前言

確保通信的安全是一項(xiàng)充滿挑戰(zhàn)的工作，最常見的方式是通過密碼學(xué)原理和加密算法對(duì)信息進(jìn)行加密，使敵方無法破解。然而，這并不能徹底保證整個(gè)信息交換過程的安全。仔細(xì)斟酌就會(huì)發(fā)現(xiàn)，安全難就難在如何建立一套完整的系統(tǒng)解決方案。例如，必須要確保所有涉及的通信對(duì)象都要有合適的、經(jīng)過認(rèn)證的加密手段； 必須驗(yàn)證對(duì)方的身份； 必須通曉通信的整個(gè)流程是如何進(jìn)行的，以確保通信過程本身不會(huì)產(chǎn)生漏洞。
然而，構(gòu)建安全手段時(shí)上述最后一個(gè)問題往往不受重視，使之成為眾多現(xiàn)代安全研究的短板。信息安全類的文獻(xiàn)充斥著大量基于密碼學(xué)方法的文章（盡管密碼學(xué)本身仍然存在很多理論上的障礙有待克服，但是其中的大部分都是學(xué)術(shù)上的，不太影響實(shí)際使用），目前有眾多的密碼學(xué)教材可以為如何應(yīng)用密碼學(xué)原理提供基礎(chǔ)性的介紹； 除此之外，信息安全文獻(xiàn)的另一大類是有關(guān)如何構(gòu)建安全協(xié)議方面的，例如有大量計(jì)算機(jī)安全方面的教材能夠?yàn)榇颂峁┲笇?dǎo)。然而遺憾的是，對(duì)通信是如何進(jìn)行的這一基本安全問題的研究成果相對(duì)稀缺。再具體點(diǎn)說，信息在不同介質(zhì)上傳播造成的安全問題不同（如無線通信安全就不同于有線通信安全），人們對(duì)這一現(xiàn)象缺乏足夠的重視。
事實(shí)上，盡管分層的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法（對(duì)應(yīng)于一般的開放系統(tǒng)互連(OSI)參考模型）是網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議設(shè)計(jì)中經(jīng)常參考的方法，但是，據(jù)此產(chǎn)生的安全協(xié)議在不同層上往往是割裂的，更忽視了將信息進(jìn)行編碼和調(diào)制時(shí)所需的最基本的通信層物理層。這的確令人扼腕，因?yàn)檫@意味著保障現(xiàn)代通信系統(tǒng)安全的手段實(shí)際上是不完備的。正如在安全領(lǐng)域經(jīng)常提到的那樣系統(tǒng)的健壯性取決于其最薄弱的環(huán)節(jié)，因此必須給予足夠的關(guān)注。
針對(duì)這一突出問題，編者整理了在物理層上研究安全問題的最新成果匯編成書。需要特別指出的是，書中所有文章的作者一致認(rèn)為，無線通信的物理層是個(gè)性鮮明、明顯不同于其他通信系統(tǒng)的物理層，因此,要應(yīng)對(duì)物理層的安全威脅必須考慮無線傳播媒質(zhì)的特殊屬性。因此本書的一個(gè)基調(diào)會(huì)在書中頻頻浮現(xiàn)： 在具有豐富多徑的典型無線場(chǎng)景中，與傳播路徑對(duì)應(yīng)的信道響應(yīng)是頻率選擇性的（或者在時(shí)域上稱為衰落），而且是由空間位置決定的（即只要傳播路徑的間隔是波長量級(jí)的，那么這些路徑對(duì)應(yīng)的信道的相關(guān)性會(huì)隨間隔的增大而迅速減�。�。無線物理層這些特有的空間、時(shí)間和頻率特性為在物理層上建立新的安全服務(wù)提供了強(qiáng)大的基礎(chǔ)支撐。
