CN110726483A - 抵御雪崩过渡区攻击的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种抵御雪崩过渡区攻击的装置，包括时钟扇出装置、延时模块、多路选择器装置、随机源装置和门信号发生电路装置；所述时钟扇出装置探测器用于将经过探测器的出发输入信号分为两路独立的时钟信号T1和时钟信号T2；多路选择器的输出端OUT与门信号发生电路相连，触发输入信号与门控输出信号最小延时为t，门信号发生电路输出门控信号在时间t或t+Δt处随机抖动并经输出接头J2输出到APD。本发明还公开了一种抵御雪崩过渡区攻击的方法。本发明可以在保证探测器计数稳定性的同时检测雪崩过渡区被攻击。

Description

抵御雪崩过渡区攻击的装置及方法
技术领域
本发明涉及光纤量子密钥分配系统中红外单光子探测器领域，尤其涉及一种抵御雪崩过渡区攻击的装置及方法。
背景技术
基于量子力学基本原理的量子密码技术理论上是无条件安全的，然而，随着量子密码技术的逐渐成熟并且转向越来越多的实际应用。实际的安全性并无理论中所描述得那么完美。原因在于实际系统采用的设备与理论模型存在差距，例如光源的不完美(不是真正的单光子源)，信道上的损耗和非理想的探测器。这些不完美使得QKD系统出现漏洞，窃听者可以利用这些漏洞，在低于理论容限误码率的情况下获取部分甚至是全部密钥而不被合法通信双方检测到。
光纤量子密钥分配系统(以下简称QKD)中使用基于InGaAs/InP雪崩二极管(以下简称APD)单光子探测器探测携带量子信息的单光子，为了达到单光子水平的探测灵敏度，雪崩二极管一般工作在盖革门控模式下。QKD系统中光子到达时间是确定的，光子到达时刻将门控信号加载在APD上，APD两端电压超过其雪崩电压，APD处于盖革模式下；其余时刻关闭门控信号，APD两端电压低于其雪崩电压，APD处于线性模式下。
探测器的门控是经过放大的窄脉冲信号，由于放大器带宽的限制，信号的上升时间和下降时间一般为百皮秒数量级。在这段时间内APD两端的电压高于线性模式下的偏置电压，又低于雪崩电压，处于雪崩过渡区。由于光子到达时间和探测器门控信号到达时间是确定的，且门控信号的随机抖动时间小于门控信号的边沿时间，攻击者就可以在这段由门控信号边沿所产生的特定时刻，注入已制备好的虚假多光子脉冲，控制探测器的响应，就可以窃取通信双反的密钥，而不被发现。这种攻击方法称为过渡区攻击，目前尚无公开报道的简单有效防御措施。
由于门控模式探测器从开门到关闭门信号之间的过渡区时间非常短暂，所以攻击的时间窗口非常窄。如果改变门控信号的位置或者光脉冲的到达延时，则探测器的响应会发生剧烈的变化，使得QKD的误码或者码率产生明显变动，从而发现这种过渡区攻击。
发明内容
针对上述现有技术的缺陷，本发明目的在于针对目前抵御雪崩过渡区攻击的方案的空缺，提出一种抵御雪崩过渡区攻击的装置及方法，本发明可以在保证探测器计数稳定性的同时检测雪崩过渡区被攻击。
为了实现上述技术目的，本发明采取的技术方案是：抵御雪崩过渡区攻击的装置，包括时钟扇出装置、延时模块、多路选择器装置、随机源装置和门信号发生电路装置；其特征在于：
所述时钟扇出装置探测器用于将经过探测器的出发输入信号分为两路独立的时钟信号T1和时钟信号T2；
所述延时模块的输出端与用多路选择器的输入端IN1连接，所述延时模块用于将时钟信号T1延时后输入多路选择器，所述延时模块的延时量为Δt，延时量Δt大于等于门控信号边沿时间的一半；
时钟信T2与多路选择器装置的输入端IN2连接，多路选择器装置的选择开关S与随机源模块相连；
随机源模块用于随机选择输入端IN1的输入时钟T1或者输入端IN2的输入时钟T2作为多路选择器的输出信号；
多路选择器的输出端OUT与门信号发生电路相连，触发输入信号与门控输出信号最小延时为t，门信号发生电路输出门控信号在时间t或t+Δt处随机抖动并经输出接头J2输出到APD。
进一步的，延时装置为可编程延时芯片、固定延时芯片或者线缆
进一步的，随机源模块为随机数芯片、量子随机数发生器或者FPGA内部随机数发生模块。
