物理層安全技術(shù)及其應(yīng)用

胡愛群 東南大學網(wǎng)絡(luò)空間安全學院教授、博士生導(dǎo)師/東南大學信息安全研究中心主任

1. 引言

今天給大家分享我現(xiàn)在做的一項科研工作，是關(guān)于物理層安全的研究。網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)需要通信線路，需要傳輸各種各樣的信號，物理層安全講的是最底層如何利用物理的特性，設(shè)備也好，線路也好，利用它的物理特性來構(gòu)建安全的體系。首先給大家介紹一下什么是物理層安全技術(shù)，物理層安全技術(shù)涉及到兩個關(guān)鍵技術(shù)，一個是設(shè)備指紋的提取，另一個是無線信道或者有線信道利用信道特征產(chǎn)生密鑰，如何基于物理層安全技術(shù)構(gòu)建保密通信系統(tǒng)。

2.什么是物理層安全技術(shù)

物理層安全技術(shù)是一種利用通信設(shè)備和信道的物理特征，建立安全接入和保密通信體制的技術(shù)。

物理層是所有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的物理基礎(chǔ)，物理層安全技術(shù)為傳輸線路提供基礎(chǔ)安全保障；傳統(tǒng)的接入安全是依賴密碼技術(shù)的：身份認證和數(shù)據(jù)加密。在大規(guī)模應(yīng)用下，密鑰的分發(fā)和更新很困難。

目前，對傳統(tǒng)密碼系統(tǒng)的攻擊技術(shù)手段不斷加強，安全威脅日益嚴重，需要尋找更高安全等級的防護技術(shù)（利用自然特性）。

依據(jù)網(wǎng)絡(luò)分層（OSI七層模型），物理層位于七層協(xié)議的最底層。物理層跟傳輸設(shè)備和傳輸線路的特性有關(guān)。傳統(tǒng)的安全技術(shù)，比如最基本的網(wǎng)絡(luò)接入安全，是否允許一臺電腦接入一個網(wǎng)絡(luò)稱作接入控制，接入控制是網(wǎng)絡(luò)安全最基礎(chǔ)的一項工作。傳統(tǒng)的接入安全技術(shù)依賴密碼技術(shù)，我們用得比較多的是MAC地址，終端MAC地址對了，就允許接入網(wǎng)絡(luò)，或者是給終端發(fā)放一個數(shù)字證書，如果提交的證書是對的，就允許接入網(wǎng)絡(luò)，這是傳統(tǒng)的技術(shù)。這樣的傳統(tǒng)技術(shù)，在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下就面臨以下問題，物聯(lián)網(wǎng)的節(jié)點那么多，如何給這些節(jié)點分發(fā)密鑰；節(jié)點之間傳輸需要加密時，那么多節(jié)點的密鑰如何去管理。在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，很多認證和加密需求依靠傳統(tǒng)的密鑰管理方法會顯得非常困難，這是為什么需要物理層安全技術(shù)的一個原因。

需要物理層安全技術(shù)的第二個原因是對傳統(tǒng)密碼體制的攻擊，大家都聽說最近幾年出現(xiàn)的量子計算技術(shù)，量子計算機出現(xiàn)以后，量子計算機對傳統(tǒng)的對稱密碼體制和非對稱密碼體制的攻擊就非常容易，因為量子計算機通過暴力破解就可以破解密碼體制?；谏鲜鰞蓚€原因，我們希望尋找一種更高等級的安全體制，它是一種利用自然特性，密鑰可以隨時間變化、隨信道情況變化的安全性更高的體制?，F(xiàn)在，國際上物理層安全技術(shù)已成為一個熱點，有很多人在跟蹤去研究，目前物理層安全技術(shù)還處于應(yīng)用的前夜，就是看到曙光了，看到希望了，但是還沒有真正落地這么一種狀態(tài)。

2.1 網(wǎng)絡(luò)物理層安全擔負的任務(wù)

網(wǎng)絡(luò)物理層安全擔負的任務(wù)，其實就是傳輸設(shè)備和傳輸線路。有線傳輸介質(zhì)包括光纖、雙絞線、同軸電纜、電話線等；無線傳輸介質(zhì)包括射頻無線信號、光（可見、不可見的）。物理層特性是指網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和傳輸信道的自然物理特性。

