[科普文章]略论基于混沌的网络保密通信

20世纪90年代初,混沌应用研究取得了突破性进展,其标志是提出了混沌控制方法^[1]和混沌同步方法^[2]，美国海军实验室佩科拉(Pecorra)和卡罗尔(Carroll) 首先应用电路试验实现了混沌同步,并利用混沌同步实现了保密通信及信息处理的实验^[2,3]，Ditto等实验证明了混沌控制方法的有效性^[4]。这些理论与实验取得的重要成果,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热潮，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。20多年来混沌保密通信已成为现代信息科学的一个重要分支。

令人激动的是，90年代后期，国际上复杂网络研究也取得了突破性重大成果，发现了小世界(SW)^[5-8]和无标度(SF)网络^[9-11]两大特性，诞生了一门广泛交叉的网络科学，十二年来网络科学与工程应用研究风起云涌，研究硕果累累。目前国内外研究的一种新趋势是，将基于混沌的保密通信与复杂网络的SW-SF特性双结合，探讨互联网等复杂网络上的混沌保密通信及其相关的安全问题，这已经成为网络通信安全的极其重要课题之一，这种双结合的应用研究既具有重要的理论价值,又具有现实的和长远的意义。

在混沌保密通信和网络科学发展中,国内外出版了不少论著^[12-18],值得我们一提的是, 2010年在我国<系统工程学报>出版了《混沌和复杂网络理论与应用专辑》，该专辑里发表了我的长篇综述：“混沌通信及其相关网络信息安全研究的若干进展,” ^[15]，该篇综述较系统和较全面地从不同角度总结和评论了20年来国内外混沌保密通信及其相关网络的安全问题的研究概况，较系统评述该领域若干课题的主要进展和今后主要发展方向。混沌保密通信与复杂网络安全双结合的课题已成为现代信息科学的重大课题之一，也是通信学科的一个重要分支.因此，我们的一些论著对于在该领域的继续深入研究具有一定的参考价值。

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,发达国家积极而有效地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年美国国防部资助加洲大学等3家大学交叉联合项目,其课题有“基于非线性动力学的数字通信装置”,及“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”,“非线性动力学和混沌理论在数字通信中的应用”等等,都取得了突出成果。其中, 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5届科技框架计划于2001-9-1至2004-8-31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Annovaz2zi2Lodi等^[17]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OC2CULT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。2006-10-1至2009-9-30欧盟第6届科技框架计划启动了PICASSO计划,重点研制混沌通信系统中的有源和无源器件,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^[18]。欧盟科技第7届框架计划(2007- 2013)投资501.82 亿欧元,国家合作领域的10个主题中有一个是信息通讯技术,与网络信息安全密切相关。我国从20世纪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,我国重视和支持力度尚不够,但我国科技工作者发挥了聪明才智和主观能动性，在该领域我国也有出色的成果，例如：北京师大（胡岗小组）、香港城市大学（陈关荣小组）、华南理工大学（丘水生小组）、黑龙江大学（丁群小组），北京电子科技学院（赵耿小组）、北京邮电大学以及我院等不少高校，都做出了各具有特色的工作，取得了一些与国际研究同步的优秀成果，对我们都很有参考价值（具体成果从略，请谅解）。

混沌应用稳健发展的第2个标志是1998年研究几何与混沌的麦·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、分形理论和现代通信理论的结合在保密通信中发挥了重大作用,应用前景广阔。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，不断取得新的进展。

混沌应用稳健发展的第3个标志是,在应用研究成果的推动下,国际上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1993年开始出版了混沌通信应用研究的进展专刊,迄今先后出版了4期混沌应用方面的专辑^[19-22],IEEE出版了混沌学在电子与通信工程中应用的会议专辑^[23]。2000年由国际上该领域的专家Kennedy和Kolumban共同主编了关于“非相干混沌通信”专刊^[23]。 2001年由国际上该领域的5位专家Kocarev, Maggio, Ogorzalek,Pecora和Yao共同主编了“在现代通信系统中混沌的应用”专刊^[22],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8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实用混沌通信技术注入了强心剂^[23]。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,不仅建立了数字化混沌通信,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向实用化。2010年我国《系统工程学报》出版了《混沌和复杂网络理论与应用专辑》,所有这些可喜的成果，都充分显示了混沌通信研究在国内外取得了突出进展，具有广阔的应用潜力和发展前景。