为了实现上述技术目的，本发明采取的另一种技术方案是：抵御雪崩过渡区攻击的方法，其特征在于包括以下步骤：
通过时钟扇出装置探测器将经过探测器的触发输入信号分为两路独立的时钟信号T1和时钟信号T2；
通过延时模块将时钟信号T1延时后输入多路选择器，所述延时模块的延时量为Δt，延时量Δt大于等于门控信号边沿时间的一半；
通过多路选择器装置的输入端IN2将时钟信T2输入多路选择器，多路选择器装置的选择开关S与随机源模块相连；
通过随机源模块随机选择输入端IN1的输入时钟T1或者输入端IN2的输入时钟T2作为多路选择器的输出信号，触发输入信号与门控输出信号最小延时为t，门信号发生电路输出门控信号在时间t或t+Δt处随机抖动并经输出接头J2输出到APD。
为了实现上述技术目的，本发明采取的另一种技术方案是：抵御雪崩过渡区攻击的装置，包括光源输入模块、延时可控光学模块、随机源模块和光源输出模块；
所述光源输入模块与延时可控光学模块的输入端IN连接，用于将光源输入延时可控光学模块；
所述延时可控光学模块用于将输入的光源进行调制，使光源经过延时可控光学模块调制后，分成t或t+Δt两不同延时时间输出；
所述随机源模块输出接口与延时可控光学模块的控制端S相连，随机源模块用于随机选择t或t+Δt的延时输出作为最终的光源通过所述光源输出模块输出。
进一步的，延时可控光学模块为光学可控延时器件。
进一步的，随机源模块为由随机数芯片、量子随机数发生器或者FPGA内部随机数发生模块。
为了实现上述技术目的，本发明采取的另一种技术方案是：抵御雪崩过渡区攻击的方法，其特征在于包括以下步骤：
通过光源输入模块将光源输入到延时可控光学模块的输入端IN；
通过延时同归可控光学模块对光源输入模块输入的光源进行调制，使光源分成t或t+Δt两不同延时时间输出；
通过随机源模块随机选择t或t+Δt的延时输出作为最终的输出光源通过光源输出模块输出。
本发明将一个固定到达时间的门控信号改变成一对固定到达时间的门控信号，该对门控信号存在相对延时差△T，不停随机选择其中一个作为最终加载至APD的门控信号，使最终产生的门控信号存在△T的随机抖动时间。控制该对门控信号相对延时差△T大于等于门控信号边沿下降时间的一半，即可使攻击者无法准确定位雪崩过渡区的位置。同时仅选取该对门控信号中一个作为有效门控信号与光子对齐，产生有效探测计数，因此探测器探测计数不会受到影响；另外一个作为监测门控信号，当没有攻击者时该门控信号下对应探测计数应远低于有效门控信号对应的探测计数，当该门控信号下对应量子密钥分发误码率增加或者探测计数升高时，即说明存在攻击。对进入探测器的光脉冲进行随机的延时调整可以达到相同的抵御效果。在量子秘钥分发的光路中，加入光学可控延时器件，用随机数去调节光路延时，使得光子到达探测器的时刻发生变化，同时检测延时变化之后的误码率和原始码率，可以有效检测到过渡区攻击。
有益效果：本发明对进入探测器的光脉冲进行随机的延时调整可以达到相同的抵御效果。在量子秘钥分发的光路中，加入光学可控延时器件，用随机数去调节光路延时，使得光子到达探测器的时刻发生变化，同时检测延时变化之后的误码率和原始码率，可以有效检测到过渡区攻击。本发明可以在保证探测器计数稳定性的同时检测雪崩过渡区被攻击。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图。
图2为本发明实施例3的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解这些实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
实施例1
