文 献 综 述
- 问题定义
隐蔽信道（Covert Channel）是一种通信信道，可以被一个进程用来以违反系统安全策略的方式进行隐蔽的信息传输而不会被系统管理者所发现，即指以某通信通道用来掩护另一个通信通道[1]。
在实践中，可以依据不同的分类方法对隐蔽信道加以分类：根据所储存信息的方法可分为基于存储的隐蔽信道（Storage Covert Channel）、基于时间的隐蔽信道（Timing Covert Channel）和基于行为的隐蔽信道（Behavior Covert Channel）。基于存储的隐蔽信道是将隐藏的信息嵌入到网络数据包的某些未用位，随着网络包一起发送出去；基于时间的隐蔽信道，是利用计算机网络中正常数据包的时间特性，将信息调制进包速率、包间隔、包时延等特征中去，从而传递传递信息。基于行为的隐蔽信道是将计算机网络中一些特定的行为用特定意义或符号来表示，从而将隐藏信息传递出去。另外，根据信息通道的特性，可以将隐蔽信道分为有噪声隐蔽信道（Noise Covert Channel）和无噪声隐蔽信道（Noiseless Covert Channel）。
本课题设计一个基于噪声的无线隐蔽信道，研究从概率统计角度对其进行数学建模，推导出信道容量公式，并以模型为基础研究对此信道的检测、干扰算法。本课题对提高通信网络的安全性有着重要的理论和实际意义。
- 研究现状
隐蔽通信源于隐写术或者将信息隐藏在无害物体中。隐写术是人类设计的第一个隐蔽通信方法。近年来，计算机科学和信息理论界在隐藏数字媒体信息的背景下对其进行了广泛的研究。起初，隐写术仅仅是在应用层实现了隐蔽通信。然后，隐蔽通信的研究大多集中于网络端，即在协议层利用保留位或者用扩展位携带隐藏信息。随着扩频通信系统的普及，扩频通信（Spread Spectrum）成为研究者关注的热点技术。同时，基于噪声的无线隐蔽通信的研究引起了研究者的关注。
在对隐蔽信道的早期研究中，研究者仅仅是大肆在应用层与网络层对隐蔽通信进行探索，基于噪声的隐蔽通信对于大多数研究者来说还未曾触及。Haipeng Qu等人察觉到在以前的研究中，使用IPv4协议时往往利用了许多无噪声隐蔽信道，这些信道可以在两个互联网节点之间正确地传输隐蔽信息，但是在采用IPv6协议之后将被消除。于是尝试使用IPv4报头中的TTL(生存时间值)字段来设计有噪声的隐蔽信道，并讨论了信道的最大可达带宽且给出了计算最大可达带宽的公式[2]。虽然他们仅仅是在网络层对噪声隐蔽信道进行探讨，但其中所提到的噪声隐蔽信道为之后在物理层的研究提供了很重要的参考意义。A. Ker等人就关于批量隐写问题证明出，在一定条件下，一批N个覆盖对象的隐写容量仅与成比例[3]。在此基础上，T. Filler等人提出了隐写容量的平方根法则，规定尺寸为n的原始隐写文本中的O符号可以安全地被修改以隐藏消息[4]。
基于噪声的隐蔽信道的研究是在前述的平方根法则基础上提出的。B. A. Bash 等人提出来了在加性高斯白噪声（AWGN）信道中低检测概率（LPD）通信的平方根法则[5]:在n通道中可以隐蔽传输的比特数是O,并且得出具有正功率的所有n个符号来传输隐蔽消息这一结论。以AWGN信道的LPD通信为基础，B. A. Bash等人通过证明LPD通信遵循平方根法则来量化LPD信道的存在和维护条件，并找到了AWGN信道检测可靠性低的可靠通信的限制条件[6]。在前者的基础上，Pak Hou Che等人提出了将传输的信息隐藏在噪声中，将其发展为基于噪声的隐蔽信道。他们将二进制对称信道(BSC)来模拟通信信道，研究了发送方的代码字权重的外部界限以及接收方和检测方的信道吞吐量外界[7]。M. Tahmasbi和M. R. Bloch考虑了噪声二进制输入离散无记忆信道(DMC)上的隐蔽通信问题，从概率统计学的角度研究了可靠传输比特数的精确二阶渐近性，详细分析如何在保持其通道可解析性属性的同时消除随机代码[8]。M. R. Bloch同时也考虑在DMC可靠地通信的情况，基于信道可解析性原理开发了一种编码方案，还根据消息大小和密钥大小的最佳渐近缩放来识别隐蔽通信的基本限制，且将此类分析扩展到高斯信道[9]。B. A. Bash等总结前面各种基于噪声的隐蔽信道模型，将隐蔽通信场景扩展到存在多个检测方的情况下的点对点干扰辅助秘密通信，提出了一种新的模型：无线“阴影网络”，也开始探索正向隐蔽吞吐量可实现的条件[10]。
对基于噪声的隐蔽信道模型的研究日趋完善后，科学家开始探讨在无线网络中，当接收机和检测器处有不同程度的干扰时，如何实现正向隐蔽吞吐量的问题。与此同时，他们不再是仅仅 基于LPD通信的方法来研究隐蔽信道，文献[11]-[13]通过频谱中断概率的概念研究了隐蔽网络，文献[14]是基于信噪比(signal-to-interference-noise ratio, SINR)对主网络存在时的隐蔽通信进行了研究，Biao He等人从随机几何的角度研究了一种带泊松分布干扰的隐蔽通信，推出了隐蔽中断概率和隐蔽吞吐量的公式[15]。不过，适用于实际网络通信（Ad Hoc网络）的无线噪声隐蔽信道却未能得以实现，同时，如何设计出基于噪声的隐蔽信道的模型的检测算法，也值得深究。
- 本课题的意义
尽管扩频技术在一个世纪前就被研究用于隐蔽无线传输，对基于噪声的隐蔽信道也是大肆研究，从隐蔽通信的基本限制到推导平方根定律接下来再研究不同的场景和探索正向隐蔽吞吐量可实现的条件，最后开始调查无线网络场景中的基于噪声的隐蔽通信。但由于实际网络和复杂性和干扰的突发性，基于噪声的隐蔽信道难以得到完整的系统模型，特别是噪声的模型，没有得到系统的阐述。建立起基于噪声的隐蔽信道模型，在军事领域有着十分重要的意义。
基于噪声的隐蔽信道的设计、建模、检测和干扰的研究必要而紧迫，有着广阔的研究前景与实际意义。本课题从以上几个方面入手进行更深入的研究，在理论与实践上都具有较高的价值。
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