為衛(wèi)星通信加密

2009年2月，美國(guó)的“銥星33號(hào)”與俄羅斯的“宇宙2251號(hào)”衛(wèi)星相撞，導(dǎo)致這兩顆通信衛(wèi)星瞬間毀滅。根據(jù)當(dāng)時(shí)跟蹤“銥星”和“宇宙”衛(wèi)星的地面望遠(yuǎn)鏡觀察，這兩顆通信衛(wèi)星的軌道應(yīng)該是彼此錯(cuò)開(kāi)的，然而哪怕是從其中任何一顆衛(wèi)星的搭載儀器所記錄的數(shù)據(jù)來(lái)看，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)情況完全相反。為何操作人員沒(méi)有利用來(lái)自衛(wèi)星本身的位置信息呢？

軌道數(shù)據(jù)實(shí)際上是一類(lèi)需要嚴(yán)格保密的數(shù)據(jù)，衛(wèi)星所有人將衛(wèi)星的位置和運(yùn)行路線視為機(jī)密資料。擁有衛(wèi)星的那些企業(yè)擔(dān)心，泄密會(huì)使自己?jiǎn)适Ц?jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榘汛_切的定位信息分享出去，可能會(huì)向競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手暴露自已的實(shí)力。同時(shí)，政府也擔(dān)心這些信息泄露出去會(huì)危害國(guó)家安全。但這樣做可能導(dǎo)致衛(wèi)星碰撞，即使是不嚴(yán)重的碰撞，也可能造成數(shù)百萬(wàn)美元的損失，并使碎片進(jìn)入其他衛(wèi)星和載人航天器（如國(guó)際空間站）的軌道。“銥星”與“宇宙”號(hào)衛(wèi)星的碰撞事故，促使有關(guān)方面開(kāi)始尋找相應(yīng)的解決方案。

當(dāng)前的解決方案是，讓世界上最大的4個(gè)衛(wèi)星通信供應(yīng)商，與可信賴的第三方即美國(guó)Analytical graphics公司合作。Analytical graphics公司匯集了各衛(wèi)星通信公司的軌道數(shù)據(jù)，能在衛(wèi)星可能遇險(xiǎn)時(shí)發(fā)出警告。不過(guò)，此項(xiàng)安排的前提條件是，所有衛(wèi)星通信供應(yīng)商與第三方必須保持信任。而隨著越來(lái)越多的經(jīng)營(yíng)者進(jìn)入這一領(lǐng)域，并把越來(lái)越多的衛(wèi)星送入軌道，作出這種安排常常是相當(dāng)困難甚至不可能的。

現(xiàn)在專家認(rèn)為，加密可能是一個(gè)更好的方案，依靠它就無(wú)須再考慮相互信任的問(wèn)題了。20世紀(jì)80年代，科學(xué)家開(kāi)發(fā)出了一些專門(mén)的算法，可以讓許多人共用私密數(shù)據(jù)，計(jì)算一個(gè)函數(shù)，同時(shí)不會(huì)泄露半點(diǎn)秘密。2010年，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）組織了幾個(gè)密碼專家團(tuán)隊(duì)，運(yùn)用此技術(shù)開(kāi)發(fā)了針對(duì)衛(wèi)星數(shù)據(jù)共享的“安全多方計(jì)算”（secure multiparty computation，MPC）協(xié)議。

按照這個(gè)方法，每一位參與者可以把私有數(shù)據(jù)載入自已的軟件中，然后軟件再根據(jù)一個(gè)公開(kāi)的MPC協(xié)議來(lái)回傳送信息。協(xié)議保證參與者可以計(jì)算一個(gè)期望的輸出 （例如衛(wèi)星碰撞的概率），但不能計(jì)算除此以外的任何東西。此外，由于協(xié)議的設(shè)計(jì)是公開(kāi)的，任何參與者都可以編寫(xiě)自已的軟件客戶端，不需要各方彼此信任。

日前，軌道數(shù)據(jù)加密保護(hù)存在的一個(gè)問(wèn)題是速度。計(jì)算兩顆衛(wèi)星發(fā)生碰撞的概率屬于復(fù)雜度很高的計(jì)算：如果不考慮安全問(wèn)題 ，計(jì)算花費(fèi)的時(shí)間可以毫秒計(jì)，而這些協(xié)議如果在商用硬件上執(zhí)行則需要耗時(shí)90秒。不過(guò)，隨著計(jì)算能力的提高，MPC協(xié)議的實(shí)用性將會(huì)越來(lái)越高。現(xiàn)在美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局的工作既將圓滿結(jié)束，概念驗(yàn)證碼（proof-of-concept）的算法已準(zhǔn)備就緒。眼下還沒(méi)有人真正在實(shí)踐中應(yīng)用這些協(xié)議，不過(guò)密碼專家正在物色愿意嘗試這一技術(shù)的人。

（摘自《環(huán)球科學(xué)》總第111期）