混沌应用稳健发展时期的第4 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,仅根据我们前二年的调查，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1/3。随着国家现代移动通信的迅猛发展^{[24 -28]}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,获得了迅速发展。互联网具有以下特点：一是开放性强、二是资源庞大、三是传播速度快、四是使用便捷、五是容易泄密。计算机网络本身不能向用户提供安全保密功能，在网络上传输的信息、入网的计算机及其所存储的信息会被窃取、篡改和破坏，网络也会遭到攻击，其硬件、软件、线路、文件系统和信息发送或接收的确认等会被破坏，无法正常工作，甚至瘫痪；其不安全因素主要表现在5个方面：（一）网络通信隐患、计算机病毒、（三）黑客入侵、（四）软件隐患、（五）设备隐患。近年来, 网络信息安全成为突出问题，经常发生在传输、存储、处理过程中的数据信息丢失、泄漏或非法窃取、篡改等事件，也已经对国家军事、社会和经济生活等产生了严重危害和影响，诸如，IEEE802.11标准中的WEP算法被破解，GSM网络的SM卡被克隆和通讯内容被窃听，以及盗用他人帐号上网等，已成为现有通信技术和网络安全性迫切需要解决的安全问题。因此，互联网的通信安全问题一直是国内外关注的一个焦点问题。鉴于国际上日益激烈的通信与网络信息安全形势，我国工业信息化部出台了《通信网络安全管理办法》，从2010年3月起执行。这就足以说明解决通信系统安全性问题在我国建设创新型国家中具有长远的战略意义。

目前的发展趋势是，互联网通信及军事网络的信息安全密切相关和日益紧密结合^[29-30]。 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1个网络战司令部,它成为与空军作战司令部、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年建成全球信息网络, 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3个阶段来发展网络使用能力;北约在完成了网络使用能力可行性研究基础上,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9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、文化和社会经济更广阔的一场竞赛开始了，我国面临着前所未有的挑战^[29-30] 。

从欧洲专利局和国家知识产权专利局发现,国际上至少有近400项的混沌应用专利,我国在混沌应用的专利总数约186项,混沌通信及其加密方法、线路设备相关的专利有65项,约占1/3以上。 混沌的其他应用范围非常广泛,遍及国防、工业、农业、医疗等诸多方面,例如:在雷达系统的应用涉及混沌信号雷达与混沌激光雷达,汽车防撞系统及其方法,混沌交织器,混沌治疗仪,混沌水体养殖法, 多用途可调混沌磁脉冲、电场、声场生物处理机, 带计算机接口的磁混沌摆,等等,不胜枚举。从上可见, 20年多来混沌不仅在保密通信和网络信息安全方面正在接近实用化,而且在众多领域已经有着广泛的应用。特别在国防军事、经济文化和社会生活等众多领域具有广阔的应用前景，正如我在2010年《第六届网络科学论坛及第一届全国混沌应用研讨会》上关于“混沌保密通信及其相关网络信息安全的研究概况与展望”的报告中，已经详细分析了目前混沌保密通信的主要课题和关键技术问题，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、混沌流密码、宽带无线混沌通信和混沌键控的超宽带通信等。由于混沌保密通信与互联网及军事网络信息安全密切相关，因此，今后必须在应用/实用研究上狠下功夫,这样才能迎来更广泛的混沌应用和发展的美好前景。