任何的傳輸線都存在差異性，例如兩根50米的網(wǎng)線，如果分別測量它的傳輸特性，也存在差異。傳輸線路也好，設(shè)備也好，傳輸特性都存在差異，如果我們能獲得這種差異，就可以用它來做物理層的信息安全。

圖2所示是網(wǎng)絡(luò)分層（OSI七層模型）。從網(wǎng)絡(luò)分層來看，物理層是最底層，上面是數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會話層、表示層和應(yīng)用層。

物理層擔負的工作就是如何把信號傳過去。

圖1 網(wǎng)絡(luò)物理層傳輸介質(zhì)

圖2 網(wǎng)絡(luò)分層（OSI七層模型）

2.2 無線信道的物理層

無線信道的物理層，比如我們常見的手機，手機到基站，或者是物聯(lián)網(wǎng)的節(jié)點之間底層的信息。我們可以把物理層問題等價成一個模型，如圖3所示，把通信系統(tǒng)高度抽象，左邊是一個發(fā)射機，數(shù)據(jù)經(jīng)過發(fā)送電路，通過天線把它發(fā)送出去，中間部分是傳輸信道，例如手機到基站之間這一段的無線通道，在接收端通過天線把它接收下來，經(jīng)接收電路產(chǎn)生數(shù)據(jù)輸出。

圖3 無線信道物理層模型

研究物理層安全有兩大工作，一是發(fā)送接收設(shè)備的設(shè)備指紋。指紋是由發(fā)送電路本身的特性產(chǎn)生的。什么是設(shè)備指紋，一萬臺手機生產(chǎn)出來了，生產(chǎn)過程中每一個器件都有生產(chǎn)偏差，這是由工藝所決定的。例如大家去做一個電路實驗時，每個人都去買一個1K電阻回來，你會發(fā)現(xiàn)用電表測量所買的標稱1K電阻，其阻值不是1K，可能是1.01K或0.99K。手機里有許多集成電路芯片，每一個集成電路器件中都集成有大量的電阻、電容、電感，三極管、二級管，同樣一個批量造出來的手機中每一個器件參數(shù)都是有偏差的，導(dǎo)致數(shù)據(jù)經(jīng)過電路調(diào)制、上變頻或濾波以后，就會將這種偏差寄生在信號中。也就是說每一臺手機，二進制的數(shù)據(jù)都一樣，不同的發(fā)射電路出來以后，在信號中寄生的物理的東西不一樣，這是手機硬件本身造成的。這個東西我們把它叫做指紋。

二是無線信道的信道傳輸特性。這樣的信號經(jīng)過信道傳輸時，例如手機跟基站之間進行通信，打電話到基站的時候，手機的空中信號經(jīng)過多種路徑（多徑）傳輸?shù)竭_基站，這樣就形成了一個獨有的信道特性。在相距很短的距離，例如在距離十幾厘米的兩個不同地方打電話，手機信號到達基站所歷經(jīng)的通道都不一樣，因為兩者之間的傳輸多徑不一樣。微波理論有一個基本定律，竊聽者要獲取信道特性，必須處在離通信者1/2波長之內(nèi)的距離，所以提取的信道特性和人所處的空間位置存在唯一性的關(guān)系，我們可以用指紋識別設(shè)備身份，獲取信道特性為兩邊數(shù)據(jù)加密。

指紋是設(shè)備獨有的，造出來的每個設(shè)備都會不一樣，信道與物理位置有關(guān)系。因此通信雙方的物理位置沒有第二個人可以獲得。因為信道特性是唯一的，只是跟你這個人所在的位置有關(guān)系。這樣我們通過信道特性建立安全時，安全性就非常高。物理層特性可以歸納為：（1）設(shè)備指紋是由收發(fā)設(shè)備決定的；（2）信道特性是由無線信號的傳輸環(huán)境決定的；（3）物理層特性具有惟一性；（4）物理層特性難以克隆。指紋肯定難以克隆，設(shè)備生產(chǎn)出來，你沒辦法去獲得一個設(shè)備的指紋，信道也一樣，沒辦法站到我這個地方，除非你站在我這個地方，你才能獲得我跟別人通信的信道特性，這是不可能的。所以有這樣的特點，這是安全的基礎(chǔ)。