如图1，本抵御雪崩过渡区攻击的装置，包括时钟扇出装置、延时模块、多路选择器装置、随机源装置和门信号发生电路装置；所述时钟扇出装置探测器用于将经过探测器的出发输入信号分为两路独立的时钟信号T1和时钟信号T2；所述延时模块的输出端与用多路选择器的输入端IN1连接，所述延时模块用于将时钟信号T1延时后输入多路选择器，所述延时模块的延时量为Δt，延时量Δt大于等于门控信号边沿时间的一半；时钟信T2与多路选择器装置的输入端IN2连接，多路选择器装置的选择开关S与随机源模块相连；随机源模块用于随机选择输入端IN1的输入时钟T1或者输入端IN2的输入时钟T2作为多路选择器的输出信号；多路选择器的输出端OUT与门信号发生电路相连，触发输入信号与门控输出信号最小延时为t，门信号发生电路输出门控信号在时间t或t+Δt处随机抖动并经输出接头J2输出到APD。延时装置为可编程延时芯片、固定延时芯片或者线缆，随机源模块为随机数芯片、量子随机数发生器或者FPGA内部随机数发生模块。
本实施例1工作原理如下：
1)探测器的触发输入信号经过时钟扇出装置被分为两路独立的时钟信号1和时钟信号2。时钟信号1经过延时模块后与多路选择器IN1连接，延时量为Δt，延时量大于等于门控信号边沿时间的一半。延时装置可以由可编程延时芯片、固定延时芯片或者线缆延时产生；
2)时钟信号2直接与多路选择器装置的IN2连接；
3)多路选择器装置的选择开关S与随机源相连，随机源可以由随机数芯片、量子随机数发生器或者FPGA内部随机数发生模块产生；
4)随机源随机选择IN1和IN2的输入时钟作为多路选择器装置的输出信号；
5)触发输入信号与门控输出信号最小延时为t。多路选择器装置的输出端OUT与门信号发生电路相连，输出门控信号在时间t或t+Δt处随机抖动，经输出接头J2输出到APD。
QKD系统中，随机源控制多路选择器随机选择IN1和IN2作为输出信号，最终门控信号在延时t和t+Δt处随机出现。
QKD系统中，延时t和t+Δt只有一个是正确延时，在正确延时下门控信号与量子光对齐，探测器得到正确的计数，QKD误码处于正常范围内。当正确延时确定后，门控信号在延时t和t+Δt处随机出现，且Δt大于等于门控信号边沿时间的一半。攻击者无法准确定位哪个延时是正确的门控时间，系统只要监测在另外一个延时下探测器是否有误码率明显上升或者异常探测计数，如果有，则说明系统受到攻击，QKD启动告警，同时丢弃收发双方的密钥。
实施例2
参见图1，本抵御雪崩过渡区攻击的方法，采用抵御雪崩过渡区攻击的装置实现，包括以下步骤：
通过时钟扇出装置探测器将经过探测器的触发输入信号分为两路独立的时钟信号T1和时钟信号T2；
通过延时模块将时钟信号T1延时后输入多路选择器，所述延时模块的延时量为Δt，延时量Δt大于等于门控信号边沿时间的一半；
通过多路选择器装置的输入端IN2将时钟信T2输入多路选择器，多路选择器装置的选择开关S与随机源模块相连；
通过随机源模块随机选择输入端IN1的输入时钟T1或者输入端IN2的输入时钟T2作为多路选择器的输出信号，触发输入信号与门控输出信号最小延时为t，门信号发生电路输出门控信号在时间t或t+Δt处随机抖动并经输出接头J2输出到APD。
实施例3
参见图2，本抵御雪崩过渡区攻击的装置，包括光源输入模块、延时可控光学模块、随机源模块和光源输出模块；所述光源输入模块与延时可控光学模块的输入端IN连接，用于将光源输入延时可控光学模块；所述延时可控光学模块用于将输入的光源进行调制，使光源经过延时可控光学模块调制后，分成t或t+Δt两不同延时时间输出；所述随机源模块输出接口与延时可控光学模块的控制端S相连，随机源模块用于随机选择t或t+Δt的延时输出作为最终的光源通过所述光源输出模块输出。延时可控光学模块为光学可控延时器件，随机源模块为由随机数芯片、量子随机数发生器或者FPGA内部随机数发生模块。
本实施例3工作原理如下：
1)QKD光源输入到延时可控光学模块输入端IN，随机源输出接口与延时可控光学模块控制端S相连，光源经过延时可控光学模块调制后输出；
2)延时可控光学模块支持t或t+Δt两不同延时时间输出，延时可控光学模块可由光学可控延时器件产生；
3)随机源随机选择t或t+Δt的延时作为最终的光源输出，光脉冲随机在对应的两个不同延时处进入探测器。随机源可以由随机数芯片、量子随机数发生器或者FPGA内部随机数发生模块产生。
QKD系统中，延时量为t和t+Δt对应的光脉冲只有一个延时是正确的，在正确延时量下量子光与门控信号对齐，当正确延时确定后，探测器得到正确的计数，QKD误码处于正常范围内。光脉冲在延时t和t+Δt处随机出现，且Δt大于等于门控信号边沿时间的一半。由于攻击者无法准确定位哪个延时是正确的光脉冲到达时间，系统只要监测在另外一个延时下探测器是否有误码率明显上升或者异常探测计数，如果有，则说明系统受到攻击，QKD启动告警，同时丢弃收发双方的密钥。
