CN108768644A - 基于无周期混沌同步的高速密钥安全分发系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于安全高速的密钥分发技术领域，具体为一种基于无周期混沌同步的高速密钥安全分发系统及方法，其中所述系统包括Alice通信方和Bob通信方，所述通信双方均包括半导体激光器、偏振控制器、光纤耦合器、功率计、光衰减器、示波器和啁啾光纤光栅，其中实施例一的通信双方中还包括相位调制器，实施例二的通信双方中还包括光开光、延迟线，本发明结构合理、设计巧妙，所述密钥分发方法原理可靠，实施性较强，容易操作；且利用本发明所述的方法进行通信，在密钥分发的过程中不需要进行私钥交换，避免了部分私钥泄露造成的安全性受威胁的问题，进一步保证了密钥分发的安全性。

Description

基于无周期混沌同步的高速密钥安全分发系统及方法

技术领域

本发明属于安全高速的密钥分发技术领域，具体为基于无周期混沌同步的高速密钥安全分发系统及方法。

背景技术

保密通信是国家安全、社会稳定的重要条件。目前，现代信息安全技术的研究热点主要集中在信息加密技术方面。香农(Shannon)提出的“一次一密”是一种无法破解的加密方案。该方案指出如果用于加密明文的密钥长度不短于明文长度、足够随机而且只使用一次，则通信是绝对安全的。要想实现这种绝对安全的保密通信，需要在产生大量随机密钥的同时能够将其秘密分发到合法通信方。高速随机密钥的产生技术已经取得重要进展，如利用混沌激光器这一物理熵源可产生Gbit/s量级的随机密钥(Nature Photonics, Vol. 2,No. 12, pp. 728-732, 2008; Optics Express, Vol. 21, No. 17, pp. 20452-20462,2013; IEEE Photonics Journal, Vol. 9, No. 2, pp. 7201412-1-7201412-13, 2017)。在快速随机密钥的产生技术有望解决之后，安全高速的密钥分发就成为实现绝对安全保密通信的最后一个技术障碍。

现有的密钥分发方案主要分为基于算法的密钥分发和基于物理层的密钥分发。

基于算法的密钥分发主要依赖于算法的复杂性进行密钥分发，尽管此种密钥分发方法有足够高速的分发速率(Gbit/s)，但随着计算机处理速度的提升及算法的升级优化，导致这类密钥分发的安全性受到威胁。例如，1999年 DES算法被RSA公司的超级计算机破解；2015年，RSA算法被秀尔算法破解；2017年AES-256算法被碰撞攻击破解。

基于物理层的安全密钥分发，主要包括量子密钥分发和经典密钥分发。

量子密钥分发：量子密钥分发(QKD)是绝对安全的密钥分发方法，密钥信息通过量子态来编码，任何窃听都会对密钥产生干扰，从而被通信双方发现。但是受到单光子损耗的限制，每百公里需要中继，且密钥协商速率低，目前在自由空间中分发的最快速率为20-400bit/s(Nature Photonics., Vol. 11, pp. 509-513, 2017)。

经典密钥分发主要包括基于公共信道短时互易性的密钥分发、基于超长光纤激光器的密钥分发以及基于混沌同步的密钥分发。

1.基于公共信道短时互易性的密钥分发：首先利用具有自主随机变化的公共噪声信道作为物理随机信号源，再根据信道的“短时互易性”，合法用户通过导频信号测量“短时一致”的噪声信道特征。通过协商将信道特征转换为相关的密钥从而实现密钥分发。目前已见报道的密钥分发速率较低，仅为160bit/s(Optics Express, Vol. 21, No. 20, pp.23756-23771, 2013)。此外该密钥分发过程会泄露少量私钥给窃听者，在一定程度上削弱了密钥分发的安全性。

2.基于超长光纤激光器的密钥分发，类似于“无密钥加密”的概念，不需要私钥交换。光纤通信路径被认为是激光器的振荡腔，通信双方独立选择一个不同中心波长的反射镜，实现一个密钥位的交换。当用户选择互补反射镜，则激光信号不会发生变化，此时窃听者只能检测到噪声，无法确定哪个用户选择哪个镜像，从而实现安全的密钥交换。例如，2014年英国学者Atalla El-Taher提出基于拉曼超长腔光纤激光器(UFL)的安全密钥分发。当腔长为500km时，最终密钥分发速率为100bit/s (Laser Photonics Reviews, vol. 8,no. 3, pp.436-442, 2014)。但该方案需信号在光纤构成的振荡腔内多周重复传输才能实现一次密钥分发，极大地限制了密钥分发速率。

3.基于混沌同步的密钥分发：在外部驱动下，参数接近的接收机和发射机可输出相同的混沌波形，即实现了混沌同步。双方利用私钥对收发机进行独立随机键控，随后通过私钥交换选取相同私钥所对应的同步混沌波形产生密钥，实现一致的密钥分发。2013年，日本琦玉大学Uchida教授课题组利用单向耦合混沌半导体激光器的同步实现了密钥分发速率为64kbit/s(Optics Express, Vol. 21, No. 15, pp. 17869-17893, 2013)。最近，Uchida教授课题组通过光子集成芯片的混沌同步将密钥分发速率提升至184kbit/s(Optical Express, Vol. 25, No. 21, pp. 26029-26044, 2017)。然而，受限于混沌同步恢复时间，该密钥分发方案的分发速率难以继续提高。

综上所述，基于算法的密钥分发存在安全性差的问题，同时基于物理层的密钥分发存在速率低的问题，有必要发明一种高速且安全的密钥分发技术，以解决“一次一密”绝对安全保密通信中高速密钥安全分发这一关键技术障碍。

