关于混沌通信及其相关网络信息安全研究的发展
20年来,国内外混沌理论与应用研究方兴未艾,一直处于稳健发展时期,其重要的标志之一是,发达国家积极推进了一系列混沌保密通信的重大研究计划,并取得了长足进展和硕果.1998年美国国防部资助3家大学交叉联合项目②,(简称MURI,3家大学是UCSD/UCLA/Stanford),其课题有“基于非线性动力学的数字通信装置”,“利用混沌通信的基础理论课题”以及“混沌通信系统的基础性课题”等;1999年美国陆军研究处、美国海军研究实验室与空军科研处共同资助斯坦福大学和加州大学合作研究混沌通信计划:“基于半导体激光器在自由空间的混沌通信”,等等,都取得了突出成果.其中,Rulkov小组提出的混沌脉冲定位调制(CPPM)进行数字通信的方案,克服了通信通道中对噪声的敏感性和崎变性,具有良好的通信性能.但是MURI项目任务完成后,全部成果都上交了美国国防部机密处理,联合网站也随之关闭,以后实际军事应用的内幕就不得而知了.欧盟第5届科技框架计划于2001-9-1至2004-8-31设立了OCCULT计划③,重点研究利用半导体激光器实现混沌光通信.2005年9月,参与OCCULT项目的意大利研究者Annovaz-zi-Lodi等[9]实现了电视视频信号在1.2km短距离光纤中的混沌保密通信.同年11月,欧洲OC-CULT项目的研究小组在希腊雅典城借用总长为120km的商用光通信网络实现了数据传输速率为1Gb/s、误码率为10-7的混沌保密通信,激起了世人不小的反响和关注,窥见了混沌通信的曙光.2006-10-1至2009-9-30欧盟第6届科技框架计划启动了PICASSO计划,重点研制混沌通信系统中的有源和无源器件,旨在提供可实现波分复用的混沌通信系统.2008年,参与PICASSO计划小组研制出能够产生宽带混沌的光子集成器件,作为实用的混沌发射机[10].欧盟科技第7届框架计划(2007-2013)投资501.82亿欧元,国家合作领域的10个主题中有一个是信息通讯技术,与网络信息安全密切相关.我国从20世纪90年代以来一直跟踪国外该领域的研究,每年国家自然科学基金资助一些混沌通信的面上基金、青年基金和有关重点项目,还有信息产业部科技发展计划项目等,与国外相比,我国重视和支持尚不够,但我国在该领域也取得了与国际上同步的进展。
混沌应用稳健发展的第2个标志是1998年研究几何与混沌的麦克·马伦获菲尔兹奖,雄辩地说明了混沌科学理论的重要地位,混沌和分形理论密不可分,混沌、分形理论、计算机理论和现代通信理论的结合在混沌保密通信中发挥了重大作用,应用前景广阔.近年来,密码学作为信息安全的理论和关键技术研究十分活跃,美、欧、亚各洲频繁举行密码学和信息安全以及混沌通信学术会议.从70年代开始到现在,基于混沌-分形的密码理论的研究成为混沌保密通信研究的重要课题。
混沌应用稳健发展的第3个标志是,在应用研究成果的推动下,国际上许多著名刊物陆续出版混沌通信应用专辑或专刊.例如《IEEE电路和系统学报(I):基本理论和应用》,从1993年开始出版了系列混沌通信应用研究的进展专刊,迄今先后出版了4期混沌应用方面的专辑[11-14],IEEE出版了混沌学在电子与通信工程中应用的会议专辑[15],我国《系统工程学报》今年也将出版《混沌和复杂网络理论与应用专辑》,其他国家也同样如此,这些都充分显示了混沌通信研究的突出进展和广阔的应用前景.2000年由国际上该领域的专家Kennedy和Kolumban共同主编了关于“非相干混沌通信”专刊[15].2001年由国际上该领域的5位专家Kocarev,Maggio,Ogorzalek,Pecora和Yao共同主编了“在现代通信系统中混沌的应用”专刊[14],该专刊“引言”指出:“现在国际上基于混沌的通信系统的发展已经处于成熟状态,已认同几种可行的通信方案颇具特色”,这个评论更加增强了人们的信心,看到了混沌通信美好的发展前景.2005年12月,希腊、法国、意大利等7个国家8个单位的学者在《Nature》杂志上联合发表关于商用混沌光纤通信系统的快报无疑为实用混沌通信技术注入了强心剂[15].由于混沌系统的基本特性都已得到有效实验验证,这些特性与密码需求相一致,引起密码学界的高度关注和重视.早在1984年就提出了混沌加密思想,以后混沌和密码学结合使混沌加密的研究不断深入.迄今,不仅建立了数字化混沌通信,并将混沌密码应用于信息安全与保密通信领域.随着大规模集成电路的高速发展,计算机及可编程逻辑电路计算精度与运算速度的不断提高,已使混沌特性退化程度大为减弱,混沌保密通信正在走向实用化。