需要指出的是，迄今国内外绝大多数是利用混沌、超混沌和时空混沌进行保密通讯,鲜见利用束晕-混沌与SW/SF网络双结合进行保密通信，束晕-混沌现象是强流加速器束流传输网络(BTN)中特有现象,它既有混沌特性,又有束晕行为。这是值得遴选混沌类型之一。我们已经构造和探索了节点动力学为束晕-混沌方程、并具有小世界(SW)或和无标度(SF)的复杂网络.多年来,我们提出了传统的束流传输网络(BTN)中一些束晕-混沌控制的新方法^{[14, 26]},包括一般非线性反馈控制法,小波反馈控制法,变结构控制法,延迟反馈控制法,参数的、正比微分的和神经网络的自适应控制法,孤立子函数反馈控制法和多目标控制法等;我们还探索了具有SW和SF特性的一类混合型束流传输网络(BTN-SW 和BTN-SF)的控制和同步方法^[39-43],从而提高了BTN系统的可控性,抑制了束晕-混沌再生性。与此同时,初步开展了基于束晕- 混沌的BTN-SW和BTN-SF的保密通信的探索,发现它适用于“混沌连接的复杂网络”,即由具有非线性方程或束晕-混沌动力学方程的连接的复杂网络,并从理论上实现这类复杂网络中的不同目标(平衡点、周期态和混沌态)的有效控制。这与上述多目标通信和多地址实际应用有异曲同工之妙。 为此,我们提出了适当的全局耦合和局部反馈相结合的多目标控制方法^[40]。根据实际需要把复杂网络分成若干子网络区域(多目标区域) ,子网络数目与所要控制或同步的目标态数目相等,然后分别在子网络内实现所需多目标同步控制。该法对于任何混沌复杂网络的多目标通信具有应用潜力。

混沌保密通信性能很大程度上取决于混沌系统的复杂度。我们已经提出了利用束晕-混沌的特殊复杂性,通过束晕- 混沌同步实现保密通讯的可行性方案。我们已经构造了具有束晕- 混沌特性的小世界网络,采用3 种束晕- 混沌同步方法,即驱动-响应同步、小世界拓扑耦合同步、多局域小世界拓扑耦合同步方法,分别设计了小世界网络保密通信的3种网络电路方案,进行了仿真试验,实现了对小世界网络通信信号的加、解密,证明了这些通信方案的可行性。 与其他混沌保密方案比较,基于束晕- 混沌通信的的特色在于^[43]:1)利用束流传输的束晕- 混沌非线性方程来设计相应的通信电路; 2)利用小世界或无标度特性构建基于束晕-混沌的电路网络,以提高同步能力和抗破译能力; 3)有助于实现多目标和多址通信。基于束晕-混沌的SW 网络保密通信同样可以推广到基于束晕-混沌的SF/SW网络保密通信。这些初步结果可能为在互联网上保密通信提供一种新的思路、方法和途径。

在上述研究的基础上，结合网络科学的最新研究进展^[14-15]，探索和研制具有SW/SF网络特性与束晕-混沌双结合的一种新型的混沌保密通信系统，不仅具有迫切性、重要性，而且具有实现的可行性。将单一的束晕-混沌或其他混沌系统推广到多种多个（束晕）混沌子系统连接的网络系统，并选取合适的网络拓扑结构从而构造出一个具有SW/SF特性的非线性复杂网络，该网络能够具有较好的复杂性和易实现性。显然，将混沌保密算法与传统保密算法相结合，采用“一次一密”的思想，设计出一种抗破译能力强、速度快、可扩展的保密算法。应用FPGA等技术，可能实现整个系统的电路设计和保密通信装置的研制，并集合互联网协议和与计算机通信接口，同时编写一个简单、易操作的用户界面，使得混沌保密通信系统在网络上具有应用性和推广前景。

从上可见：基与混沌的网络保密通信研究将是一个非常重要和具有长远意义的研究课题，进一步将混沌系统与复杂网络系统特性“双结合”，更能适应现在和今后网络安全的迫切需要。虽然这个课题研究的难度较大，例如，还会遇到像数字混沌的退化问题、动力学特性优化和环境影响等诸多问题，但是这些问题既有战胜性，又给我们带来十分难得的创新的机遇，只要大家共同努力，勇于拼搏，什么困难都是完全可以战胜的，进一步推进上述“双结合”是完全可以实现的。因此，我们

期盼：在我国已有混沌保密通信研究的良好的基础上，有关部门，特别是国家自然科学基金委、科技部和工信部等，应该积极继续支持这个领域的保密通信的研究工作，以尽快在我国取得具有创新自主知识产权的实用性的重要成果，将真正造福于民。

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