博文
混沌通信及其相关网络信息安全研究的若干进展
精选
||||
混沌通信及其相关网络信息安全研究的
若干进展
方锦清
摘要： 本文简要评述了20年来混沌通信及其网络信息安全相关的应用研究进展概况，探讨了目前应用研究中涉及的若干重要课题、关键技术和研究方向, 主要课题包括：数字化混沌通信，时空超混沌通信，频分复用混沌光通信，噪声问题，混沌流密码，宽带无线混沌通信，多目标通信，超宽带高速全光混沌通信，混沌键控的超宽带通信,互联网混沌以及混沌应用等, 并展望该领域未来应用发展前景。
关键词: 混沌通信，网络信息安全，应用前景
中图分类号: 041515;N93 文献标识码: A
混沌保密通信研究20年发展概况
1990年是非线性科学非凡的一年,混沌应用研究取得了突破性进展,其标志是混沌控制方法[1]和混沌同步方法[2]及其实验验证同时取得了重要成果,混沌应用研究进入了一个崭新的阶段。美国海军实验室的两位学者佩科拉(Pecorra)和卡罗尔(Carroll) 首先应用电路试验实现了混沌同步[3],并立即提出了利用混沌同步进行保密通信及信息处理的实验方案，Ditto实验证明了混沌控制方法[4]，同时拉开了90年代以来国际上混沌保密通信技术及其他应用的序幕，为国际上高新科技发展开辟了一个新的生长点和应用天地。在混沌保密通信发展的20年中，国内外出版了不少混沌通信的论著[5-8]，从不同角度总结和评论了混沌保密通信及其相关网络的安全问题，这已成为现代信息科学的一个重要分支，许多论著对今后该领域的继续深入研究具有理论和实际参考与指导作用。
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年美国国防部部资助3个大学交叉联合项目[9]，（简称MURI,三家大学是UCSD/UCLA/Stanford），其课题有“基于非线性动力学的数字通信装置”，以及“利用混沌通信的基础理论课题”，“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，N.F.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。欧盟第五届科技框架计划于
混沌应用稳健发展的第二个标志是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，应用前景巨大。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一个重要课题。
混沌应用稳健发展的第三个标志是，在应用研究成果的推动下，国际上著名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2000年开始出版了系列混沌通信应用研究的进展专刊，迄今先后出版了四期混沌应用方面的专辑[13-16]，IEEE出版了混沌学在电子与通信工程中应用的会议专辑[17]，我国“系统工程学报”2010年也出版《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M. P. Kennedy和G. Kolumban共同主编了关于“非相干混沌通信”专刊[17]。2001年由国际上该领域的五位专家L. Kocarev,G. M. Maggio,M. Ogorzalek,L.Pecora和 K.Yao共同主编了“在现代通信系统中混沌的应用”专刊[16],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个国家的10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混沌通信技术实用注入了强心剂[17]。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，不仅了建立数字化混沌通信，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进实用化。
混沌应用稳健发展时期的第四个标志之一是，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三分之一。
随着国家现代移动通信的迅猛发展[18-23] 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，获得了大力发展，近年来，经常发生网络通信安全问题，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31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”[23-25]，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一个网络战司令部，它成为与空军作战司令部和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年建成全球信息网格，2020年能实行较成熟的网络中心战。美国防部报告指出：“网络中心作战 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，英国已宣布将通过三个阶段来发展网络使用能力；北约完成了网络使用能力可行性研究，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，它包括九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, 最关键任务是建立一种基于“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、文化和社会经济更激烈更广阔的一场竞赛开始了。我国面临着前所未有的挑战[24-25]。
附参考文献【17】
Letter
Nature 438, 343-346 (17 November 2005) | :10.1038/nature04275:10.1038/nature04275; Received 11 July 2005; Accepted 26 September 2005
Chaos-based communications at high bit rates using commercial fibre-optic links
Apostolos Argyris1, Dimitris Syvridis1, Laurent Larger2, Valerio Annovazzi-Lodi3, Pere Colet4, Ingo Fischer5,10, Jordi García-Ojalvo6, Claudio R. Mirasso7, Luis Pesquera8 & K. Alan Shore9
1. Department of Informatics,
2. UMR CNRS 6174, FEMTO-ST / Optics, University of Franche-Comté, 16 route
3. Department of Electronics,
4. Instituto Mediterráneo de Estudios Avanzados, (IMEDEA, CSIC-UIB), Campus UIB, E-07122 Palma de Mallorca, Spain
5. Institute of Applied Physics,
6. Departament de Física i Enginyeria Nuclear, Universitat Politècnica de Catalunya, E-08222 Terrassa, Spain
7. Department de Física, Universitat de les Illes Balears, E-07122 Palma de Mallorca, Spain
8. Instituto de Física de Cantabria (CSIC-UC), Avd de los Castros s/n, E-39005 Santander, Spain
9.
10. †Present address: Department of Applied Physics and Photonics, Vrije Universiteit Brussel, Pleinlaan 2, 1050
Correspondence to: Claudio R. Mirasso7 Correspondence and requests for materials should be addressed to C.R.M. (Email: claudio@galiota.uib.es).
Chaotic signals have been proposed as broadband information carriers with the potential of providing a high level of robustness and privacy in data transmission1, 2. Laboratory demonstrations of chaos-based optical communications have already shown the potential of this technology3, 4, 5, but a field experiment using commercial optical networks has not been undertaken so far. Here we demonstrate high-speed long-distance communication based on chaos synchronization over a commercial fibre-optic channel. An optical carrier wave generated by a chaotic laser is used to encode a message for transmission over 120 km of optical fibre in the metropolitan area network of
MORE ARTICLES LIKE THIS
These links to content published by NPG are automatically generated
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。
https://m.sciencenet.cn/blog-266190-381510.html
上一篇：网络科学专刊的目录清样(初排)
下一篇：听了英国大臣关于“科学、创新与经济增长”演讲的一点感想