混沌应用稳健发展时期的第4个标志之一混沌通信及其加保密线路设备相关的专利数量增加,仅我国混沌保密通信相关专利60多项,占混沌应用专利总数的1/3。随着国家现代移动通信的迅猛发展和宽带接入的广泛普及,各国政治、军事、经济、文化和社会生活对通信网和互联网越来越多的需求,通信网和互联网已成为国家关键基础设施,获得了迅速发展.近年来,经常发生网络通信安全问在传输存储处理过程中的数据信息丢失泄露或被非法篡改将对国家国防社会和经济等造成严重的影响.例如,GSM网络的SIM卡被克隆和通信内容被窃听,IEEE802.11标准中的WEP算法被破解,盗用他人账号上网等,令人越来越关注现有通信技术和网络的安全性.鉴于国际上日益激烈的网络安全形势,今年我国工信部专门出台了《通信网络安全防护管理办法》,从2010年3月起执行.这说明解决通信系统信息安全性问题对国家具有长远的战略意义。
混沌通信与互联网及军事网络信息安全密切相关.令人关注的是,1998年美军提出了“网络中心战”④,2009年美国总统奥巴马刚上台就提出了制定网络安全事件应急计划和筹备美军网络司令部等重大决策.6月美国国防部马上创建了世界上第1个网络战司令部,它成为与空军作战司令部、太空司令部平级的单位,麾下多达541个子司令部、65个空军中队、4个空军网络战联队和陆、海军网络战部队.“网络中心战”的全面实现要经历20～30年时间,在2015年建成全球信息网络,2020年能实行较成熟的网络中心战.美国防部报告指出:“网络中心战可能是美国政府历史上最复杂的任务,可与第二次世界大战及对前苏联的冷战相比是长期困难高费用和高风险的任务。”“这一任务岂止是非常复杂,所需的知识甚至还不存在.这类似当年美国的曼哈顿`原子弹工程'、`阿波罗'登月工程,需要长期的、动员全国力量的创新”.整个美军的网络战部队全面组建完毕时,它将担负起网络攻防任务,确保美军在未来战争中拥有全面的信息优势.与此同时,其他发达国家也纷纷响应,英国已宣布将通过3个阶段来发展网络使用能力;北约在完成了网络使用能力可行性研究基础上,正加速推进北约军事战略转型;法国开始研发“网络中心战”核心装备;澳大利亚则公布了“网络中心战”新的路线图.美军“网络中心战”首要任务之一是,实现信息化作战环节,它包括9大核心系统,都与网络信息安全直接密切相关,例如数据链系统、信息传输系统、敌我识别系统、导航定位系统、电视会议系统、数字地理系统和数据库系统等,涉及这些系统的网络理论方法和技术,最关键任务是建立基于“全球信息栅格”的信息保障体系.这些预示着空前激烈的网络信息战已不可避免,比“冷战”时期更激烈的军事文化和社会经济更广阔的一场竞赛开始了.我国面临着前所未有的挑战.本文下面将着重讨论目前应用研究中关心的若干主要课题、关键技术和研究方向,同时展望该领域应用发展前景。
1 数字化混沌通信
迄今,数字化混沌通信一直是最重要的研究方向,因为数字通信系统的特点是抗干扰能力强、易于加密和大规模集成等,它与模拟混沌通信系统比较,具有结构简单、易于实现和保密性能高等优势,因此它必将取代模拟通信,在通信行业中占主导地位。利用数字化混沌技术实现数字化混沌通信,已被大量模拟仿真及科学实验证实最具有实用前景。实验证明:数-数通信仍能保存原混沌系统的许多特征,诸如:对初始值的高度敏感性、混沌序列的类似随机性等,并且还有符合密码学需要的特征,初始密钥空间无限大、混沌系统惟一确定性等,并更易大量非线性运算和达到同步通信,使数字化混沌和加密理论结合构成信息安全与保密通信系统.但是,由于数-数混沌系统时域值受到有限精度和离散化限制,每一次迭代运算时都引入了量化误差.只要提高运算精度,则平均量化误差小,所以必须深入研究数字化的混沌特性,设计混沌序列密码核,使之产生输出良好的伪随机序列,并对该序列进行预测,构造出可估计的数字化混沌序列密码的基本模型,这样在有限资源下最有效地调配系统参数、精度和初始值,确保输出序列符合密码序列要求,则可作为密钥序列发生器或参与密码运算,并能应用于加密系统和保密通信中.为此,数字化混沌序列密码理论及其信息加密系统需要进一步创新。