2.3 基于物理層特性進行安全防護的優(yōu)勢

（1）設(shè)備指紋的長期穩(wěn)定性和唯一性，可用來識別設(shè)備身份。

我們通過實驗室的長期實驗，發(fā)現(xiàn)設(shè)備指紋有長期的穩(wěn)定性，設(shè)備器件隨著時間的變化會老化，但設(shè)備老化是緩慢的，通信設(shè)備比如手機幾年就更換了，等設(shè)備老化的時候，我們已經(jīng)不用它了。設(shè)備指紋的長期穩(wěn)定性和唯一性，可用來識別設(shè)備身份。

（2）通信信道特性具有惟一性、時變性，可用來產(chǎn)生時變的密鑰。

通信信道特性也具有惟一性，無線信道還具有一個很好的特點，它具有時變性。什么是時變性，比如說我在打手機，一邊打一邊走，我和基站之間的信道傳輸特性是一直變化的。隨著我走，無線信道的傳輸多徑一直在變化，這樣就可以獲得我和基站之間一個對稱信道特征。它可以用來產(chǎn)生一個時變的密鑰。如果能獲得一次一密，是最安全的，如果每發(fā)送一個數(shù)據(jù)包密鑰都不一樣，但這在實踐中很難做到。物理層安全可以提供這樣的特征，在移動通信環(huán)境下信道一直在變化，就可以做到一次一密，移動越快，密鑰變化也越快，通信雙方可以共享一樣的信道特征。一樣的信道特征，且具有時變性，就可以抵御量子計算的攻擊。

（3）信道的短時互易性，由信道特性產(chǎn)生對稱密鑰，雙方無需交換，簡化了密鑰管理。

什么是短時互易性，就是說我在和基站通訊的時候，但這里有個前提條件，就是我們目前的研究假定是TDD的時分雙工信道。我發(fā)送給基站的信號和基站發(fā)送給我的信號叫上下行信號，它采用TDD的方式，就是時分雙工方式。LTE方式下有TDD和FDD的兩種模式，TDD方式下上行和下行信道具有短時互易性，就是說我上行發(fā)給他信號的時候，他瞬時就回給我一個信號，上下行時間非常短，這意味著這兩個信道長得一模一樣，獲得的密鑰就一致，就可以用來做對稱密鑰。

（4）對于有線通信，物理上可檢測是否有竊聽發(fā)生。我們可以通過有線的并線和干擾，獲得信道特性的變化，由此檢測是否有竊聽發(fā)生。有線通信中有很多對稱的信道。例如廣電的同軸電纜，上下行信號如果同在同軸電纜中傳輸，就具有很好的互易性。電話線也具有互易性，經(jīng)交換機連接電話機的電話線通過兩線傳輸，上下行是對稱的。如果我們能找到上下行對稱的信道，就可以通過物理層特性做安全。但有些場景下不具備。

2.4 物理層安全技術(shù)的目標

物理層安全的目標是什么？一是利用設(shè)備指紋確定通信設(shè)備身份，就是做設(shè)備的認證，二是利用信道特性對信道上傳輸數(shù)據(jù)進行保護，就是數(shù)據(jù)加密，設(shè)備的認證和數(shù)據(jù)加密，這是我們做安全最基礎(chǔ)的工作，任何通訊系統(tǒng)都需要做的工作。