发明内容

本发明的目的在于解决基于算法的密钥分发存在的安全性差的问题和基于物理层的密钥分发存在着传输速率低的问题，提供了基于无周期混沌同步的高速密钥安全分发系统及方法。

为叙述方便，下文中所称的“左”“右”与附图1或2本身的左右方向一致，且下文中的“上”“下”与附图1或2本身的上下方向一致，但并不对本发明的结构起限定作用。

本发明解决其技术问题的技术方案是：

第一种基于无周期混沌同步的高速密钥安全分发系统，包括Alice通信方和Bob通信方，所述Alice通信方包括A方半导体激光器、A方偏振控制器、第一A方光纤耦合器、第二A方光纤耦合器、A方功率计、A方示波器和A方啁啾光纤光栅，所述A方半导体激光器的末端连接至A方偏振控制器的首端，所述A方偏振控制器的末端连接至第一A方光纤耦合器的上方首端，第一A方光纤耦合器的下方首端连接至A方功率计的信号输入端，第一A方光纤耦合器的下方末端分别通过A方光衰减器和A方相位调制器连接至A方啁啾光纤光栅，第一A方光纤耦合器的上方末端连接至第二A方光纤耦合器的上方首端，第二A方光纤耦合器的下方首端和下方末端均连接至A方示波器；所述Bob通信方包括B方半导体激光器、B方偏振控制器、第一B方光纤耦合器、第二B方光纤耦合器、B方功率计、B方示波器和B方啁啾光纤光栅，所述B方半导体激光器的末端连接至B方偏振控制器的首端，所述B方偏振控制器的末端连接至第一B方光纤耦合器的上方首端，第一B方光纤耦合器的下方首端连接至B方功率计的信号输入端，第一B方光纤耦合器的下方末端分别通过B方光衰减器以及相位参数与A方相位调制器相同的B方相位调制器连接至B方啁啾光纤光栅，第一B方光纤耦合器的上方末端连接至第二B方光纤耦合器的上方首端，第二B方光纤耦合器的下方首端和下方末端均连接至B方示波器；所述第二A方光纤耦合器的上方末端通过通信光纤连接至第二B方光纤耦合器的上方末端。

优选的，所述A方相位调制器和B方相位调制器均包括0和π两个相位参数。

优选的，所述第一A方光纤耦合器、第二A方光纤耦合器、第一B方光纤耦合器和第二B方光纤耦合器的耦合比均为50:50。

基于第一种基于无周期混沌同步的高速密钥安全分发系统的密钥安全分发方法，包括以下步骤：

1)Alice通信方的A方半导体激光器发射出的激光信号经过A方偏振控制器调整偏振态后进入第一A方光纤耦合器，且从第一A方光纤耦合器的下方末端依次进入到A方光衰减器、A方相位调制器、A方啁啾光纤光栅，激光信号经A方啁啾光纤光栅反射后再一次经过A方相位调制器、A方光衰减器到达第一A方光纤耦合器，并从第一A方光纤耦合器的上方首端通过A方偏振控制器发射至A方半导体激光器，如上所述，激光信号经过A方半导体激光器至A方啁啾光纤光栅间不停的反射，形成无周期的A方混沌激光信号，且从A方啁啾光纤光栅反射的A方混沌激光信号经第一A方光纤耦合器的下方首端发射至A方功率计，A方功率计实时显示出A方混沌激光信号的功率大小；同理，Bob通信方形成无周期的B方混沌激光信号，且B方功率计实时显示出B方混沌激光信号的功率大小；

2)A方半导体激光器将A方混沌激光信号依次通过A方偏振控制器、第一A方光纤耦合器发射至第二A方光纤耦合器的上方首端，A方混沌激光信号从第二A方光纤耦合器的上方末端通过通信光纤依次传输至第二B方光纤耦合器、第一B方光纤耦合器、B方偏振控制器和B方半导体激光器，从而A方混沌激光信号和B方混沌激光信号发生互耦合，A方混沌激光信号并从第二B方光纤耦合器的下方首端传输至B方示波器，且A方混沌激光信号从第二A方光纤耦合器的下方末端传输至A方示波器；同理，B方半导体激光器将B方混沌激光信号依次通过B方偏振控制器、第一B方光纤耦合器发射至第二B方光纤耦合器的上方首端，B方混沌激光信号从第二B方光纤耦合器的上方末端通过通信光纤依次传输至第二A方光纤耦合器、第一A方光纤耦合器、A方偏振控制器和A方半导体激光器，从而B方混沌激光信号和A方混沌激光信号发生互耦合，B方混沌激光信号并从第二A方光纤耦合器的下方首端传输至A方示波器，且B方混沌激光信号从第二B方光纤耦合器的下方末端传输至B方示波器；A方示波器和B方示波器采集的混沌激光信号通过后期电脑程序运算得出相关系数即同步系数；

3)通过调整A方光衰减器和B方光衰减器并结合观察A方功率计和B方功率计使A方混沌激光信号和B方混沌激光信号的功率大小满足通信需求且保持一致；

4)观察A方示波器中采集的A方混沌激光信号和B方混沌激光信号的相系数，若双方混沌激光信号的相关系数小于0.5，则通过调节A方相位调制器的相位输出使双方混沌激光信号相关系数接近1，从而双方混沌激光信号实现混沌同步，则Alice通信方根据A方相位调制器的相位参数和既定的密钥选取规则得知密钥；同理，Bob通信方通过调节B方相位调制器直至B方示波器中双方混沌激光信号相关，则Bob通信方根据B方相位调制器的相位参数和既定的密钥选取规则得知密钥。

