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      物理層安全技術(shù)及其在保密通信中的應(yīng)用

      2016-05-14 07:11:51曹文毓
      電子技術(shù)與軟件工程 2016年6期
      關(guān)鍵詞:物理層安全技術(shù)

      摘 要隨著當(dāng)今電子技術(shù)的快速發(fā)展,保密通信已經(jīng)在整個(gè)現(xiàn)代電信系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用,然而在通信過(guò)程中怎樣保證密鑰不被識(shí)破成為非常關(guān)鍵的問(wèn)題,當(dāng)前在網(wǎng)絡(luò)、金融行業(yè)中密鑰的安全性主要利用數(shù)學(xué)計(jì)算進(jìn)行保證?;诖?,文章首先針對(duì)常見(jiàn)的物理層安全技術(shù)概念進(jìn)行了簡(jiǎn)單闡述,然后帶著對(duì)這些概念的了解,對(duì)物理層安全技術(shù)及其在保密通信中的應(yīng)用進(jìn)行了深入分析,希望可以為大家提供一些參考。

      【關(guān)鍵詞】物理層 安全技術(shù) 保密通信

      一直以來(lái)無(wú)線通信系統(tǒng)的可靠性一直被人們所研究,可見(jiàn)保證無(wú)線通信的安全性是多么的重要。傳統(tǒng)保密手段主要以現(xiàn)代密碼學(xué)作為理論上的基礎(chǔ),利用加密算法及密鑰對(duì)信息進(jìn)行加密,但是隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的快速發(fā)展,這種保密通信方式很快失效,加上物理層安全技術(shù)王權(quán)依賴(lài)物理性的固有特性,來(lái)實(shí)現(xiàn)保密通信,這樣才能保證其更好的可靠性與安全性。

      1 概念解析

      無(wú)線通信系統(tǒng)中有很多專(zhuān)業(yè)的概念,只有大家了解了這些概念的基本意義,然能對(duì)相關(guān)物理層安全技術(shù)及在保密通信中的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行進(jìn)一步的分析,下面我們就幾個(gè)常見(jiàn)的概念進(jìn)行分析。

      1.1 分層協(xié)議結(jié)構(gòu)

      所有通信系統(tǒng)都是以如何完成通信可靠性、安全性、有效性來(lái)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的。通信的可靠性指?jìng)鬏斶^(guò)程中對(duì)各種客觀自然干擾能力進(jìn)行抵抗的能力,同時(shí)在它在軍事通信過(guò)程中,通常還包含抵抗人為設(shè)置干擾的能力;通信的安全性指?jìng)鬏斶^(guò)程中安全保密性能,也就是有關(guān)接收端防竊聽(tīng)以及發(fā)送端篡改等相關(guān)能力;通信的有效性指盡可能占有較少的時(shí)隙、頻段及功率條件下,盡量傳輸多一些的信源信息。

      物理層安全技術(shù)和以往的技術(shù)不同,主要利用無(wú)線信道的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)有效的安全通信。因?yàn)闊o(wú)線信號(hào)傳播具有開(kāi)放性特點(diǎn),其安全性面臨著很多安全上的漏洞,具體可以從以下幾方面分析:

      (1)無(wú)線信道擁塞很容易會(huì)發(fā)生,攻擊者會(huì)利用人為的方式使信道擁塞,通過(guò)這種方式來(lái)阻止合法用戶(hù)與網(wǎng)絡(luò)相連接,通常這種威脅是很難抵抗的。

      (2)如果不能形成鑒權(quán)機(jī)制,那么攻擊者就會(huì)未經(jīng)授權(quán)即與網(wǎng)絡(luò)資源相連接,進(jìn)而得到涉密信息。

      (3)由于無(wú)線傳輸介質(zhì)本身具有開(kāi)放性特點(diǎn),竊聽(tīng)者往往不需要利用先進(jìn)設(shè)備就可以獲得傳輸信號(hào)。

      1.2 保密容量

      與主信道相比如果竊聽(tīng)信道的質(zhì)量比較差,那么總會(huì)找到信道編碼使用戶(hù)可以正確解調(diào),竊聽(tīng)者不能從得到的信號(hào)中獲得任何信息,通過(guò)這種方式來(lái)達(dá)到保密狀態(tài)。通常這種編碼方式碼率都會(huì)存在上限,即保密容量。合法信道和竊聽(tīng)信道之間信道容量之差即為加性高斯信道保密容量。隨著近年來(lái)學(xué)術(shù)界對(duì)多天線信道、衰落信道等模型保密容量的研究,最終發(fā)現(xiàn),衰落、干擾及多天線實(shí)際上都對(duì)保密信道帶來(lái)了正面影響。

      2 物理層安全技術(shù)及其在保密通信中的應(yīng)用

      物理層安全是指充分利用物理信道的互易性及唯一性,來(lái)實(shí)現(xiàn)信息加密,對(duì)合法用戶(hù)與竊聽(tīng)者進(jìn)行有效區(qū)分,通常它是作為上層安全的一種有效補(bǔ)充存在的,可以使整個(gè)系統(tǒng)的安全性能得到提升。

