Реконфигурируемая метаповерхность со свойствами, которые модулируются хаотическими паттернами.
В связи с тем, что так много людей используют устройства, которые могут быть подключены к Интернету, надежное обеспечение безопасности беспроводной связи и защита данных, которыми они обмениваются, приобретает все большее значение. В то время как специалисты по информатике разрабатывают все более совершенные меры безопасности за последние десятилетия, наиболее эффективные методы основаны на сложных алгоритмах и интенсивных вычислениях, которые могут потреблять много энергии.
Исследователи из Пекинского университета, Юго-Восточного университета, Университета Саннио и других институтов недавно представили новый подход к эффективному и энергоэффективному обеспечению коммуникаций, который основан на реконфигурируемой метаповерхности со свойствами, которые модулируются хаотическими паттернами.
Этот подход, изложенный в статье, опубликованной в Nature Communications, основан на идее, придуманной старшими авторами Винченцо Галди, Лианлин Ли и Тие Цзюнь Цуй, которые курировали проект. Затем идея была реализована в Пекинском университете и Юго-Восточном университете младшими авторами Цзявэнь Сюй Мэнлинь Вэем и Лэй Чжаном.
«Идея возникла из простого, но насущного вопроса: можем ли мы сделать беспроводную связь безопасной, не полагаясь на традиционные ключи шифрования?» Лианлинь Ли, соавтор статьи, рассказал Tech Xplore. «Большинство современных систем требуют, чтобы отправитель и получатель обменивались секретными ключами, которые должны быть безопасно созданы, распространены, сохранены и регулярно обновляться. Этот процесс сложен и может привести к возникновению уязвимостей, особенно в быстро меняющихся или крупномасштабных сетях».
В рамках своего недавнего исследования Ли и его коллеги попытались переосмыслить методы обеспечения безопасности с нуля. Вместо того, чтобы защищать сообщения после их создания, они попытались разработать подход, который сделал бы сигнал нечитаемым для всех, кроме предполагаемого получателя.
«Не менее важным для нас было обеспечение ретросовместимости, — говорит Ли. — Мы хотели найти решение, которое можно было бы интегрировать в существующие беспроводные системы без изменения передатчика, приемника или протокола связи. Это привело нас к исследованию безопасности физического уровня с использованием специального материала, называемого метаповерхностью, и к объединению его с теорией хаоса, которая отлично подходит для создания сложного и непредсказуемого поведения.
«На самом деле, хаос широко используется в защищенных коммуникациях, но всегда в системах, где отправителю и получателю необходимо обмениваться параметрами (например, начальным состоянием хаотичной системы), которые действуют как ключи шифрования».
Таким образом, большинство ранее внедренных систем, основанных на хаосе, по-прежнему зависят от общих параметров и ключей шифрования. Ли и его коллеги попытались полностью устранить эту зависимость и разработать безопасную систему связи без ключа.
«Представьте себе, что вы шепчете что-то так, что это можно четко услышать только с одного конкретного места. Во всем остальном это просто звучит как статика, — объясняет Ли. — По сути, это то, что делает наша система».
Новая система, созданная исследователями, опирается на тонкую и тщательно спроектированную поверхность, известную как метаповерхность. Эта поверхность по сути действует как программируемое зеркало для радиосигналов, которым можно управлять с помощью небольшого чипа.
«Небольшой чип контролирует эту поверхность с помощью логики, основанной на хаосе, генерируя уникальный шаблон каждый раз, когда посылается сигнал», — сказал Галди. «По сути, часть поверхности посылает сигнал четко в одном направлении, к предполагаемому приемнику. Остальное перемешивает его, заставляя его звучать как шум со всех сторон. Прелесть в том, что здесь вам не нужно модифицировать передатчик, приемник или протокол связи, и здесь нет паролей или ключей. Ресивер просто должен быть в правильном пространственном положении».
Поскольку паттерны, генерируемые метаповерхностью, управляются хаосом, перемешивание сообщений крайне непредсказуемо. Таким образом, система команды может обеспечить большую защиту, чем обычные генераторы псевдослучайных чисел, которые моделируют случайность с помощью вычислительных моделей.
«Псевдослучайные системы могут стать предсказуемыми, если часть их алгоритма или выходных данных будет раскрыта», — сказал Галди. «Хаос, с другой стороны, уходит корнями в реальную физику, что значительно затрудняет реверс-инжиниринг или перехват».
Самым замечательным достижением этого недавнего исследования является то, что оно демонстрирует, что защита коммуникаций без общих ключей на самом деле возможна. В то время как ранее предложенные методы безопасности, основанные на хаосе, требуют, чтобы отправитель и получатель обменивались параметрами, недавно представленная команда система полностью устраняет эту необходимость.
«Мы построили и протестировали рабочий прототип нашей системы, используя обычные беспроводные частоты и готовые компоненты», — сказал Тие Цзюнь Цуй. «Добавив только метаповерхность и оставив передатчик и приемник без изменений, мы продемонстрировали, что приемник в правильном месте способен декодировать сообщение с очень низким уровнем ошибок, в то время как все остальные приемники (даже те, которые отклоняются всего на несколько градусов) получают в основном шум».
Примечательно, что новая система, разработанная Ли и его коллегами, также совместима с аппаратным обеспечением и протоколами, которые в настоящее время поддерживают беспроводную связь. Это означает, что его можно легко внедрить в реальных условиях для повышения безопасности при меньшем потреблении энергии.
Система на основе метаповерхности может быть особенно выгодна в сценариях, для которых обычное шифрование является либо слишком требовательным к вычислениям, либо слишком медленным, либо слишком рискованным. Например, он может быть многообещающим для защиты данных, отправляемых умными датчиками, дронами или различными носимыми устройствами.
«В настоящее время мы сосредоточены на уменьшении размера оборудования метаповерхности и изучаем, как система ведет себя на более высоких частотах, таких как миллиметровые волны, которые будут использоваться в коммуникациях 6G», — сказал Цуй. «Еще одна ключевая цель заключается в том, чтобы сделать систему адаптируемой в режиме реального времени, чтобы она могла продолжать безопасно работать даже при движении передатчика и приемника. Это сделает технологию более подходящей для динамических и мобильных сценариев, таких как дроны, транспортные средства или носимые устройства».
Долгосрочная цель Ли и его коллег будет заключаться в том, чтобы применить этот подход к проектированию и разработке устройств, которые по своей сути являются безопасными. Такие устройства могут значительно улучшить беспроводную связь, более эффективно защищая конфиденциальные данные без необходимости использования алгоритмов, требующих больших вычислительных ресурсов.
«Вместо того, чтобы полагаться на пароли, ключи шифрования или сложные программные протоколы, безопасность будет встроена непосредственно в физическое поведение самого сигнала», — добавил Цуй. «Этот сдвиг может коренным образом изменить наше представление о защите данных в беспроводной связи».