由于相位信息难以实时捕捉测量，窃听者无法获知相位参数，且密钥分发过程中无需私钥交换，因此密钥分发过程的安全性得以保证。

第二种基于无周期混沌同步的高速密钥安全分发系统，包括Alice通信方和Bob通信方，所述Alice通信方包括A方半导体激光器、A方偏振控制器、第一A方光纤耦合器、第二A方光纤耦合器、第三A方光纤耦合器、A方功率计、A方示波器、A方光开关和A方啁啾光纤光栅，所述A方半导体激光器的末端连接至A方偏振控制器的首端，所述A方偏振控制器的末端连接至第一A方光纤耦合器的上方首端，第一A方光纤耦合器的下方首端连接至A方功率计的信号输入端，第一A方光纤耦合器的下方末端分别通过A方光衰减器连接至A方光开关的首端，A方光开关的左方末端通过A方延迟线连接至第三A方光纤耦合器的左方首端，A方光开关的右方末端连接至第三A方光纤耦合器的右方首端，第三A方光纤耦合器末端连接至A方啁啾光纤光栅的反射端，第一A方光纤耦合器的上方末端连接至第二A方光纤耦合器的上方首端，第二A方光纤耦合器的下方首端和下方末端均连接至A方示波器；所述Bob通信方包括B方半导体激光器、B方偏振控制器、第一B方光纤耦合器、第二B方光纤耦合器、第三B方光纤耦合器、B方功率计、B方示波器、B方光开关和B方啁啾光纤光栅，所述B方半导体激光器的末端连接至B方偏振控制器的首端，所述B方偏振控制器的末端连接至第一B方光纤耦合器的上方首端，第一B方光纤耦合器的下方首端连接至B方功率计的信号输入端，第一B方光纤耦合器的下方末端分别通过B方光衰减器连接至B方光开关的首端，B方光开关的左方末端通过与A方延迟线等长的B方延迟线连接至第三B方光纤耦合器的左方首端，B方光开关的右方末端连接至第三B方光纤耦合器的右方首端，第三B方光纤耦合器末端连接至B方啁啾光纤光栅的反射端，第一B方光纤耦合器的上方末端连接至第二B方光纤耦合器的上方首端，第二B方光纤耦合器的下方首端和下方末端均连接至B方示波器；所述第二A方光纤耦合器的上方末端通过通信光纤连接至第二B方光纤耦合器的上方末端。

优选的，第二种基于无周期混沌同步的高速密钥安全分发系统中，所述A方延迟线和B方延迟线均设置为2m。

优选的，所述第一A方光纤耦合器、第二A方光纤耦合器、第一B方光纤耦合器和第二B方光纤耦合器的耦合比均为50:50。

基于第二种基于无周期混沌同步的高速密钥安全分发系统的密钥安全分发方法，包括以下步骤：

1)Alice通信方的A方半导体激光器发射出的激光信号经过A方偏振控制器调整偏振态后进入第一A方光纤耦合器，且从第一A方光纤耦合器的下方末端依次进入到A方光衰减器、A方光开关，通过A方光开关选择左方有延迟端或右方无延迟端经过第三A方光纤耦合器发射至A方啁啾光纤光栅，激光信号经A方啁啾光纤光栅反射后再一次经过第三A方光纤耦合器，并从A方光开关的左方末端或右方末端依次经过A方光开关、A方光衰减器到达第一A方光纤耦合器，并从第一A方光纤耦合器的上方首端通过A方偏振控制器发射至A方半导体激光器，如上所述，激光信号经过A方半导体激光器至A方啁啾光纤光栅间不停的反射，形成无周期的A方混沌激光信号，且从A方啁啾光纤光栅反射的A方混沌激光信号经第一A方光纤耦合器的下方首端发射至A方功率计，A方功率计实时显示出A方混沌激光信号的功率大小；同理，Bob通信方形成无周期的B方混沌激光信号，且B方功率计实时显示出B方混沌激光信号的功率大小；

2)A方半导体激光器将A方混沌激光信号依次通过A方偏振控制器、第一A方光纤耦合器发射至第二A方光纤耦合器的上方首端，A方混沌激光信号从第二A方光纤耦合器的上方末端通过通信光纤依次传输至第二B方光纤耦合器、第一B方光纤耦合器、B方偏振控制器和B方半导体激光器，从而A方混沌激光信号和B方混沌激光信号发生互耦合，A方混沌激光信号并从第二B方光纤耦合器的下方首端传输至B方示波器，且A方混沌激光信号从第二A方光纤耦合器的下方末端传输至A方示波器；同理，B方半导体激光器将B方混沌激光信号依次通过B方偏振控制器、第一B方光纤耦合器发射至第二B方光纤耦合器的上方首端，B方混沌激光信号从第二B方光纤耦合器的上方末端通过通信光纤次传输至第二A方光纤耦合器、第一A方光纤耦合器、A方偏振控制器和A方半导体激光器，从而B方混沌激光信号和A方混沌激光信号发生互耦合，B方混沌激光信号并从第二A方光纤耦合器的下方首端传输至A方示波器，且B方混沌激光信号从第二B方光纤耦合器的下方末端传输至B方示波器；A方示波器和B方示波器采集的混沌激光信号通过后期运算得出相关系数即同步系数；

3)通过调整A方光衰减器和B方光衰减器并结合观察A方功率计和B方功率计使A方混沌激光信号和B方混沌激光信号的功率大小满足通信需求且保持一致；

4)观察A方示波器中采集的A方混沌激光信号和B方混沌激光信号的相系数，若双方混沌激光信号的相关系数小于0.5，则通过改变A方光开关对左右通路的选择使双方混沌激光信号相关系数接近1，从而双方混沌激光信号实现混沌同步，则Alice通信方根据A方光开关的左右通路选择和既定的密钥选取规则得知密钥；同理，Bob通信方通过改变B方光开关对左右通路选择直至B方示波器中双方混沌激光信号相关，则Bob通信方根据B方光开关的选择和既定的密钥选取规则得知密钥。

在密钥分发的过程中不需要进行私钥交换，避免了部分私钥泄露造成的安全性受威胁的问题，进一步保证了密钥分发的安全性。

A方啁啾光纤光栅和B方啁啾光纤光栅的作用虽然类似于镜面，但是其色散反馈破坏了外腔谐振特征，产生的是无时延特征的混沌信号，故A方混沌激光信号是无周期混沌激光信号，同理，Bob方混沌激光信号是无周期混沌激光信号；A方光衰减器和B方光衰减器分别调节A方混沌激光信号和B方混沌激光信号功率的大小，A方功率计和B方功率计实时探测并显示出A方混沌激光信号和B方混沌激光信号功率的大小，既保证A方混沌激光信号和B方混沌激光信号的功率满足双方通通信的需求，又保证A方混沌激光信号和B方混沌激光信号的功率不会太大而损坏A方半导体激光器和B方半导体激光器。

基于上述两种不同的基于无周期混沌同步的高速密钥安全分发系统的两种密钥安全分发方法中涉及到的既定的密钥选取规则是通信双方提前制定好的，既定的密钥选取规则有多种形式，而且只有通信双方知道。