圖4 功率放大器的幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)曲線

濾波器的差異。

其它影響因素包括：上電啟動后的信號包絡(luò)。受電阻/電容和其他干擾等因素的影響，包絡(luò)起伏不定。

設(shè)備指紋影響因素總結(jié)：

（1）設(shè)備指紋來源于發(fā)射機器件的各個環(huán)節(jié)；

（2）由于發(fā)射機是一個綜合了各個環(huán)節(jié)的整體，因此很難分別對其進行分析并提取特征。

這里會涉及以下關(guān)鍵技術(shù)：

（1）設(shè)備指紋的提取、呈現(xiàn)與識別；

（2）信道互易性增強、特征提??；

（3）對稱密鑰的生成、密鑰一致性的校驗；

（4）密鑰隱私放大技術(shù)；

（5）接入認證系統(tǒng)構(gòu)成；

（6）保密通信系統(tǒng)構(gòu)成。

3.關(guān)于設(shè)備指紋的研究

3.1 設(shè)備指紋

在通訊里很多設(shè)備，例如手機、有線網(wǎng)卡、無線網(wǎng)卡、電話機、交換機、以及廣電使用的機頂盒等設(shè)備，任何一臺設(shè)備都有指紋。我們把設(shè)備指紋也叫做設(shè)備的DNA，它是由設(shè)備中各種器件生成的。設(shè)備存在的各種影響因素，有放大器、天線、濾波器、振蕩器、電容/電感、射頻微帶線及其它干擾因素等；由于設(shè)備在制造時就已經(jīng)摻入了上述的各種影響因素，其綜合產(chǎn)生的結(jié)果在每一個設(shè)備上都不同。

比如功率放大器，我們測量一臺功率放大器時，會得到圖4示例的曲線，如果你換一臺功率放大器再去測量，得到的一定是另外一條曲線，肯定不會完全重合，一定有偏差，這種幅度和相位的非線性會導(dǎo)致不一樣信道設(shè)備的特性。例如天線，天線回波、駐波干擾、帶內(nèi)的非線性響應(yīng)、帶外的互調(diào)干擾，會造成天線的差異。

濾波器的濾波響應(yīng)，影響帶內(nèi)的平坦，會造成

圖5 濾波器幅頻響應(yīng)

設(shè)備指紋研究思路：

（1）從接收信號上升時刻的瞬態(tài)信號中提取設(shè)備指紋；（瞬態(tài)特征，針對性強）

（2）在接收機上，通過觀測基帶I/Q信號的星座圖、信號軌跡及其分布，提取設(shè)備指紋。（穩(wěn)態(tài)特征，通用性好）

3.2 設(shè)備指紋產(chǎn)生

I/Q路調(diào)制電路的不平衡性、本振頻偏、濾波器幅頻特性、放大器的非線性等，造成了設(shè)備指紋。

圖6 設(shè)備指紋產(chǎn)生模型

3.2.1 基于星座圖的方案

（1）無線通信系統(tǒng)發(fā)射端發(fā)射一組擴頻序列（如WiFi系統(tǒng)里的直接擴頻序列DSSS ）、BPSK或QPSK信號；

（2）接收端通過觀測信號在接收機上的星座圖分布及變化，提取發(fā)射機射頻指紋的綜合特征。

我們發(fā)射一個QPSK信號，其標準的星座圖如圖7左邊星座圖所示，接收機上的星座圖如圖7右邊星座圖所示，星座圖每個點不再是原來位置，為什么會這樣？是因為發(fā)送電路里面加入了指紋特征，使得星座圖發(fā)生變化。

