时滞混沌保密通信的安全性分析与解决方案

发布时间：2020-09-08 21:27

　　信息安全日益成为信息社会的重要问题之一,现有的保密通信方法面临挑战。与传统加密机制并不冲突的物理层安全(Physical Layer Security,PLS)作为开放式系统互联(Open System Interconnection,OSI)模型中的最低层,具有资源消耗较小、时延较小、安全等特点,独立于系统的上层结构,与现有的通信系统兼容性良好,近年来的相关研究如火如荼。混沌保密通信具有成本低、抗噪、安全性高的特性,可融合上层安全机制建立新型跨层安全体系,在未来信道开放的无人系统通信中具有广阔的应用前景。物理层安全不再完全依赖于算法的计算复杂性,物理过程的复杂性成为保障安全性的基础。混沌系统作为一种典型的非线性动力系统所具有的独特优势为保密通信的安全性提供了理论保障。在实际应用中,安全的混沌源是保密系统的核心,是通信系统整体安全的基础。时滞混沌系统具有无穷维的相空间、能够产生高动力学复杂度的混沌信号且实现相对简单,这些优良特性使其具有成为实用化安全混沌源的潜力。立足于时滞混沌系统在保密通信领域的应用价值及国际研究热点,对时滞混沌保密通信进行安全性分析,并提出相应的解决方案,具有重要的理论意义和实用价值。首先,从保密系统分析者的角度出发,在信号丢失、信息不完整、甚至保密通信双方仅在离散时间段发送混沌信号等情况下,探讨了目前已有的参数估计——即密钥破译——方法所面临的挑战。针对非时滞混沌保密通信分析中难以获取连续混沌信号问题,以脉冲微分方程的稳定性理论为基础,结合采样控制和自适应控制方法,提出了新的参数估计方法。该方法在所有系统参数未知的前提下,仅利用混沌源输出信号的离散采样数据对作为非时滞混沌源密钥的未知参数能进行有效估计。分析结果表明,仅发送离散信号(减少系统信息的泄露)的非时滞混沌保密通信系统仍然存在安全隐患。其次,时滞混沌系统具有无穷维的相空间结构,其输出信号具有更好的随机性和不可预测性,即具有更强的抗攻击能力。为此,在非时滞混沌系统参数估计的研究基础上,针对时滞混沌保密通信分析中难以获取连续混沌信号问题,以脉冲时滞微分方程的稳定性理论为基础,结合采样控制和自适应控制方法,提出了一种新的参数估计方法。该方法在时滞参数及系统所有其他参数都未知的情况下,仅利用时滞混沌源输出信号的离散采样数据对作为时滞混沌源密钥的未知参数能进行有效估计。分析结果表明,在非时滞混沌保密通信系统中馈入时滞反馈项,使混沌源具有更为复杂的动力学特性,同时仅发送离散信号,减少系统信息的泄露,也未能有效提高保密通信系统的安全性。最后,从保密系统设计者的角度出发,针对时滞混沌源所存在的安全隐患,提出了一种时滞跃变的混沌源构造方案。构造了时滞跃变的Chen混沌源,仿真分析了时滞跃变的Chen混沌源的动力学特性,并与原Chen混沌源进行了比较;对其反参数估计能力进行了仿真分析,分析结果表明能有效抵抗基于数学分析的参数估计方法。随后将此方案扩展到了激光混沌源的构造,基于光切换技术设计了时滞跃变的Ikeda型激光混沌源,仿真分析了时滞跃变的Ikeda激光混沌源的动力学特性,并与原Ikeda激光混沌源进行了比较;对其反参数估计能力进行了仿真分析,分析结果表明能有效抵抗基于统计分析的参数估计方法。在能抵抗统计分析的前提下,给出了模型的最优参数配置。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN918;O415.5

【参考文献】