本发明的有益效果是：

一、结构合理、设计巧妙，所述密钥分发方法原理可靠，实施性较强，容易操作；

二、通过啁啾光纤光栅代替传统镜面进行反馈产生无时延特征的混沌信号，窃听者无法从信号的时间序列中获得通信双方的外腔长度信息，增强了密钥分发的安全性；

三、通信双方通过同步情况以及双方既定的私钥选取规则便可判断对方私钥的选取情况，故在密钥分发的过程中不需要进行私钥交换，避免了部分私钥泄露造成的安全性受威胁的问题，进一步保证了密钥分发的安全性。

附图说明

图1本发明所述的基于无周期混沌同步的高速密钥安全分发系统的第一个实施例的结构示意图。

图2本发明所述的基于无周期混沌同步的高速密钥安全分发系统的第二个实施例的结构示意图。

图3本发明的其中一种既定的密钥选取规则。

图中：a1-A方半导体激光器；a2- A方偏振控制器；a3-第一A方光纤耦合器；a4-A方光衰减器；a5-A方相位调制器；a6-A方啁啾光纤光栅；a7-A方功率计；a8-第二A方光纤耦合器；（a9）-A方示波器；a10-A方光开关；a11-A方延迟线；a12-第三A方光纤耦合器；b1-B方半导体激光器；b2- B方偏振控制器；b3-第一B方光纤耦合器；b4-B方光衰减器；b5-B方相位调制器；b6-B方啁啾光纤光栅；b7-B方功率计；b8-第二B方光纤耦合器；b9-B方示波器；b10-B方光开关；b11-B方延迟线；b12-第三B方光纤耦合器。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其他实施方式，都属于本发明所保护的范围。

参见附图1和图2，现对本发明提供的两种基于无周期混沌同步的高速密钥安全分发系统及方法进行说明。

实施例一：

一种基于无周期混沌同步的高速密钥安全分发系统，图图1所示，包括Alice通信方和Bob通信方，所述Alice通信方包括A方半导体激光器a1、A方偏振控制器a2、第一A方光纤耦合器a3、第二A方光纤耦合器a8、A方功率计a7、A方示波器a9和A方啁啾光纤光栅a6，所述A方半导体激光器a1的末端连接至A方偏振控制器a2的首端，所述A方偏振控制器a2的末端连接至第一A方光纤耦合器a3的上方首端，第一A方光纤耦合器a3的下方首端连接至A方功率计a7的信号输入端，第一A方光纤耦合器a3的下方末端分别通过A方光衰减器a4和A方相位调制器a5连接至A方啁啾光纤光栅a6，第一A方光纤耦合器a3的上方末端连接至第二A方光纤耦合器a8的上方首端，第二A方光纤耦合器a8的下方首端和下方末端均连接至A方示波器a9；所述Bob通信方包括B方半导体激光器b1、B方偏振控制器b2、第一B方光纤耦合器b3、第二B方光纤耦合器b8、B方功率计b7、B方示波器b9和B方啁啾光纤光栅b6，所述B方半导体激光器b1的末端连接至B方偏振控制器b2的首端，所述B方偏振控制器b2的末端连接至第一B方光纤耦合器b3的上方首端，第一B方光纤耦合器b3的下方首端连接至B方功率计b7的信号输入端，第一B方光纤耦合器b3的下方末端分别通过B方光衰减器b4以及相位参数与A方相位调制器a5相同的B方相位调制器b5连接至B方啁啾光纤光栅b6，第一B方光纤耦合器b3的上方末端连接至第二B方光纤耦合器b8的上方首端，第二B方光纤耦合器b8的下方首端和下方末端均连接至B方示波器b9；所述第二A方光纤耦合器a8的上方末端通过通信光纤连接至第二B方光纤耦合器b8的上方末端。

进一步的，作为本发明所述的基于无周期混沌同步的高速密钥安全分发系统的一种具体实施方式，所述A方相位调制器a5和B方相位调制器b5均包括0和π两个相位参数。A方相位调制器a5和B方相位调制器b5的两个相位参数只要满足相应相同，便可以随意变换

进一步的，作为本发明所述的基于无周期混沌同步的高速密钥安全分发系统的另一种具体实施方式，所述第一A方光纤耦合器a3、第二A方光纤耦合器a8、第一B方光纤耦合器b3和第二B方光纤耦合器b8的耦合比均为50:50。

基于实施例一中的基于无周期混沌同步的高速密钥安全分发系统的密钥安全分发方法，包括以下步骤：

1)Alice通信方的A方半导体激光器a1发射出的激光信号经过A方偏振控制器a2调整偏振态后进入第一A方光纤耦合器a3，且从第一A方光纤耦合器a3的下方末端依次进入到A方光衰减器a4、A方相位调制器a5、A方啁啾光纤光栅a6，激光信号经A方啁啾光纤光栅a6反射后再一次经过A方相位调制器a5、A方光衰减器a4到达第一A方光纤耦合器a3，并从第一A方光纤耦合器a3的上方首端通过A方偏振控制器a2发射至A方半导体激光器a1，如上所述，激光信号经过A方半导体激光器a1至A方啁啾光纤光栅a6间不停的反射，形成无周期的A方混沌激光信号，且从A方啁啾光纤光栅a6反射的A方混沌激光信号经第一A方光纤耦合器a3的下方首端发射至A方功率计a7，A方功率计a7实时显示出A方混沌激光信号的功率大小；同理，Bob通信方形成无周期的B方混沌激光信号，且B方功率计b7实时显示出B方混沌激光信号的功率大小；