目前,混沌通信分为有线通信和无线通信.前者因为在理想信道中传输信号,基于混沌同步的通信比较容易实现.而无线通信的难度则比有线通信大得多.无线通信又有无线模拟通信和无线数字通信.基于模拟混沌电路系统的无线混沌通信保密系统,其核心问题是同步技术,关键为数字混沌序列的生成、收发双方的混沌同步、混沌信号编码以及利用群同步等方法恢复初态、相关解调恢复原信号.利用混沌与密码学相结合的复杂混沌密码通信,主要基于计算机有限精度下实现的数字化混沌系统.混沌密码研究包括:利用单个或多个混沌系统产生伪随机序列作为密钥序列,实现对原文的加密;用明文或密钥作为混沌系统的初始条件或结构参数,通过混沌系统合适的迭代次数产生密文。第1种方式对应于流密码,第2种方式对应于分组加密.由于混沌序列是复杂的伪随机序列,它在构造复杂流密码上极具有优势,且在保密通信中应用这种非线性序列,结构复杂,难以分析和预测,可以满足网络上数据安全传输和数字保密通信等领域的广泛需求。
为了真正推进混沌在工程实际中的应用,不论理论还是工程技术上都需要解决若干问题.首先,深入研究数字化后混沌特性的变异、短周期、退化的轨道分布和非理想的相关特性,这是真正应用面临的难题之一.第二,需要研究用于评估混沌加密系统的安全性、复杂性和可靠性的一套标准,目前国际上尚缺乏统一标准.第三,探讨数字化后混沌序列特性的测度问题,根据加密需要选择不同级别加密算法.因此,目前,探讨数字化混沌序列密码新模型及切实解决上述工程应用中问题是实现数字化混沌通信的关键所在。
2 时空超混沌通信
高维时空超混沌保密通信一直是另一个重要研究方向,提出的模型和门类很多,这里仅示一例说明.近年来,利用高于3阶细胞神经网络(CNN)的超混沌通信研究,可望应用于空间多目标信号处理中,可为国防领域里解决设置在卫星、无人机、飞艇等天基载体上的基站等各种天基目标中的空中基站与地面基站、基站及目标之间等多目标测控及通信问题.由于时空超混沌系统的混沌动力学特性更复杂的随机性和不可预测性,必将深刻地影响超混沌保密通信和多址通信.如具有多个正的Lyapunov指数和更多的可控参数,超混沌的加密信号一般比低维的混沌更破译(如相空间重构、回归映象和非线性预测等).因此,利用时空超混沌通信可以提高通信系统的抗攻击和抗干扰能力.又因CNN特有的局域连接的结构,使其硬件容于实现,这样利用CNN的超混沌特性进行保密通信具有重要的理论价值和实用意义。
1988年,在Hopfield神经网络和细胞自动机及超混沌理论的影响下,加州大学伯克利分校Chua和Yang提出面向超大规模集成电路(VLSI)实现的反馈型神经网络,其规则的局域连接拓扑结构很适合解决信号处理问题,更符合实际生物神经网络的连接模式,使网络的连接键大为减少,更有利于VLSI硬件实现;Hopfield网络理论的运用又使它可用模拟电路实现数字逻辑,同时也具有能量函数的概念,从而更易分析网络的动态特性,更易用硬件实现实际应用系统的设计。CNN作为典型的非线性系统,期望利用其并行处理等优点,解决传统信号处理算法难以解决的问题.确实在信号处理领域获得了广泛的研究和应用,已提出大量的实用算法,并设计、制造和使用了一些性能优良的CNN芯片.对比普通的数字迭代、蔡式电路等混沌发生电路,CNN具有高速并行运算、易于电路集成等特点,可望用于实现实时保密通信和多址通信。
目前,国内外对CNN的研究主要集中在理论和应用研究两大方面.理论上主要是CNN的动态特性及各种变形CNN的结构及特性研究,包括更接近真实电路实现的延迟CNN和离散CNN等.应用上主要研究CNN实用算法与设计,如图像处理和模式识别,以及CNN硬件实现的研究,涉及基于光学、光电、VLSI、FPGA(field-programmablegatearay)以及硬件加速板研制等.在CNN的混沌与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维4阶CNN产生复杂的超混沌现象,其结构比传统的2维CNN更简单和更易实现。
由于超混沌系统具有更加复杂的动力学特性,时空超混沌系统的同步研究比较一般混沌同步研究更为困难.迄今已经提出和研究了超混沌模型系统的同步问题,且应用于8阶的延迟CNN以及包含5个Chua's电路构成的环路.国内不仅研究稳定性、混沌分岔、图像处理算法、用FP-GA实现CNN硬件电路、模糊逻辑等方面,而且探索基于超混沌的空间多目标通信与测控系统,采用CDMA(codedirisionmaltipleaccess)体制和结合的扩频通信技术,利用CNN超混沌特性进行通信应用.目前主要探讨和深入研究非整数阶和整数阶CNN的超混沌特性及同步问题,寻找电路结构简单、易于实现、性能更优良的超混沌序列,实现超混沌系统的同步,包括CNN的次最优多用户检测模型用于空间多目标的通信与测控体制,以满足信息加密和多址通信的需求;同时研究在多址和多径环境下将CNN超混沌系统用于空间多目标通信及信号处理问题,这些研究对未来空间通信技术的发展至关重要。
方锦清
(中国原子能科学研究院)