影響接收機星座圖的因素如下：

（1）白噪聲干擾

其特征主要受接收信號強度的影響（通信距離）。

（2）相位噪聲干擾

系統(tǒng)的振蕩器，射頻器件的相位噪聲都會產(chǎn)生干擾；具有明顯的設(shè)備指紋特征。

（3）增益壓縮的干擾

主要受功率放大器、天線等非線性的影響因素；具有明顯的射頻指紋特征。

（4）帶內(nèi)干擾主要是受信道綜合響應(yīng)的影響，包括了傳輸過程的信道響應(yīng)，發(fā)射機和接收機的頻響。

（5）載波抑制干擾

載波抑制差造成星座圖的整體平移。

（6）I/Q正交不平衡干擾

受發(fā)射機的I/Q兩路響應(yīng)不平衡所造成；具有明顯的射頻指紋特征。

從接收信號的星座圖去觀察星座圖的變化，就可大致判斷發(fā)射機指紋的模樣，實踐證明這是一個有效的方法。

3.3 設(shè)備指紋測量方法

設(shè)備指紋測量方法見圖14。

圖14中，x(n)為發(fā)送的調(diào)制信號（如QPSK）。

圖7 QPSK信號星座圖

圖8 白噪聲干擾的接收機星座圖

圖9 相位噪聲干擾的接收機星座圖

圖10 增益壓縮干擾的接收機星座圖

圖11 帶內(nèi)干擾的接收機星座圖

圖12 I/Q正交不平衡干擾的接收機星座圖

圖13 載波抑制干擾的接收機星座圖

圖14 設(shè)備指紋測量方法

在頻域觀察的y(n)星座軌跡圖：

式中，HR(z) 是接收機指紋，HT(z)是發(fā)射機指紋，HAB(z)是信道，X(z)是標準QPSK調(diào)制信號。

我們的工作是找到HT(z)發(fā)射機的指紋。我們用一個批次買回來的兩臺設(shè)備，把其中一臺作為發(fā)射，一臺作為接收。實際測量到的兩臺設(shè)備的星座軌跡圖如圖16、圖17所示，兩臺設(shè)備的星座軌跡圖完全不一樣，這顯示它們的指紋不一樣，根據(jù)基帶I/Q信號軌跡的形狀就可以確定發(fā)射機的身份。

我們對兩臺設(shè)備的星座軌跡圖進行了處理，使其指紋特色更加明顯。處理后的星座軌跡圖見圖18?？梢钥吹絻膳_設(shè)備指紋通過處理后，會得到兩個完全不一樣的特征，也就是說我們可以通過這樣的特征去識別設(shè)備。

我們做過一個批量實驗，我們買了54個一模一樣的發(fā)射模塊，用通用軟件無線電平臺去接收54個發(fā)射模塊的信號，然后把接收到的信號數(shù)據(jù)送到電腦里做分析，分析以后形成指紋圖，得出的結(jié)果是，54個發(fā)射模塊都是可以區(qū)分開來的，識別率與信噪比有關(guān)系，在信噪比較高時，就可以完全區(qū)分開，正常的識別率約為99%，在25dB信噪比時，識別率約為97.5%。

圖16 5.8GHz QPSK基帶I/Q信號軌跡

圖17 2.4GHz 16QAM 基帶I/Q信號軌跡

圖18 處理后的星座軌跡圖

圖19 射頻指紋識別

圖20 百兆有線網(wǎng)卡4B/5B基帶編碼信號的指紋

剛才講的是無線，我們還一直在做有線物理層安全的實驗，并取得較好的效果。有線的接入需求比無線要更多一點，現(xiàn)在很多涉密單位，例如廣電也會有安全等級要求高的網(wǎng)絡(luò)。常用的接入安全可以通過MAC地址來檢測，MAC地址正確允許接入，MAC地址不正確就不允許接入，還可以用數(shù)字證書的方法，但目前數(shù)字證書的方法用得比較少。還有一種方法，去判斷設(shè)備的指紋對不對，在交換機處加一個對終端指紋檢測的裝置。圖20是我們對兩張一模一樣的百兆有線網(wǎng)卡提取的指紋。一百兆網(wǎng)卡采用的是4B/5B基帶編碼，通過網(wǎng)卡的4B/5B基帶編碼，傳送到線路驅(qū)動器和發(fā)送濾波器，線路驅(qū)動器和發(fā)送濾波器的特征就會疊加在網(wǎng)卡上，我們在接收端發(fā)現(xiàn)這兩張的網(wǎng)卡特征是不一樣的。我們對同一批次同一型號25張網(wǎng)卡做過實驗，每張網(wǎng)卡的特征都不一樣，都可以嚴格地區(qū)分開來。所以，有線網(wǎng)卡也可以找到它們的差別。

表1是我們對采集相同廠商網(wǎng)卡設(shè)備指紋特征的實驗結(jié)果。實驗的每張網(wǎng)卡做50次，正確識別率為98%-100%，國外對于相同廠商網(wǎng)卡的正確識別率為76.73%（2016年），差別就是我們用的方法不一樣。同一廠商同一型號和批次網(wǎng)卡是很難區(qū)分的，是對算法的很大考驗。