2)A方半导体激光器a1将A方混沌激光信号依次通过A方偏振控制器a2、第一A方光纤耦合器a3发射至第二A方光纤耦合器a8的上方首端，A方混沌激光信号从第二A方光纤耦合器a8的上方末端通过通信光纤依次传输至第二B方光纤耦合器b8、第一B方光纤耦合器b3、B方偏振控制器b2和B方半导体激光器b1，从而A方混沌激光信号和B方混沌激光信号发生互耦合，A方混沌激光信号并从第二B方光纤耦合器b8的下方首端传输至B方示波器b9，且A方混沌激光信号从第二A方光纤耦合器a8的下方末端传输至A方示波器a9；同理，B方半导体激光器b1将B方混沌激光信号依次通过B方偏振控制器b2、第一B方光纤耦合器b3发射至第二B方光纤耦合器b8的上方首端，B方混沌激光信号从第二B方光纤耦合器b8的上方末端通过通信光纤依次传输至第二A方光纤耦合器a8、第一A方光纤耦合器a3、A方偏振控制器a2和A方半导体激光器a1，从而B方混沌激光信号和A方混沌激光信号发生互耦合，B方混沌激光信号并从第二A方光纤耦合器a8的下方首端传输至A方示波器a9，且B方混沌激光信号从第二B方光纤耦合器b8的下方末端传输至B方示波器b9；A方示波器a9和B方示波器b9采集的混沌激光信号通过后期运算得出相关系数即同步系数；

3)通过调整A方光衰减器a4和B方光衰减器b4并结合观察A方功率计a7和B方功率计b7使A方混沌激光信号和B方混沌激光信号的功率大小满足通信需求且保持一致；

4)观察A方示波器a9中采集的A方混沌激光信号和B方混沌激光信号的相关系数，若双方混沌激光信号的相关系数小于0.5，则通过调节A方相位调制器a5使双方混沌激光信号相关系数接近1，从而双方混沌激光信号实现混沌同步，则Alice通信方根据A方相位调制器a5的相位参数和既定的密钥选取规则得知密钥；同理，Bob通信方通过调节B方相位调制器b5的相位输出直至B方示波器b9中双方混沌激光信号相关，则Bob通信方根据B方相位调制器b5的相位参数和既定的密钥选取规则得知密钥。

如图3所示，通信双方既定的密钥选取规则为双方相位参数均为0的状态为密钥0，双方相位参数均为π的状态为密钥1，当双方同步时，则双方的相位参数必定相同：如果己方选择相位参数0，则可判定对方的相位参数也必定为0，此时的密钥为0；如果己方选择相位参数π，则可判定对方的相位参数也必定为π，此时的密钥为1。由于相位信息难以实时捕捉测量，窃听者无法获知相位参数，且密钥分发过程中无需私钥交换，因此密钥分发过程的安全性得以保证。

实施例二：

第二种基于无周期混沌同步的高速密钥安全分发系统，如图2所示，包括Alice通信方和Bob通信方，所述Alice通信方包括A方半导体激光器a1、A方偏振控制器a2、第一A方光纤耦合器a3、第二A方光纤耦合器a8、第三A方光纤耦合器a12、A方功率计a7、A方示波器a9、A方光开关a10和A方啁啾光纤光栅a6，所述A方半导体激光器a1的末端连接至A方偏振控制器a2的首端，所述A方偏振控制器a2的末端连接至第一A方光纤耦合器a3的上方首端，第一A方光纤耦合器a3的下方首端连接至A方功率计a7的信号输入端，第一A方光纤耦合器a3的下方末端分别通过A方光衰减器a4连接至A方光开关a10的首端，A方光开关a10的左方末端通过A方延迟线a11连接至第三A方光纤耦合器a12的左方首端，A方光开关a10的右方末端连接至第三A方光纤耦合器a12的右方首端，第三A方光纤耦合器a12末端连接至A方啁啾光纤光栅a6的反射端，第一A方光纤耦合器a3的上方末端连接至第二A方光纤耦合器a8的上方首端，第二A方光纤耦合器a8的下方首端和下方末端均连接至A方示波器a9；所述Bob通信方包括B方半导体激光器b1、B方偏振控制器b2、第一B方光纤耦合器b3、第二B方光纤耦合器b8、第三B方光纤耦合器b12、B方功率计b7、B方示波器b9、B方光开关b10和B方啁啾光纤光栅b6，所述B方半导体激光器b1的末端连接至B方偏振控制器b2的首端，所述B方偏振控制器b2的末端连接至第一B方光纤耦合器b3的上方首端，第一B方光纤耦合器b3的下方首端连接至B方功率计b7的信号输入端，第一B方光纤耦合器b3的下方末端分别通过B方光衰减器b4连接至B方光开关b10的首端，B方光开关b10的左方末端通过与A方延迟线a11等长的B方延迟线b11连接至第三B方光纤耦合器b12的左方首端，B方光开关b10的右方末端连接至第三B方光纤耦合器b12的右方首端，第三B方光纤耦合器b12末端连接至B方啁啾光纤光栅b6的反射端，第一B方光纤耦合器b3的上方末端连接至第二B方光纤耦合器b8的上方首端，第二B方光纤耦合器b8的下方首端和下方末端均连接至B方示波器b9；所述第二A方光纤耦合器a8的上方末端通过通信光纤连接至第二B方光纤耦合器b8的上方末端。

进一步的，作为本发明所述的第二种基于无周期混沌同步的高速密钥安全分发系统的一种具体实施方式，所述A方延迟线a11和B方延迟线b11均设置为2m。A方延迟线a11和B方延迟线b11的长度只要满足相等，便可以随意变换长度。

进一步的，作为本发明所述的第二种基于无周期混沌同步的高速密钥安全分发系统的另一种具体实施方式，所述第一A方光纤耦合器a3、第二A方光纤耦合器a8、第一B方光纤耦合器b3和第二B方光纤耦合器b8的耦合比均为50:50。

基于实施例二中基于无周期混沌同步的高速密钥安全分发系统的密钥安全分发方法，包括以下步骤：

1)Alice通信方的A方半导体激光器a1发射出的激光信号经过A方偏振控制器a2调整偏振态后进入第一A方光纤耦合器a3，且从第一A方光纤耦合器a3的下方末端依次进入到A方光衰减器a4、A方光开关a10，通过A方光开关a10选择左方有延迟端或右方无延迟端经过第三A方光纤耦合器a12发射至A方啁啾光纤光栅a6，激光信号经A方啁啾光纤光栅a6反射后再一次经过第三A方光纤耦合器a12，并从A方光开关a10的左方末端或右方末端依次经过A方光开关a10、A方光衰减器a4到达第一A方光纤耦合器a3，并从第一A方光纤耦合器a3的上方首端通过A方偏振控制器a2发射至A方半导体激光器a1，如上所述，激光信号经过A方半导体激光器a1至A方啁啾光纤光栅a6间不停的反射，形成无周期的A方混沌激光信号，且从A方啁啾光纤光栅a6反射出的A方混沌激光信号经第一A方光纤耦合器a3的下方首端发射至A方功率计a7，A方功率计a7实时显示出A方混沌激光信号的功率大小；同理，Bob通信方形成无周期的B方混沌激光信号，且B方功率计b7实时显示出B方混沌激光信号的功率大小；

