混沌通信及其相关网络信息安全研究的 若干进展 方锦清 按语:这是为系统工程学报专刊而撰写的一篇长篇综述, 现在把该文的前言关于混沌保密通信研究20年的概况进行交流.全文即将发表在系统工程学报今年最后一期. 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 和混沌同步方法 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 , 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 ，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 ，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 ，（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 2001 年 9 月 1 日 至 2004 年 8 月 31 日 设立了 OCCULT 计划 ，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 Annovazzi-Lodi 等人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 OCCULT 项目的研究小组在希腊雅典城借用总长为 120 km 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 年10 月1 日 至 2009 年9 月30 日 欧盟第六届科技框架计划启动了PICASSO 计划，重点对混沌通信系统中的有源和无源器件进行研制，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 。 欧盟科技第七框架计划（ 2007-2013 ）投资 501.82 亿欧元，国家合作领域的 10 个主题中一个是信息通讯技术，与网络信息安全密切相关。我国从 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，我国重视和支持不够，我国在该领域也取得了与国际上同步进展。 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 ， IEEE 出版了混沌学在电子与通信工程中应用的会议专辑 ，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 。 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 , 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 。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 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 ， 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 。 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 Argyris 1 , Dimitris Syvridis 1 , Laurent Larger 2 , Valerio Annovazzi-Lodi 3 , Pere Colet 4 , Ingo Fischer 5 , 10 , Jordi Garca-Ojalvo 6 , Claudio R. Mirasso 7 , Luis Pesquera 8 K. Alan Shore 9 1. Department of Informatics, University of Athens , Athens 15784 , Greece 2. UMR CNRS 6174, FEMTO-ST / Optics, University of Franche-Comt, 16 route de Gray , 25030 Besanon cedex, France 3. Department of Electronics, University of Pavia , 27100 Pavia , Italy 4. Instituto Mediterrneo de Estudios Avanzados, (IMEDEA, CSIC-UIB), Campus UIB, E-07122 Palma de Mallorca, Spain 5. Institute of Applied Physics, Darmstadt University of Technology, 64289 Darmstadt , Germany 6. Departament de Fsica i Enginyeria Nuclear, Universitat Politcnica de Catalunya, E-08222 Terrassa, Spain 7. Department de Fsica, Universitat de les Illes Balears, E-07122 Palma de Mallorca, Spain 8. Instituto de Fsica de Cantabria (CSIC-UC), Avd de los Castros s/n, E-39005 Santander, Spain 9. School of Informatics , University of Wales , Bangor LL57 1UT , UK 10. Present address: Department of Applied Physics and Photonics, Vrije Universiteit Brussel, Pleinlaan 2, 1050 Brussels , Belgium Correspondence to: Claudio R. Mirasso 7 Correspondence and requests for materials should be addressed to C.R.M. (Email: claudio@galiota.uib.es ). Top of page Chaotic signals have been proposed as broadband information carriers with the potential of providing a high level of robustness and privacy in data transmission 1, 2 . Laboratory demonstrations of chaos-based optical communications have already shown the potential of this technology 3, 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 120km of optical fibre in the metropolitan area network of Athens , Greece . The message is decoded using an appropriate second laser which, by synchronizing with the chaotic carrier, allows for the separation of the carrier and the message. Transmission rates in the gigabit per second range are achieved, with corresponding bit-error rates below 10 -7 . The system uses matched pairs of semiconductor lasers as chaotic emitters and receivers, and off-the-shelf fibre-optic telecommunication components. Our results show that information can be transmitted at high bit rates using deterministic chaos in a manner that is robust to perturbations and channel disturbances unavoidable under real-world conditions. 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。
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