本書的章節(jié)廣泛取材于各個(gè)物理層無線安全通信研究團(tuán)隊(duì)的研究成果。在選擇題材方面，盡可能涵蓋物理層安全研究的譜系（從私密性到認(rèn)證，再到可信度等），并且兼顧到理論和實(shí)際兩方面。基于這些考慮，章節(jié)按不同主題松散編排。本書首先從研究物理層安全的保密性入手。經(jīng)典意義下的保密通常關(guān)注加密算法，以保證只有合法雙方才能解密信息，而在物理層安全的背景下，我們更加關(guān)心使用無線媒質(zhì)來保證信息秘密傳遞的機(jī)制。但是，一般情況下該機(jī)制會(huì)造成通信速率比傳統(tǒng)的非保密通信要低很多，因此物理層保密應(yīng)該定位為傳統(tǒng)保密的支撐手段。例如，可以在傳統(tǒng)密碼中用物理層保密機(jī)制完成密鑰交換或密鑰生成。






物理層的保密手段可以進(jìn)一步細(xì)分為利用無線媒質(zhì)的特點(diǎn)進(jìn)行信息保密傳輸，以及從無線媒質(zhì)中提取密鑰。書中第1~8章安排了信息保密傳輸?shù)膬?nèi)容，其中大部分內(nèi)容探討相關(guān)的基礎(chǔ)理論并提出了一些基本觀點(diǎn)。首先，典型無線通信場(chǎng)景中歷經(jīng)的衰落過程奇特而有趣，衰落越復(fù)雜越有利于增強(qiáng)通信的保密性； 其次，無線的廣播特性使得我們可以在傳輸時(shí)引入干擾來降低敵方的竊聽能力，同時(shí)增強(qiáng)合法雙方安全通信的能力。對(duì)于各種無線通信場(chǎng)合，獲取信道狀態(tài)信息對(duì)傳輸十分關(guān)鍵。同樣，了解在信道信息不完全或者不準(zhǔn)確條件下的保密通信性能也至關(guān)重要。除了保密傳輸?shù)男畔⒄摶�礎(chǔ)之外，還有第5章和第8章研究一些特定編碼方案的設(shè)計(jì)，這是保密傳輸由理論轉(zhuǎn)化為實(shí)用的第一步。
第9~12章探討了如何利用無線信道的空間、時(shí)間和頻率特征的唯一性作為收發(fā)雙方之間共享的私密信息源。如果能從無線信道中充分挖掘出這個(gè)可共享的私密信息，那么就能夠以它為基礎(chǔ)來產(chǎn)生保密通信的密鑰。密鑰提取技術(shù)就是利用物理層來提升安全性的一個(gè)非常有潛力的研究方向，因?yàn)橹�撐密鑰提取的基本步驟（即獲得信道估計(jì)值所需的無線信道探測(cè)）也是常規(guī)通信的一個(gè)基礎(chǔ)步驟。也就是說，信道估計(jì)在大多數(shù)無線系統(tǒng)物理層中本來就是要完成的。研究密鑰提取技術(shù)的章節(jié)中既包含大量的理論成果，同時(shí)也在物理層安全技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用方面提供了一些具體的支撐實(shí)例。許多章節(jié)都包含實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，而且還會(huì)有一個(gè)物理層安全機(jī)制實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)的案例。
第13、14章轉(zhuǎn)向研究有關(guān)安全認(rèn)證方面的問題。認(rèn)證一般要確保通信雙方所聲明的身份是真實(shí)的，或者消息確實(shí)來自于它們所聲明的出處。而對(duì)于物理層來說，身份的概念有所不同，我們不太關(guān)心具體某個(gè)人是誰，而是更關(guān)心如何區(qū)分不同的發(fā)送者。在一般的無線認(rèn)證問題中，我們關(guān)心的是有無攻擊者主動(dòng)在通信鏈路中注入信號(hào)，并謊稱其發(fā)送的信息來自于一個(gè)合法的無線設(shè)備。