2)A方半导体激光器a1将A方混沌激光信号依次通过A方偏振控制器a2、第一A方光纤耦合器a3发射至第二A方光纤耦合器a8的上方首端，A方混沌激光信号从第二A方光纤耦合器a8的上方末端通过通信光纤依次传输至第二B方光纤耦合器b8、第一B方光纤耦合器b3、B方偏振控制器b2和B方半导体激光器b1，从而A方混沌激光信号和B方混沌激光信号发生互耦合，A方混沌激光信号并从第二B方光纤耦合器b8的下方首端传输至B方示波器b9，且A方混沌激光信号从第二A方光纤耦合器a8的下方末端传输至A方示波器a9；同理，B方半导体激光器b1将B方混沌激光信号依次通过B方偏振控制器b2、第一B方光纤耦合器b3发射至第二B方光纤耦合器b8的上方首端，B方混沌激光信号从第二B方光纤耦合器b8的上方末端通过通信光纤次传输至第二A方光纤耦合器a8、第一A方光纤耦合器a3、A方偏振控制器a2和A方半导体激光器a1，从而B方混沌激光信号和A方混沌激光信号发生互耦合，B方混沌激光信号并从第二A方光纤耦合器a8的下方首端传输至A方示波器a9，且B方混沌激光信号从第二B方光纤耦合器b8的下方末端传输至B方示波器b9；A方示波器a9和B方示波器b9采集的混沌激光信号通过后期电脑程序运算得出相关系数即同步系数；

3)通过调整A方光衰减器a4和B方光衰减器b4并结合观察A方功率计a7和B方功率计b7使A方混沌激光信号和B方混沌激光信号的功率大小满足通信需求且保持一致；

4)观察A方示波器a9中采集的A方混沌激光信号和B方混沌激光信号的相关系数，若双方混沌激光信号的相关系数小于0.5，则通过改变A方光开关a10对左右通路的选择使双方混沌激光信号相关系数接近1，从而双方混沌激光信号实现混沌同步，则Alice通信方根据A方光开关a10的左右通路的选择和既定的密钥选取规则得知密钥；同理，Bob通信方通过改变B方光开关b10对左右通路选择直至B方示波器b9中双方混沌激光信号相关，则Bob通信方根据B方光开关b10的选择和既定的密钥选取规则得知密钥。

如图3所示，本发明中通信双方既定的密钥选取规则定义为双方延迟线长度均为0m的状态为密钥0，双方延迟线长度均为2m的状态为密钥1，为当双方同步时，则双方的延迟线长度必定相同，如果己方选择延迟线长度为0m，则可判定对方的延迟线长度也必定为0m，此时密钥为0；如果己方选择延迟线长度为2m，则可判定对方的延迟线长度也必定为2m ，此时密钥为1。在密钥分发的过程中不需要进行私钥交换，避免了部分私钥泄露造成的安全性受威胁的问题，进一步保证了密钥分发的安全性。

A方啁啾光纤光栅a6和B方啁啾光纤光栅b6的作用虽然类似于镜面，但是其色散反馈破坏了外腔谐振特征，产生的是无时延特征的混沌信号，故A方混沌激光信号是无周期混沌激光信号，同理，Bob方混沌激光信号是无周期混沌激光信号；A方光衰减器a4和B方光衰减器b4可以分别调节A方混沌激光信号和B方混沌激光信号功率的大小，A方功率计a7和B方功率计b7可以实时探测并显示出A方混沌激光信号和B方混沌激光信号功率的大小，既保证A方混沌激光信号和B方混沌激光信号的功率满足双方通通信的需求，又保证A方混沌激光信号和B方混沌激光信号的功率不会太大而损坏A方半导体激光器a1和B方半导体激光器b1。

基于上述两种不同的基于无周期混沌同步的高速密钥安全分发系统的两种密钥安全分发方法中涉及到的既定的密钥选取规则是通信双方提前制定好的，既定的密钥选取规则有多种形式，而且只有通信双方知道。如图3所示，这只是密钥选取规则的一种实施例。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (8)

1.基于无周期混沌同步的高速密钥安全分发系统，其特征在于：包括Alice通信方和Bob通信方，所述Alice通信方包括A方半导体激光器（a1）、A方偏振控制器（a2）、第一A方光纤耦合器（a3）、第二A方光纤耦合器（a8）、A方功率计（a7）、A方示波器（a9）和A方啁啾光纤光栅（a6），所述A方半导体激光器（a1）的末端连接至A方偏振控制器（a2）的首端，所述A方偏振控制器（a2）的末端连接至第一A方光纤耦合器（a3）的上方首端，第一A方光纤耦合器（a3）的下方首端连接至A方功率计（a7）的信号输入端，第一A方光纤耦合器（a3）的下方末端分别通过A方光衰减器（a4）和A方相位调制器（a5）连接至A方啁啾光纤光栅（a6），第一A方光纤耦合器（a3）的上方末端连接至第二A方光纤耦合器（a8）的上方首端，第二A方光纤耦合器（a8）的下方首端和下方末端均连接至A方示波器（a9）；所述Bob通信方包括B方半导体激光器（b1）、B方偏振控制器（b2）、第一B方光纤耦合器（b3）、第二B方光纤耦合器（b8）、B方功率计（b7）、B方示波器（b9）和B方啁啾光纤光栅（b6），所述B方半导体激光器（b1）的末端连接至B方偏振控制器（b2）的首端，所述B方偏振控制器（b2）的末端连接至第一B方光纤耦合器（b3）的上方首端，第一B方光纤耦合器（b3）的下方首端连接至B方功率计（b7）的信号输入端，第一B方光纤耦合器（b3）的下方末端分别通过B方光衰减器（b4）以及相位参数与A方相位调制器（a5）相同的B方相位调制器（b5）连接至B方啁啾光纤光栅（b6），第一B方光纤耦合器（b3）的上方末端连接至第二B方光纤耦合器（b8）的上方首端，第二B方光纤耦合器（b8）的下方首端和下方末端均连接至B方示波器（b9）；所述第二A方光纤耦合器（a8）的上方末端通过通信光纤连接至第二B方光纤耦合器（b8）的上方末端。