      2.1 物理層密鑰的應(yīng)用

      無(wú)線信道本身具有互易性、唯一性等特征,在短時(shí)間之內(nèi)收發(fā)雙方觀察到的信道特征函數(shù)是一致的,如果利用鏈路信道狀態(tài)信息作為密鑰,那么收發(fā)雙方則不需分發(fā)和管理密鑰,直接保密通信。當(dāng)前我們主要利用無(wú)線信道特征對(duì)密鑰進(jìn)行產(chǎn)生、管理及分發(fā),同時(shí)充分結(jié)合傳輸技術(shù)及傳輸系統(tǒng)來(lái)產(chǎn)生密鑰算法。這種方法中存在的問(wèn)題在于,因?yàn)槭瞻l(fā)雙方對(duì)信道的估計(jì)存在一定差異,如果可以將差異控制在一定范圍,那么這種估計(jì)誤差則不會(huì)影響密鑰。

      2.2 安全編碼技術(shù)的應(yīng)用

      不管任何編碼方式其目的都是一樣的,在保證用戶(hù)通信可靠性的基礎(chǔ)上,使竊聽(tīng)者在比用戶(hù)信道情況稍差的情況下,不能對(duì)信息進(jìn)行可靠性辨識(shí)。經(jīng)過(guò)一系列的研究發(fā)現(xiàn),糾錯(cuò)碼、極化碼等經(jīng)過(guò)適應(yīng)性改變以后,都會(huì)達(dá)到保密容量極限,通常情況下保密容量信道編碼都是安全編碼。除此之外,代數(shù)預(yù)編碼、空時(shí)編碼等經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)以后,都能與保密信道容量相逼近。

      2.3 協(xié)作干擾技術(shù)的應(yīng)用

      在整個(gè)竊聽(tīng)信道模型中,只有竊聽(tīng)信道信道容量比合法信道小,這樣才能保證保密容量的存在,協(xié)作干擾技術(shù)應(yīng)用的作用在于引入差異化干擾,這樣竊聽(tīng)信道噪聲水平就可以比合法信道高。人工加噪的方式其核心思想在于利用天線發(fā)送信號(hào),人工噪聲和合法信道中信道特征函數(shù)為相互正交的狀態(tài)。經(jīng)過(guò)隨機(jī)擾動(dòng)以后對(duì)發(fā)送信號(hào)乘以加權(quán)系數(shù),那么就可以得到常熟,也就是說(shuō)竊聽(tīng)信道系數(shù)是隨機(jī)發(fā)生變化的。總之,通過(guò)這種方式可以使竊聽(tīng)信道噪聲水平高于合法信道,也就是說(shuō)竊聽(tīng)信道的質(zhì)量沒(méi)有合法信道信道的質(zhì)量好,因此竊聽(tīng)者即使可以獲得信號(hào),也不能從信號(hào)中提取出有用的信息。

      2.4 其他技術(shù)的應(yīng)用

      除了以上技術(shù)以外,還可以利用物理層信號(hào)細(xì)微特性對(duì)硬件設(shè)備的唯一性進(jìn)行識(shí)別,通過(guò)這種方式也可以達(dá)到設(shè)備鑒權(quán)的作用,例如在雷達(dá)系統(tǒng)及衛(wèi)星通信中應(yīng)用射頻指紋技術(shù),同時(shí)與傳感器網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合,這種情況下可以充分利用無(wú)線信道特征對(duì)竊聽(tīng)者與合法用戶(hù)進(jìn)行區(qū)分。

      當(dāng)前對(duì)信道估計(jì)技術(shù)的研究主要在基于信道估計(jì)準(zhǔn)確層面上,也就是說(shuō)一些信道的信息是確知的,經(jīng)過(guò)大量研究發(fā)現(xiàn),信道相位可以影響保密性,至于怎樣對(duì)信道相位估計(jì)的準(zhǔn)確性進(jìn)行提高,或者說(shuō)怎樣在相位估計(jì)不準(zhǔn)確的前提下,充分保證保密性能,這是未來(lái)研究的重要方向。

      3 結(jié)語(yǔ)

      綜上所述,當(dāng)前無(wú)線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)逐漸在民用通信及相關(guān)保密通信系統(tǒng)中取代了有線傳輸網(wǎng)絡(luò),然而利用無(wú)線媒質(zhì)對(duì)信息進(jìn)行傳輸?shù)倪^(guò)程中,竊聽(tīng)、擁塞等問(wèn)題不可避免會(huì)發(fā)生。基于此,本次研究主要針對(duì)物理層安全技術(shù)在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用展開(kāi)分析,并分別對(duì)現(xiàn)有的物理層安全技術(shù)進(jìn)行了說(shuō)明,供大家參考。

      參考文獻(xiàn)

      [1]鐘藝玲,穆鵬程.單發(fā)多收無(wú)線竊聽(tīng)信道中的自適應(yīng)保密速率傳輸方案[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2015(04):104-109.

      [2]邱詠明,劉菲,萬(wàn)程騁.無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)物理層安全風(fēng)險(xiǎn)及其防護(hù)技術(shù)研究現(xiàn)狀分析[J].保密科學(xué)技術(shù),2015(07):30-33.

      [3]李雪梅,夏倫月.現(xiàn)場(chǎng)總線及其安全技術(shù)在鐵路通信系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].科技資訊,2014(04):13-14.

      作者簡(jiǎn)介

      曹文毓(1993-),男,陜西省西安市人。西安文理學(xué)院機(jī)械與材料工程學(xué)院12級(jí)教育物理專(zhuān)業(yè)在讀本科學(xué)生。

      作者單位

      西安文理學(xué)院機(jī)械與材料工程學(xué)院 陜西省西安市 710065

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