物理層安全技術及其在保密通信中的應用

賴宏慧　李曉鵬

摘 要：隨著社會經濟的發展，計算機信息技術被運用在各行各業并取得了極為杰出的成就，信息技術已成為現代化企業不可或缺的重要因素，但是也正因為信息技術不斷發展，信息技術知識普及范圍和深度不斷加大，人們通過網絡也更容易獲得計算機信息技術知識，加上制造技術的升級，各類網絡監聽設備和監聽手段近年來也層出不窮，給個人和企業帶來嚴重的損失，因此網絡時代的通信安全性和保密性成為了當前越來越多的人關注的重點，因為有必要分析當前通信保密性技術和安全性技術，其中的物理層安全及時就是整個信息通信安全防護體系中的組成部分，能夠有效的保證通信的安全性。

關鍵詞：計算機；信息技術；通信；物理層；安全技術

無論對于個人、社會企業還是國家，在當前信息時代背景下，通信安全和保密都是一個極為重視的內容，一旦通信被竊取或者監聽，那么將會給個人、社會企業、國家帶來嚴重的經濟損失和精神損失，所以保密性通信技術也隨著信息技術的發展不斷完善，但是相關的監聽設備和竊取手段也在不斷的發展，因此根據當前的信息技術特點來加強各方面的通信防護工作受到各界廣泛贊同，而本文主要從物理層安全防護技術層面來簡單的分析保密通信的安全基本框架和竊聽信道模型，以期望能夠給予相關人士提點有利的參考。

1 信息通信分層結構

無論是否是保密性通信，根據當前的信息技術特點，在通信上采用的是分層協議結構，總體來說可以分為三層，應用層、網絡層和物理層，為了能夠確保整個通信的有效性和可靠性，為人們提供更好的通信服務，會采用各種手段來提高通信的速度和質量，如抗干擾手段、增加信息源傳輸等，而針對通信過程中出現的監聽、竊聽、竊取等現象，通常會采用一系列的安全防護手段，根據通信三個分層結構，通常在每層有具有不同的安全通信防護手段，如網絡層的數據傳輸監控技術等，而本文主要研究的側重點是物理層的安全防護技術，物理層安全防護技術主要有物理層密鑰、安全編碼技術、協作干擾技術等，這些綜合性的防護性技術運用在物理層，能夠極大的確保物理層信息數據的安全性，因此對于提高通信的保密性有較強的作用，能夠有效提高通信的質量和保密性。

2 信息通信中安全技術應用相關認識

在傳統的信息通信中，相關的安全防護技術通常都應用在應用層等高層層面上，而且通常都是采用通信加密的方式來確保通信的保密性和安全性，相對于應用層，物理層的安全防護重視力度就明顯要輕于應用層，物理層應用的安全防護技術主要講究的是通過對信道進行處理和防護，從而確保通信信道的安全性和保密性，最終達到安全保密通信的目的，但是也由于無線信號本身所具備的開放性，輻射性特點，使得無線信道容易出現擁堵，攻擊者通過各種非法的手段使整個無線信道堵塞，合法用戶就無法利用該信道進行合法通信；其次如果利用無線通信模式進行通信，沒有一個合理的鑒權機制，那么也很容易使攻擊者在未經授權的前提下避開一些安全措施并接入到網絡中，這就很容易獲得一些較為私密的信息，最后是無線通信中傳輸的介質也同樣具備了開發性，導致很多竊聽者不需要很高的技術也不需要很高的設備都能捕捉導致通信信息，而這種竊聽方式通常很難去分辨真正的竊聽者，即便是合法的用戶也有可能就是竊聽人員。

3 常見的物理層安全技術應用情況

（一）安全編碼技術

安全編碼技術是物理層常用的一種安全性技術，采用這種方式主要是確保連接網絡的合法用戶能夠獲得可靠而安全的通信信道，如果非法用戶比合法用戶的信道條件更差，那么非法用戶無法獲得信道中的可辨識信息。從當前各國的安全編碼技術應用情況來看，當前國際上有很多種類的信道編碼，常見的信道編碼有極化碼、格型編碼以及LDPC碼等，這些信道編碼在應用上適當的改變一定的適應性，那么能夠較為容易的達到保密容量極限，這種能夠實現Naomi容量的信道編碼就是所謂的安全編碼，除了上述提到的幾種常用的安全編碼外，還有一些代數預編碼、空時編碼等都能夠有一定的安全防護作用，能夠對安全通信有一定的作用。

（二）密鑰技術

無線通信作為當前的主流通信方式，其通信方式的開放性遺留了一定的安全問題，給整個通信的安全性帶來較大的威脅，但是無線信道也具有一些特性是有利于通信保密和安全，例如無線信道就具備了互易性以及唯一性特點，這個特點最典型的表現就是利用無線信道通信的雙方在通信過程中，短時間中雙方得到的信道特征函數是相同的，利用這一特點，通信人員如果將信道的狀態作為一種密鑰的方式進行通信，那么這種密鑰具有特異性，可以跳過傳統的密鑰管理、密鑰分發等步驟即可實現通信加密。當然除了上述的研究外，很多的研究學者還集中對無線信道特點來生產、管理和分發密鑰，并充分的融合一些具體的系統或技術，如目前市場上較為主流的UMB寬帶系統，用以生成新的密鑰計算方法，這些新的密鑰生產、分發和管理方法能夠有效的提高無線通信的安全性，但是從實踐也看出其需要注意的問題是雖然說通信雙方在短時間通信中具有相同的信道函數特征，但是通信雙方的評價是有一定的差異，這個差異如果控制在一定范圍內則不會對生成的密鑰產生影響，但是一旦差異過大，那么必將影響密鑰的合理性。

（三）協作干擾技術

根據以往的竊聽信道研究情況來看，要想保證一定的保密容量，那么就要求了合法用戶的信道容量要高于竊聽者的信道容量，那么才能夠有效的避免被竊聽者獲得到相關的通信信息，而寫作干擾技術就是為了滿足上述條件而產生的一種技術，這種技術通過差異化的干擾使竊聽者的信道噪聲水平提高，那么竊聽者的信道容量將會下降，即滿足了竊聽者的信道容量要小于合法用戶的信道容量，從而保證竊聽者無法獲取到私密的通信信息。例如協作干擾中有多天線常見和多中繼場景，就拿多天線場景來說，在人工加噪上，信息量的總和其實是有效的信息和噪聲信息，對于合法用戶來說，噪聲信息會和信道特征相正交，最終得到合法信道系統為一個常數，而非法者的信道特征并不和噪聲相互正交，得到的信道系數不固定，會隨機變化，那么較為容易的判斷出那些是合法用戶，那些是非法用戶。

4 結束語

隨著社會經濟的發展，科學技術的進步，計算機信息技術的發展速度日益加快，傳統的有線網絡通信逐漸被無線網絡所替代，而由于無線網絡同喜其本身的通信特點，在通信過程中極為容易的被他人所竊聽，從而給個人、社會企業、國家等帶來嚴重的損失，為了切實的避免這一竊聽現在，本文主要從物理層面分析了安全技術的特點、認識、結構以及運用情況進行了簡單的分析，對當前運用的較為常見的安全防護措施進行了闡述，以期望能夠促進無線通信的發展。

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