表2是我們對采集不同廠商網(wǎng)卡設(shè)備指紋特征的實驗結(jié)果。實驗的每張網(wǎng)卡做15次，正確識別率為100%，國外的正確識別率為97.67%（2016年）。

表1 相同廠商網(wǎng)卡設(shè)備指紋特征識別效果

表2 不同廠商網(wǎng)卡設(shè)備指紋特征識別效果。

基于設(shè)備指紋的接入認證及技術(shù)可用于計算機終端到網(wǎng)絡(luò)交換機的接入認證，圖21是一個典型場景，用于終端設(shè)備到交換機的接入控制。電腦接入交換機上后，會在后臺認證服務(wù)器中的設(shè)備指紋庫中驗證接入設(shè)備的指紋是否合法，設(shè)備指紋合法，允許接入；非法的設(shè)備指紋，交換機就直接將接入設(shè)備封死，不允許接入。目前這種應(yīng)用在涉密網(wǎng)絡(luò)中有明顯的需求。

4.關(guān)于信道特征密鑰的研究

我們以上講的是如何從設(shè)備里提取指紋，用它來做接入控制。研究物理層安全技術(shù)還有一項工作，如何提取信道特征，用信道特征來建立對稱密鑰。

圖21 設(shè)備指紋接入認證典型應(yīng)用場景

圖21 是手機到基站通信的應(yīng)用場景。手機到基站通信的信道是無線信道，信號會經(jīng)歷多徑的傳輸，就是說手機信號到達基站，或者基站信號到達手機，是一個經(jīng)過多徑的傳輸過程，包括直射波和多個反射波。因為在瞬間通信時，只有手機端和基站端才會共享信道的特性，竊聽者Eve想要獲得信道特性就必須進入手機的相干半徑之內(nèi)，相干半徑是1/2波長。這是微波理論中的一個基本定律。

因為手機和基站共享一個信道，手機給基站發(fā)送信號時，在基站端設(shè)備可以分析獲得這個信道特性，同樣基站給手機發(fā)送信號時，在手機端也可以分析獲得信道特性。在一次TDD通信時，由于信號上下行時間很短，在手機端和基站端獲得的信道特性非常接近（見圖21）。因為兩者總有不一樣的地方，例如互易性的差異，由于基站和手機處于不同點造成噪聲的差異，我們可以通過信號處理，把手機端和基站端的信道特性圖做得一模一樣，然后把它做成同樣的密鑰，手機發(fā)送數(shù)據(jù)時，就可以用密鑰加密數(shù)據(jù)，在基站端可以把密鑰解出來，而空中竊聽就沒有可能，因為竊聽者無法獲取密鑰。使用這種技術(shù)，在移動環(huán)境下，可以達到近似“一次一密”的完美前向保密特性，無線通信會十分安全。

4.1 物理層安全模型

物理層安全模型見圖23。

圖22 手機到基站通信應(yīng)用場景

圖23 物理層安全模型

傳遞函數(shù)HAB(z)和HBA(z)具有很好的互易性，即HAB(z) ≈HBA(z)；Eve難以獲得相同的傳遞函數(shù),除非竊聽者非?？拷麬lice或Bob（相干距離之內(nèi)）。

4.2 無線信道特性

接收信號中包含了收發(fā)設(shè)備以及信道的物理特性。

無線信道的衰落特性見圖25和圖26。

信道特性提取的方法很多。圖27是一個國外文獻公布的在一次通信中收發(fā)雙方獲得的信道特性，圖中紅色和藍色的兩條曲線包絡(luò)幾乎一樣，但細節(jié)上差異很大。我們要用算法去除細節(jié)上的差異，去除差異的方法，學術(shù)上叫做信道互易性增強的方法，如何去提高互易性目前是學術(shù)界研究的熱點。

影響信道互易性因素有（1）射頻指紋（設(shè)備指紋）；（2）兩端接收天線處的噪聲；（3）TDD模式下的兩端測量時刻的偏差。

4.3 信道互易性增強方法

信道互易性增強方法有（1）去除非互易因素，從接收信號中剝離數(shù)據(jù)信號和設(shè)備指紋；（2）彌補非互易成分，兩端交換一定的信道信息，提升信道的互易性信息，但會造成部分信道信息的泄露。

