前言

確保通信的安全是一項充滿挑戰(zhàn)的工作，最常見的方式是通過密碼學原理和加密算法對信息進行加密，使敵方無法破解。然而，這并不能徹底保證整個信息交換過程的安全。仔細斟酌就會發(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象都要有合適的、經過認證的加密手段； 必須驗證對方的身份； 必須通曉通信的整個流程是如何進行的，以確保通信過程本身不會產生漏洞。
然而，構建安全手段時上述最后一個問題往往不受重視，使之成為眾多現(xiàn)代安全研究的短板。信息安全類的文獻充斥著大量基于密碼學方法的文章（盡管密碼學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術上的，不太影響實際使用），目前有眾多的密碼學教材可以為如何應用密碼學原理提供基礎性的介紹； 除此之外，信息安全文獻的另一大類是有關如何構建安全協(xié)議方面的，例如有大量計算機安全方面的教材能夠為此提供指導。然而遺憾的是，對通信是如何進行的這一基本安全問題的研究成果相對稀缺。再具體點說，信息在不同介質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），人們對這一現(xiàn)象缺乏足夠的重視。
事實上，盡管分層的通信系統(tǒng)設計方法（對應于一般的開放系統(tǒng)互連(OSI)參考模型）是網絡安全協(xié)議設計中經常參考的方法，但是，據此產生的安全協(xié)議在不同層上往往是割裂的，更忽視了將信息進行編碼和調制時所需的最基本的通信層物理層。這的確令人扼腕，因為這意味著保障現(xiàn)代通信系統(tǒng)安全的手段實際上是不完備的。正如在安全領域經常提到的那樣系統(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注。
針對這一突出問題，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為，無線通信的物理層是個性鮮明、明顯不同于其他通信系統(tǒng)的物理層，因此,要應對物理層的安全威脅必須考慮無線傳播媒質的特殊屬性。因此本書的一個基調會在書中頻頻浮現(xiàn)： 在具有豐富多徑的典型無線場景中，與傳播路徑對應的信道響應是頻率選擇性的（或者在時域上稱為衰落），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的，那么這些路徑對應的信道的相關性會隨間隔的增大而迅速減小）。無線物理層這些特有的空間、時間和頻率特性為在物理層上建立新的安全服務提供了強大的基礎支撐。
本書的章節(jié)廣泛取材于各個物理層無線安全通信研究團隊的研究成果。在選擇題材方面，盡可能涵蓋物理層安全研究的譜系（從私密性到認證，再到可信度等），并且兼顧到理論和實際兩方面。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。經典意義下的保密通常關注加密算法，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，我們更加關心使用無線媒質來保證信息秘密傳遞的機制。但是，一般情況下該機制會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制完成密鑰交換或密鑰生成。






物理層的保密手段可以進一步細分為利用無線媒質的特點進行信息保密傳輸，以及從無線媒質中提取密鑰。書中第1~8章安排了信息保密傳輸?shù)膬热�，其中大部分內容探討相關的基礎理論并提出了一些基本觀點。首先，典型無線通信場景中歷經的衰落過程奇特而有趣，衰落越復雜越有利于增強通信的保密性； 其次，無線的廣播特性使得我們可以在傳輸時引入干擾來降低敵方的竊聽能力，同時增強合法雙方安全通信的能力。對于各種無線通信場合，獲取信道狀態(tài)信息對傳輸十分關鍵。同樣，了解在信道信息不完全或者不準確條件下的保密通信性能也至關重要。除了保密傳輸?shù)男畔⒄摶�礎之外，還有第5章和第8章研究一些特定編碼方案的設計，這是保密傳輸由理論轉化為實用的第一步。
第9~12章探討了如何利用無線信道的空間、時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可共享的私密信息，那么就能夠以它為基礎來產生保密通信的密鑰。密鑰提取技術就是利用物理層來提升安全性的一個非常有潛力的研究方向，因為支撐密鑰提取的基本步驟（即獲得信道估計值所需的無線信道探測）也是常規(guī)通信的一個基礎步驟。也就是說，信道估計在大多數(shù)無線系統(tǒng)物理層中本來就是要完成的。研究密鑰提取技術的章節(jié)中既包含大量的理論成果，同時也在物理層安全技術的實際應用方面提供了一些具體的支撐實例。許多章節(jié)都包含實驗驗證，而且還會有一個物理層安全機制實時實現(xiàn)的案例。
第13、14章轉向研究有關安全認證方面的問題。認證一般要確保通信雙方所聲明的身份是真實的，或者消息確實來自于它們所聲明的出處。而對于物理層來說，身份的概念有所不同，我們不太關心具體某個人是誰，而是更關心如何區(qū)分不同的發(fā)送者。在一般的無線認證問題中，我們關心的是有無攻擊者主動在通信鏈路中注入信號，并謊稱其發(fā)送的信息來自于一個合法的無線設備。有意思的是，在很多場合密碼技術并不易于完成身份認證，因此通信方很希望能有辦法甄別出信號是來自合法用戶還是非法用戶。物理層認證方法和密鑰提取技術是天生一對，因為這兩種方法都把無線信道特征作為安全的基礎構件。不同的是，對于密鑰提取來說，信道估計作為共享私密信息用于構建密鑰； 而對物理層認證而言，信道估計充當區(qū)分發(fā)送者和接收者的認證工具。物理層認證所面臨的一個有趣挑戰(zhàn)是當環(huán)境在變化、通信各方到處移動時如何保持認證的有效性。本書在物理層認證的兩章中討論了認證性能的理論界，并提供了對物理層認證的全面綜述，尤其關注無線信道時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的另外兩方面內容： 協(xié)作通信和調制識別。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，其中多個實體通過彼此中繼轉發(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)作通信方案均假設所有的通信方是可信的且嚴格遵循通信協(xié)議，因此對存在惡意協(xié)作方的場景特別脆弱。我們用一章的內容研究協(xié)作通信中產生的安全問題，并提出了一種改進的設計方案來增強協(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。我們在最后一章對調制識別進行討論，其中包括如何在沒有發(fā)送者先驗知識的條件下識別其調制方式。一方面，對于新興的無線通信系統(tǒng)（如認知無線電）這一點非常重要，因為發(fā)送者和接收者之間的任何先驗關聯(lián)信息可能會缺失，有必要在通信開始前先識別所采用的通信方式。另一方面，其中的安全分析對如何面向物理層展開攻擊也同樣重要，因為攻擊者一旦掌握了通信的調制方式，不論是采用假冒實體的方法還是采用干擾實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)密碼學中是沒有的。傳統(tǒng)的高層安全方法肯定依然會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)議在實際中得到了很好的驗證，物理層安全技術并不能完全取而代之。但是，無線媒質的傳播特性是一個強大的、包含特定物理域信息的源泉，可以作為已有傳統(tǒng)安全機制的必要補充和增強，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)設計中潛在薄弱環(huán)節(jié)的基礎，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對傳統(tǒng)網絡安全機制無法解決的安全問題方面發(fā)揮更重要的作用。