2.根据权利要求1所述的基于无周期混沌同步的高速密钥安全分发系统，其特征在于，所述A方相位调制器（a5）和B方相位调制器（b5）均包括0和π两个相位参数。

3.根据权利要求2所述的基于无周期混沌同步的高速密钥安全分发系统，其特征在于，所述第一A方光纤耦合器（a3）、第二A方光纤耦合器（a8）、第一B方光纤耦合器（b3）和第二B方光纤耦合器（b8）的耦合比均为50:50。

4.基于无周期混沌同步的高速密钥安全分发系统，其特征在于：包括Alice通信方和Bob通信方，所述Alice通信方包括A方半导体激光器（a1）、A方偏振控制器（a2）、第一A方光纤耦合器（a3）、第二A方光纤耦合器（a8）、第三A方光纤耦合器（a12）、A方功率计（a7）、A方示波器（a9）、A方光开关（a10）和A方啁啾光纤光栅（a6），所述A方半导体激光器（a1）的末端连接至A方偏振控制器（a2）的首端，所述A方偏振控制器（a2）的末端连接至第一A方光纤耦合器（a3）的上方首端，第一A方光纤耦合器（a3）的下方首端连接至A方功率计（a7）的信号输入端，第一A方光纤耦合器（a3）的下方末端分别通过A方光衰减器（a4）连接至A方光开关（a10）的首端，A方光开关（a10）的左方末端通过A方延迟线（a11）连接至第三A方光纤耦合器（a12）的左方首端，A方光开关（a10）的右方末端连接至第三A方光纤耦合器（a12）的右方首端，第三A方光纤耦合器（a12）末端连接至A方啁啾光纤光栅（a6）的反射端，第一A方光纤耦合器（a3）的上方末端连接至第二A方光纤耦合器（a8）的上方首端，第二A方光纤耦合器（a8）的下方首端和下方末端均连接至A方示波器（a9）；所述Bob通信方包括B方半导体激光器（b1）、B方偏振控制器（b2）、第一B方光纤耦合器（b3）、第二B方光纤耦合器（b8）、第三B方光纤耦合器（b12）、B方功率计（b7）、B方示波器（b9）、B方光开关（b10）和B方啁啾光纤光栅（b6），所述B方半导体激光器（b1）的末端连接至B方偏振控制器（b2）的首端，所述B方偏振控制器（b2）的末端连接至第一B方光纤耦合器（b3）的上方首端，第一B方光纤耦合器（b3）的下方首端连接至B方功率计（b7）的信号输入端，第一B方光纤耦合器（b3）的下方末端分别通过B方光衰减器（b4）连接至B方光开关（b10）的首端，B方光开关（b10）的左方末端通过与A方延迟线（a11）等长的B方延迟线（b11）连接至第三B方光纤耦合器（b12）的左方首端，B方光开关（b10）的右方末端连接至第三B方光纤耦合器（b12）的右方首端，第三B方光纤耦合器（b12）末端连接至B方啁啾光纤光栅（b6）的反射端，第一B方光纤耦合器（b3）的上方末端连接至第二B方光纤耦合器（b8）的上方首端，第二B方光纤耦合器（b8）的下方首端和下方末端均连接至B方示波器（b9）；所述第二A方光纤耦合器（a8）的上方末端通过通信光纤连接至第二B方光纤耦合器（b8）的上方末端。

5.根据权利要求4所述的基于无周期混沌同步的高速密钥安全分发系统，其特征在于：所述A方延迟线（a11）和B方延迟线（b11）均设置为2m。

6.根据权利要求5所述的基于无周期混沌同步的高速密钥安全分发系统，其特征在于，所述第一A方光纤耦合器（a3）、第二A方光纤耦合器（a8）、第一B方光纤耦合器（b3）和第二B方光纤耦合器（b8）的耦合比均为50:50。

7.基于权利要求3所述的基于无周期混沌同步的高速密钥安全分发系统的密钥安全分发方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1) Alice通信方的A方半导体激光器（a1）发射出的激光信号经过A方偏振控制器（a2）调整偏振态后进入第一A方光纤耦合器（a3），且从第一A方光纤耦合器（a3）的下方末端依次进入到A方光衰减器（a4）、A方相位调制器（a5）、A方啁啾光纤光栅（a6），激光信号经A方啁啾光纤光栅（a6）反射后再一次经过A方相位调制器（a5）、A方光衰减器（a4）到达第一A方光纤耦合器（a3），并从第一A方光纤耦合器（a3）的上方首端通过A方偏振控制器（a2）发射至A方半导体激光器（a1），如上所述，激光信号经过A方半导体激光器（a1）至A方啁啾光纤光栅（a6）间不停的反射，形成无周期的A方混沌激光信号，且从A方啁啾光纤光栅（a6）反射的A方混沌激光信号经第一A方光纤耦合器（a3）的下方首端发射至A方功率计（a7），A方功率计（a7）实时显示出A方混沌激光信号的功率大小；同理，Bob通信方形成无周期的B方混沌激光信号，且B方功率计（b7）实时显示出B方混沌激光信号的功率大小；