4.3.1 基于主分量分析的互易性增強方法

提高互易性可以用基于主分量分析的方法，這是信號處理常用的一種方法，基于主分量分析的方法對提取出的信道特性做進一步處理，取出其中的主分量；通過主分量重構(gòu)信號，再產(chǎn)生密鑰，這樣密鑰的一致性可大大增強。

圖24 無線信道收發(fā)設(shè)備及信道的物理特性

圖25 移動過程中接收信號的幅度衰落特性

圖26 頻率選擇性衰落反映在各子載波幅度

圖27 通信雙方獲得的信道特性

圖28 基于主分量分析的互易性增強

把N個主分量按特征值從大到小重新排列，并分為兩部分：前M個分量（CQA2）和后N-M個分量（CQA1）。兩端的前M個分量是一致的，而后面的N-M個分量可能是不一致的。

還可以采用信號分解方法提升互易性?；谏漕l指紋與信道特性之間是卷積關(guān)系；信道特性的多徑模型呈現(xiàn)稀疏性；用ESPRIT信號分解方法可以把射頻指紋與信道特性進行有效分離。

目前我們已解決多個接收天線條件下OFDM信號的射頻指紋分離難題。

5.密鑰生成流程

下面介紹密鑰的生成流程，密鑰生成流程見圖29。獲取信道特征以后，就可以獲得一個初始密鑰，獲取初始密鑰以后，目前的密碼算法要求兩邊的加密密鑰完全一樣，如果有一個比特不一樣，就無法解密。即使通過我們的方法獲得的初始密鑰KA和KB已經(jīng)高度一致了，但是還會擔心萬一有一個比特不一樣怎么辦？所以這時需要把兩邊獲得的初始密鑰做一次比較。密鑰本身不能直接傳過去，如果直接傳過去就泄密了，不安全了，通常是把密鑰做一個哈希，把這邊Alice端的KA做一個哈希，把哈希值的結(jié)果發(fā)過去，那邊Bob端的KB密鑰也做一個哈希，直接比較兩個哈希值的結(jié)果，如果這兩結(jié)果是一致的，這兩個密鑰就是一樣的，我們知道哈希算法是安全的。通過這樣的方法，如果兩個哈希值一樣，就可以加解密數(shù)據(jù)了。

密鑰的生成流程因為要驗證，就會動到上層協(xié)議，驗證過程要透過IP層或傳輸層交互數(shù)據(jù)，構(gòu)建物理層安全系統(tǒng)就不僅和物理層有關(guān)系，與物理層的上層也有關(guān)系，這樣會給應(yīng)用帶來麻煩?，F(xiàn)在有更好的方法，可以把密鑰生成做一個修改，密鑰本身不去比較，簡單說把密鑰和數(shù)據(jù)做異或邏輯運算，異或后的數(shù)據(jù)在傳輸時經(jīng)過信道會產(chǎn)生誤碼，密鑰的不一致可視為誤碼，在接收端可以通過數(shù)據(jù)糾錯的方法糾正誤碼。這種方法不需動到上層，在物理層就可以解決問題，現(xiàn)在傾向用這種方法，物理層安全技術(shù)用到通信系統(tǒng)中與上層是沒有關(guān)系的。

基于Hash值的密鑰一致性校驗，不存在密鑰信息泄露，但可用密鑰數(shù)量將可能很少。

前向糾錯密鑰一致性校驗方法是學術(shù)界在研究的一種方法，通過伴隨式糾正密鑰流中的少部分不一致，但這種方法可能造成密鑰流的部分信息泄露。圖32是我們實驗室做的無線密鑰生成實驗平臺，圖中的三臺設(shè)備，左邊電腦和右邊電腦是正常通信的雙方，Alice和Bob，中間設(shè)備是竊聽者Eve。正常通信的雙方可以獲得一樣的信道特性，可以得到圖32中上部前兩個一樣的信道特性圖；竊聽者Eve沒有落到相干半徑1/2波長之內(nèi)，竊聽者Eve獲得的信道特性圖與通信雙方Alice和Bob獲得的信道特性圖就存在明顯的差異，所以竊聽者Eve無法獲得正常通信雙方的密鑰。

