混沌保密通信技术

2022-09-20

混沌现象是非线性动力系统中一种确定的、类似随机的过程。由于混沌动力系统对初始条件的极端敏感性, 而能产生大量的非周期、连续宽带频谱、似噪声且确定可再生的混沌信号, 因而特别适用于保密通信领域。现在的混沌保密通信大致分为三大类:第一类是直接利用混沌进行保密通信;第二类是利用同步的混沌进行保密通信;第三类是混沌数字编码的异步通信。第二类的混沌同步通信是当前国际上研究的一大热点。迄今已经提出和发展了同步混沌通信三大保密技术:混沌掩盖、混沌调制和混沌键控三种技术。此外, 由于混沌信号具有宽带、类噪声、难以预测的特点, 并且对初始状态十分敏感, 能产生性能良好的扩频序列, 因而在混沌扩频通信领域中有着广阔的应用前景。

1 混沌保密通信的理论依据

混沌保密通信作为保密通信的一个新的发展方向, 向人们展示了诱人的应用前景。混沌信号的隐蔽性, 不可预测性, 高度复杂性, 对初始条件的极端敏感性是混沌用于保密通信的重要的理论依据。

2 混沌应用于保密通信的基本思想

要实现保密通信, 必须解决3方面的问题。

(1) 制造出鲁棒性强的同步信号; (2) 信号的调制和解调; (3) 信号的可靠传输。

同步混沌保密通信系统的基本模型如图所示:在发送端, 驱动混沌电路产生2个混沌信号U和V, V用于加密明文信息M, 得到密文C, 混沌信号U可视作一个密钥, 他和密文C一起被传送出去;在接收端, 同步混沌电路利用接收到的驱动信号U, 产生出混沌信号V’, 再用信号V’去解密收到的密文C, 从而恢复消息M (见图1) 。

3 混沌保密通信的方法

由于混沌系统的内随机性、连续宽频谱和对初值的极端敏感等特点, 使其特别适合用于保密通信, 而混沌同步是混沌保密通信中的一个关键技术。混沌同步进行保密通信方法如下。

3.1 混沌掩盖

混沌掩盖方案可传送模拟和数字信息, 思想是以混沌同步为基础, 把小的信号叠加在混沌信号上, 利用混沌信号的伪随机特点, 把信息信号隐藏在看似杂乱的混沌信号中, 在接收端用一个同步的混沌信号解调出信号信息, 以此达到保密。混沌掩盖直接把模拟信号发送出去, 实现简单, 但目前这类方法仍存在许多小足:一方面, 它严格依赖于发送端、接收端混沌系统的同步且信息信号的功率要远低于混沌掩盖信号的功率, 否则, 保密通信的安全性将大大降低。另一方面, 不论是采用具有一个正Lyapunov指数的低维弱混沌系统, 还是采用具有多个正的Lyapunov指数的超混沌系统, 这种保密通信方案易受到基于相空间重构的预测法的攻击。

3.2 混沌调制

混沌调制的基本思想是将一个信息信号加密后注入到发送机, 由此改变了原混沌系统的动态特性, 因而信息信号被调制。在接收端用相应的解调和解密方法恢复信息信号。该方法有几个优点:首先它把混沌信号谱的整个范围都用来隐藏信息;其次, 它增加了对参数变化的敏感性, 从而增强了保密性。随着混沌调制技术研究的进一步深入, 学者们把信息信号与混沌信号相乘的直接混沌频谱扩展技术也作为混沌调制技术, 所以, 混沌调制又叫宽谱发射。

3.3 混沌扩频通信

由于混沌信号具有宽带, 类噪声, 难以预测的特点, 并且对初始条件十分敏感, 因而可以产生性能良好的扩频序列。混沌系统对初始条件和参数十分敏感, 是指当给一个混沌系统两个非常接近的初始条件或参数时, 系统经过几次迭代后, 输出的结果可以完全不相关。也就是说, 初始条件的微小变化, 就能产生完全不相关的信号。从而可以非常方便地产生大量的不相关信源。另外, 从序列的有限长度不可能导出系统的初始条件, 从而起到了保密通信的作用。同时混沌序列是非周期序列, 具有逼近高斯白噪声的统计特性、理想的自相关特性、互相关特性、高保密性和强抗干扰特性, 并且混沌序列数目众多, 更适合于作扩频通信的扩频码。

混沌扩频频通信的特点就是其相关性好, 鲁棒性强, 安全性能高。但在混沌扩频通信中应该注意混沌系统的同步问题。由于混沌信号对初始条件十分敏感, 所以要求在接收端和发送端具有相同的初始值, 否则将无法正确恢复信息。混沌扩频通信关键在于混沌扩频序列的选择。混沌扩频要求的混沌序列是:确定性的, 易于实现, 可用序列的数目多, 同时有好的相关特性。

除以上三种方案外, 还有混沌开关技术, 混沌脉冲位置调制等加密方案。同时, 攻击方法也日渐增多, 如:耗尽密匙测试攻击法, 周期与统计攻击法, 相互关联攻击法, 重试密匙攻击法等。

4 超混沌保密通信

至少有2个李雅普诺夫指数是正值的超混沌系统具有更为复杂的动力学行为, 比混沌具有更复杂的振荡, 更适于保密通信, 一般低维系统的破译方法如相空间重构技术等方法很难破译, 采用超混沌的加密信号, 有利于提高系统的保密性。目前, 国际上利用混沌进行保密通信是电子学领域的热点, 不过, 利用超混沌同步进行保密通信的前景更为广阔, 效率更高及信息量更大。由于超混沌比混沌更貌似随机, 利用它做信号的载波, 有更高的保密性。若在信道中传输的信号即使被攻击者截获, 他要想破译出信息信号, 要想从截取信号中重构出我们所使用的超混沌信号几乎是不可能的。目前国内不少学者, 正致力于研究如何利用超混沌实现保密通信。

5 结语

混沌同步的研究虽然兴起只有十几年的过程, 但是迄今为止的理论和实验成果表明, 混沌同步在保密通信和信息安全领域有很好的应用前景。特别指出的是, 利用超混沌和时空混沌实现保密通信比较一般混沌具有更好的保密性、更大的存储容量和信息处理能力、具有更强的鲁棒性等优点, 因此它将是今后混沌理论和应用中最重要的研究方向。

摘要：讨论了利用混沌同步进行保密通信的方法, 介绍了混沌保密通信的理论依据和基本方法, 提出采用超混沌的加密信号, 有利于提高系统的保密性。

关键词：混沌同步,混沌保密通信,超混沌