNN芯片.對比普通的數字迭代、蔡式電路等混沌發生電路,CNN具有高速并行運算、易于電路集成等特點,可望用于實現實時保密通信和多址通信。

  目前,國內外對CNN的研究主要集中在理論和應用研究兩大方面.理論上主要是CNN的動態特性及各種變形CNN的結構及特性研究,包括更接近真實電路實現的延遲CNN和離散CNN等.應用上主要研究CNN實用算法與設計,如圖像處理和模式識別,以及CNN硬件實現的研究,涉及基于光學、光電、VLSI、FPGA(field-programmablegatearay)以及硬件加速板研制等.在CNN的混沌與超混沌特性及混沌同步方面,目前已取得了一批科研成果,提出了1族1維4階CNN產生復雜的超混沌現象,其結構比傳統的2維CNN更簡單和更易實現。

  由于超混沌系統具有更加復雜的動力學特性,時空超混沌系統的同步研究比較一般混沌同步研究更為困難.迄今已經提出和研究了超混沌模型系統的同步問題,且應用于8階的延遲CNN以及包含5個Chua's電路構成的環路.國內不僅研究穩定性、混沌分岔、圖像處理算法、用FP-GA實現CNN硬件電路、模糊邏輯等方面,而且探索基于超混沌的空間多目標通信與測控系統,采用CDMA(codedirisionmaltipleaccess)體制和結合的擴頻通信技術,利用CNN超混沌特性進行通信應用.目前主要探討和深入研究非整數階和整數階CNN的超混沌特性及同步問題,尋找電路結構簡單、易于實現、性能更優良的超混沌序列,實現超混沌系統的同步,包括CNN的次最優多用戶檢測模型用于空間多目標的通信與測控體制,以滿足信息加密和多址通信的需求;同時研究在多址和多徑環境下將CNN超混沌系統用于空間多目標通信及信號處理問題,這些研究對未來空間通信技術的發展至關重要。

  方錦清

  (中國原子能科學研究院)

學術參考網:http://www.qfkih.com.cn/jsj/wl/142254.html

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