6.無線物理層安全技術(shù)的應(yīng)用及需研究的問題

無線物理層安全技術(shù)的應(yīng)用有：

（1）基于設(shè)備指紋的無線目標識別與定位；

（2）新一代接入認證交換機；

（3）未來移動通信的無線接入安全；

（4）車載網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線信道安全防護；

圖29 密鑰生成流程

圖30 基于Hash值的密鑰一致性校驗

圖31 前向糾錯密鑰一致性校驗

圖32 無線密鑰生成實驗平臺

圖33 研制的演示驗證系統(tǒng)

（5）軍事無線通信安全；

（6）等等。

物理層安全技術(shù)的應(yīng)用，可以用來做接入控制，還可以用來做無線目標識別。比如在廣電系統(tǒng)，可以用來做識別非法電臺。當有非法電臺干擾廣播電視頻率時，通過指紋就可以把它識別出來。通過記錄合法廣播電臺的指紋存入指紋庫，當出現(xiàn)一個不是我指紋庫系統(tǒng)里的指紋，我就知道環(huán)境里有非法電臺出現(xiàn)了。現(xiàn)在物理層安全已經(jīng)納入了5G的可選項，可以用這樣的方法去解決終端到基站接入安全的問題。還可應(yīng)用于車聯(lián)網(wǎng)、無人駕駛汽車領(lǐng)域，車聯(lián)網(wǎng)車與車之間的通信，車與路邊的節(jié)點之間通信都可以通過這樣的方式去做，不用再去給它配發(fā)密鑰了，相當于說車與車之間拉了根線，拉了根光纖的概念。

我前兩天還跟密碼管理部門的人說，如果使用這種方式做信息安全，你現(xiàn)有的密碼管理體制是否會不認可，他確實有這樣想法。他說我們現(xiàn)有的密碼管理體制，必須能被國家密碼管理局所監(jiān)管，現(xiàn)在信道密鑰自動產(chǎn)生的方式不能被監(jiān)管，會很麻煩。但他表示，這種方式可能目前階段不太容易接受，希望在應(yīng)用過程中慢慢來，他還給你密鑰，你可以上面再加一層隨機數(shù)，通過這種方式，先用起來，但還是很鼓勵這樣的新技術(shù)出現(xiàn)。

物理層安全技術(shù)可用于車聯(lián)網(wǎng)還有傳感器網(wǎng)絡(luò)這一類網(wǎng)絡(luò)，適用于希望網(wǎng)絡(luò)安全，但不希望給它分發(fā)密鑰這一類的應(yīng)用，這種應(yīng)用需求還是比較多的。傳感器網(wǎng)也是很常見的一種應(yīng)用，傳感器網(wǎng)那么多節(jié)點要進行通信，如何保證傳感器網(wǎng)的安全性。比如家里有很多智能電器都是無線控制的，你不做安全，別人在外面就可以控制你家冰箱、空調(diào)的運行狀態(tài)，像這類安全的應(yīng)用，都可以將無線信道通過這種加密方式，使別人不可能無線竊聽，也就無法非法控制設(shè)備的運行狀態(tài)。

物理層安全技術(shù)還有軍事無線通信的很多應(yīng)用，例如無線目標的識別、敵我識別這一類的應(yīng)用，還有例如一個軍事群體在外執(zhí)行任務(wù)，他們之間可以建立一個安全的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的主節(jié)點與家里通信，采用這樣的技術(shù)后會變得非常的安全。

目前還有一些問題沒解決好，需要進一步研究。（1）頻分雙工（FDD）條件下的信道互易性研究；（2）靜態(tài)/準靜態(tài)信道的密鑰安全性及解決辦法；（3）點到多點通信系統(tǒng)組密鑰的生成方法；（4）直擴或跳頻系統(tǒng)的密鑰生成方法；（5）抗干擾能力研究；（6）等等。

（本文根據(jù)作者在第七屆廣播電視傳媒產(chǎn)業(yè)論壇暨第五屆中國廣播電視紫金論壇上的發(fā)言整理。）