(2) A方半导体激光器（a1）将A方混沌激光信号依次通过A方偏振控制器（a2）、第一A方光纤耦合器（a3）发射至第二A方光纤耦合器（a8）的上方首端，A方混沌激光信号从第二A方光纤耦合器（a8）的上方末端通过通信光纤依次传输至第二B方光纤耦合器（b8）、第一B方光纤耦合器（b3）、B方偏振控制器（b2）和B方半导体激光器（b1），从而A方混沌激光信号和B方混沌激光信号发生互耦合，A方混沌激光信号并从第二B方光纤耦合器（b8）的下方首端传输至B方示波器（b9），且A方混沌激光信号从第二A方光纤耦合器（a8）的下方末端传输至A方示波器（a9）；同理，B方半导体激光器（b1）将B方混沌激光信号依次通过B方偏振控制器（b2）、第一B方光纤耦合器（b3）发射至第二B方光纤耦合器（b8）的上方首端，B方混沌激光信号从第二B方光纤耦合器（b8）的上方末端通过通信光纤依次传输至第二A方光纤耦合器（a8）、第一A方光纤耦合器（a3）、A方偏振控制器（a2）和A方半导体激光器（a1），从而B方混沌激光信号和A方混沌激光信号发生互耦合，B方混沌激光信号并从第二A方光纤耦合器（a8）的下方首端传输至A方示波器（a9），且B方混沌激光信号从第二B方光纤耦合器（b8）的下方末端传输至B方示波器（b9）；A方示波器（a9）和B方示波器（b9）采集的混沌激光信号通过后期电脑程序运算得出相关系数即同步系数；

(3) 通过调整A方光衰减器（a4）和B方光衰减器（b4）并结合观察A方功率计（a7）和B方功率计（b7）使A方混沌激光信号和B方混沌激光信号的功率大小满足通信需求且保持一致；

(4) 观察A方示波器（a9）中采集的A方混沌激光信号和B方混沌激光信号的相关系数，若双方混沌激光信号的相关系数小于0.5，则通过调节A方相位调制器（a5）的相位输出使双方混沌激光信号相关系数接近1，从而双方混沌激光信号实现混沌同步，则Alice通信方根据A方相位调制器（a5）的相位参数和既定的密钥选取规则得知密钥；同理，Bob通信方通过调节B方相位调制器（b5）的相位输出直至B方示波器（b9）采集的双方混沌激光信号实现混沌同步，则Bob通信方根据B方相位调制器（b5）的相位参数和既定的密钥选取规则得知密钥。

8.基于权利要求6所述的基于无周期混沌同步的高速密钥安全分发系统的密钥安全分发方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1) Alice通信方的A方半导体激光器（a1）发射出的激光信号经过A方偏振控制器（a2）调整偏振态后进入第一A方光纤耦合器（a3），且从第一A方光纤耦合器（a3）的下方末端依次进入到A方光衰减器（a4）、A方光开关（a10），通过A方光开关（a10）选择左方有延迟端或右方无延迟端经过第三A方光纤耦合器（a12）发射至A方啁啾光纤光栅（a6），激光信号经A方啁啾光纤光栅（a6）反射后再一次经过第三A方光纤耦合器（a12），并从A方光开关（a10）的左方末端或右方末端依次经过A方光开关（a10）、A方光衰减器（a4）到达第一A方光纤耦合器（a3），并从第一A方光纤耦合器（a3）的上方首端通过A方偏振控制器（a2）发射至A方半导体激光器（a1），如上所述，激光信号经过A方半导体激光器（a1）至A方啁啾光纤光栅（a6）间不停的反射，形成无周期的A方混沌激光信号，且从A方啁啾光纤光栅（a6）反射出的A方混沌激光信号经第一A方光纤耦合器（a3）的下方首端发射至A方功率计（a7），A方功率计（a7）实时显示出A方混沌激光信号的功率大小；同理，Bob通信方形成无周期的B方混沌激光信号，且B方功率计（b7）实时显示出B方混沌激光信号的功率大小；

(2) A方半导体激光器（a1）将A方混沌激光信号依次通过A方偏振控制器（a2）、第一A方光纤耦合器（a3）发射至第二A方光纤耦合器（a8）的上方首端，A方混沌激光信号从第二A方光纤耦合器（a8）的上方末端通过通信光纤依次传输至第二B方光纤耦合器（b8）、第一B方光纤耦合器（b3）、B方偏振控制器（b2）和B方半导体激光器（b1），从而A方混沌激光信号和B方混沌激光信号发生互耦合，A方混沌激光信号并从第二B方光纤耦合器（b8）的下方首端传输至B方示波器（b9），且A方混沌激光信号从第二A方光纤耦合器（a8）的下方末端传输至A方示波器（a9）；同理，B方半导体激光器（b1）将B方混沌激光信号依次通过B方偏振控制器（b2）、第一B方光纤耦合器（b3）发射至第二B方光纤耦合器（b8）的上方首端，B方混沌激光信号从第二B方光纤耦合器（b8）的上方末端通过通信光纤次传输至第二A方光纤耦合器（a8）、第一A方光纤耦合器（a3）、A方偏振控制器（a2）和A方半导体激光器（a1），从而B方混沌激光信号和A方混沌激光信号发生互耦合，B方混沌激光信号并从第二A方光纤耦合器（a8）的下方首端传输至A方示波器（a9），且B方混沌激光信号从第二B方光纤耦合器（b8）的下方末端传输至B方示波器（b9）；A方示波器（a9）和B方示波器（b9）采集的混沌激光信号通过后期电脑程序运算得出相关系数即同步系数；

(3) 通过调整A方光衰减器（a4）和B方光衰减器（b4）并结合观察A方功率计（a7）和B方功率计（b7）使A方混沌激光信号和B方混沌激光信号的功率大小满足通信需求且保持一致；

(4) 观察A方示波器（a9）中采集的A方混沌激光信号和B方混沌激光信号的相关系数，若双方混沌激光信号的相关系数小于0.5，则通过改变A方光开关（a10）对左右通路的选择使双方混沌激光信号相关系数接近1，从而双方混沌激光信号实现混沌同步，则Alice通信方根据A方光开关（a10）的左右通路选择和既定的密钥选取规则得知密钥；同理，Bob通信方通过改变B方光开关（b10）对左右通路选择直至B方示波器（b9）中双方混沌激光信号相关，则Bob通信方根据B方光开关（b10）的选择和既定的密钥选取规则得知密钥。