有意思的是，在很多場(chǎng)合密碼技術(shù)并不易于完成身份認(rèn)證，因此通信方很希望能有辦法甄別出信號(hào)是來自合法用戶還是非法用戶。物理層認(rèn)證方法和密鑰提取技術(shù)是天生一對(duì)，因?yàn)檫@兩種方法都把無線信道特征作為安全的基礎(chǔ)構(gòu)件。不同的是，對(duì)于密鑰提取來說，信道估計(jì)作為共享私密信息用于構(gòu)建密鑰； 而對(duì)物理層認(rèn)證而言，信道估計(jì)充當(dāng)區(qū)分發(fā)送者和接收者的認(rèn)證工具。物理層認(rèn)證所面臨的一個(gè)有趣挑戰(zhàn)是當(dāng)環(huán)境在變化、通信各方到處移動(dòng)時(shí)如何保持認(rèn)證的有效性。本書在物理層認(rèn)證的兩章中討論了認(rèn)證性能的理論界，并提供了對(duì)物理層認(rèn)證的全面綜述，尤其關(guān)注無線信道時(shí)變性影響方面的研究。
最后，第15、16章介紹了與安全和物理層通信相關(guān)的另外兩方面內(nèi)容： 協(xié)作通信和調(diào)制識(shí)別。協(xié)作通信是一種提升無線通信系統(tǒng)信道容量的新興技術(shù)，其中多個(gè)實(shí)體通過彼此中繼轉(zhuǎn)發(fā)消息副本以協(xié)助信息的傳輸和譯碼。遺憾的是，傳統(tǒng)的協(xié)作通信方案均假設(shè)所有的通信方是可信的且嚴(yán)格遵循通信協(xié)議，因此對(duì)存在惡意協(xié)作方的場(chǎng)景特別脆弱。我們用一章的內(nèi)容研究協(xié)作通信中產(chǎn)生的安全問題，并提出了一種改進(jìn)的設(shè)計(jì)方案來增強(qiáng)協(xié)作通信的安全性，該方案將信任的概念加入到協(xié)作通信協(xié)議中。我們?cè)谧詈笠徽聦?duì)調(diào)制識(shí)別進(jìn)行討論，其中包括如何在沒有發(fā)送者先驗(yàn)知識(shí)的條件下識(shí)別其調(diào)制方式。一方面，對(duì)于新興的無線通信系統(tǒng)（如認(rèn)知無線電）這一點(diǎn)非常重要，因?yàn)榘l(fā)送者和接收者之間的任何先驗(yàn)關(guān)聯(lián)信息可能會(huì)缺失，有必要在通信開始前先識(shí)別所采用的通信方式。另一方面，其中的安全分析對(duì)如何面向物理層展開攻擊也同樣重要，因?yàn)楣�擊者一旦掌握了通信的調(diào)制方式，不論是采用假冒實(shí)體的方法還是采用干擾實(shí)體的方法都便于找到最佳的攻擊策略。
本書想要提醒讀者注意的是，無線通信系統(tǒng)的物理層為提升安全性提供了令人耳目一新的手段，而且這些手段在傳統(tǒng)密碼學(xué)中是沒有的。傳統(tǒng)的高層安全方法肯定依然會(huì)在通信安全中扮演重要角色，這些已有的加密算法和安全協(xié)議在實(shí)際中得到了很好的驗(yàn)證，物理層安全技術(shù)并不能完全取而代之。但是，無線媒質(zhì)的傳播特性是一個(gè)強(qiáng)大的、包含特定物理域信息的源泉，可以作為已有傳統(tǒng)安全機(jī)制的必要補(bǔ)充和增強(qiáng)，為追求無線系統(tǒng)安全的工程師提供新的工具和手段。本書中描述的方法可作為消除未來無線系統(tǒng)設(shè)計(jì)中潛在薄弱環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)，隨著無線系統(tǒng)的日益普及，我們期待物理層安全方法能夠在應(yīng)對(duì)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制無法解決的安全問題方面發(fā)揮更重要的作用。