实施例4
参见图2，本抵御雪崩过渡区攻击的方法，采用实施例1所述的抵御雪崩过渡区攻击的装置实现，包括以下步骤：
通过光源输入模块将光源输入到延时可控光学模块的输入端IN；
通过延时同归可控光学模块对光源输入模块输入的光源进行调制，使光源分成t或t+Δt两不同延时时间输出；
通过随机源模块随机选择t或t+Δt的延时输出作为最终的输出光源通过光源输出模块输出。
发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种抵御雪崩过渡区攻击的装置，包括时钟扇出装置、延时模块、多路选择器装置、随机源装置和门信号发生电路装置；其特征在于：
所述时钟扇出装置探测器用于将经过探测器的出发输入信号分为两路独立的时钟信号T1和时钟信号T2；
所述延时模块的输出端与用多路选择器的输入端IN1连接，所述延时模块用于将时钟信号T1延时后输入多路选择器，所述延时模块的延时量为Δt，延时量Δt大于等于门控信号边沿时间的一半；
时钟信T2与多路选择器装置的输入端IN2连接，多路选择器装置的选择开关S与随机源模块相连；
随机源模块用于随机选择输入端IN1的输入时钟T1或者输入端IN2的输入时钟T2作为多路选择器的输出信号；
多路选择器的输出端OUT与门信号发生电路相连，触发输入信号与门控输出信号最小延时为t，门信号发生电路输出门控信号在时间t或t+Δt处随机抖动并经输出接头J2输出到APD。
2.根据权利要1所述的抵御雪崩过渡区攻击的装置，其特征在于：延时装置为可编程延时芯片、固定延时芯片或者线缆。
3.根据权利要求1所述的抵御雪崩过渡区攻击的装置，其特征在于：随机源模块为随机数芯片、量子随机数发生器或者FPGA内部随机数发生模块。
4.一种采取权利要求1-3中任一项所述的抵御雪崩过渡区攻击的装置的抵御雪崩过渡区攻击的方法，其特征在于包括以下步骤：
通过时钟扇出装置探测器将经过探测器的触发输入信号分为两路独立的时钟信号T1和时钟信号T2；
通过延时模块将时钟信号T1延时后输入多路选择器，所述延时模块的延时量为Δt，延时量Δt大于等于门控信号边沿时间的一半；通过多路选择器装置的输入端IN2将时钟信T2输入多路选择器，多路选择器装置的选择开关S与随机源模块相连；
通过随机源模块随机选择输入端IN1的输入时钟T1或者输入端IN2的输入时钟T2作为多路选择器的输出信号，触发输入信号与门控输出信号最小延时为t，门信号发生电路输出门控信号在时间t或t+Δt处随机抖动并经输出接头J2输出到APD。
5.一种抵御雪崩过渡区攻击的装置，包括光源输入模块、延时可控光学模块、随机源模块和光源输出模块；
所述光源输入模块与延时可控光学模块的输入端IN连接，用于将光源输入延时可控光学模块；
所述延时可控光学模块用于将输入的光源进行调制，使光源经过延时可控光学模块调制后，分成t或t+Δt两不同延时时间输出；
所述随机源模块输出接口与延时可控光学模块的控制端S相连，随机源模块用于随机选择t或t+Δt的延时输出作为最终的光源通过所述光源输出模块输出。
6.根据权利要求5所述的抵御雪崩过渡区攻击的装置，其特征在于：延时可控光学模块为光学可控延时器件。
7.根据权利要求5所述的抵御雪崩过渡区攻击的装置，其特征在于：随机源模块为由随机数芯片、量子随机数发生器或者FPGA内部随机数发生模块。
8.一种采用权利要求5-7中任一项所述的抵御雪崩过渡区攻击的装置的抵御雪崩过渡区攻击的方法，其特征在于包括以下步骤：
通过光源输入模块将光源输入到延时可控光学模块的输入端IN；
通过延时同归可控光学模块对光源输入模块输入的光源进行调制，使光源分成t或t+Δt两不同延时时间输出；
通过随机源模块随机选择t或t+Δt的延时输出作为最终的输出光源通过光源输出模块输出。
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