CN111147963A - 一种光通信链路信号加密通信方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种光通信链路信号加密通信方法及系统，方法的步骤是：OLT端随机选择n个不同频率f1～fn的载波作为暗载波，并确定每段载波对应的时长t1～tn；OLT端对选取的载波频率值和时长值进行加密，然后将加密信息调制到固定频率f0的明载波上，组播传输到各个ONU；ONU接收到加密信息后，获得载频和时长信息，并发送确认信息给OLT；OLT采用暗载波对需要传输的数据信息进行调制，得到一段多重载频串行组合而成的光脉冲，当OLT接收到ONU返回的确认信息后，将多重载波光脉冲组播传输给各个ONU；ONU接收到多重载波光脉冲后，发送确认信息给OLT，收到确认信息的OLT重新选择载波和对应的时长，与ONU进行新一轮的数据传输。此种技术方案可防止非法ONU窃听合法ONU用户获得有用信号。

Description

一种光通信链路信号加密通信方法及系统
技术领域
本发明属于加密通信技术领域，特别涉及一种明/暗多重载波光通信链路信号加密通信方法及系统。
背景技术
在高带宽的应用和服务推动下，网络流量呈现指数增长，基于标准无源光网络系统，并兼容光功率分配网络的下一代无源光网络(Next Generate Passive OpticalNetwork,NG-PON2)，因其上下行链路均能实现多波长传输，且能同时满足TWDM和PtP-WDM架构的优势，已成为新一代无源光接入网技术的首选方案。但是TWDM和PtP-WDM网络架构的下行信号采用广播方式，因此NG-PON2仍然面临着恶意ONU用户伪装成合法ONU用户窃听下游链路中数据信息的威胁。
在传统的无源光接入网中，存在着干扰、拦截、物理设施破坏以及窃听等攻击方式，尤其是窃听攻击对用户信息危害性大却不易被发现，甚至会造成巨大的经济损失，影响社会、军事、国防的安全。在NG-PON2中，OLT下行信号需要被广播到更多的ONU端，并且传输光脉冲的功率也大幅度增强，这使得非法ONU用户可以窃听到更多合法ONU用户的信号，同时窃听成功的几率也大大增加，也就是说，随着NG-PON2的推广应用，窃听攻击会变得更加普遍、迅速。
发明内容
本发明的目的，在于针对NG-PON2对光网络物理层安全迫切的需求，提供一种光通信链路信号加密通信方法及系统，其可防止非法ONU窃听获得有用信号。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种光通信链路信号加密通信方法，实现在NG-PON2中OLT端向若干ONU端组播发送信息；包括如下步骤：
步骤1，OLT端随机选择n个不同频率f1～fn的载波作为暗载波，n≥1，并确定每段载波对应的时长t1～tn；
步骤2，OLT端对选取的载波频率值和时长值进行加密，然后将加密后的载频和时长信息调制到固定频率f0的明载波上，再通过组播方式传输到下行链路的各个ONU；
步骤3，各个ONU接收到加密信息后，解调之后通过解密获得载频和时长信息，并通过频率为f0的载波，发送确认信息给OLT；
步骤4，OLT使用步骤1选取的载频和时长对需要传输的数据信息进行调制，得到一段多重载频串行组合而成的光脉冲，当OLT接收到各个ONU返回的确认信息后，OLT将多重载波光脉冲发送到下行链路，组播传输给各个ONU；
步骤5，各个ONU接收到多重载波光脉冲后，通过频率为f0的载波发送确认信息给OLT，收到确认信息的OLT重新选择载波和对应的时长，重复步骤1-5，与ONU进行新一轮的数据传输。
上述步骤2中，OLT端对选取的载波频率值任意排列，对应的时长值也对应排列，然后通过一次一密的方法对载波频率值和时长值进行加密。
上述步骤3中，ONU根据解密获得的载频和时长信息，设置解调器的多个时间点，以及每两个时间点之间使用的载频fi，i＝1....n，便于在接收到OLT端发送的多重载波光脉冲后迅速对光脉冲进行解调。
上述步骤3中，ONU使用频率值为f0的本地信号对加密信息进行解调。
一种光通信链路信号加密通信系统，实现在NG-PON2中OLT端向若干ONU端组播发送信息；包括设于OLT端的第一主控器、随机数生成器、第一多频率信号发生器和多载频调制器，以及设于各ONU端的第二多频率信号发生器和多载频解调器；
所述随机数生成器用于产生多个载波频率值和对应的时长值；
第一主控器从随机数生成器产生的载波频率值和对应的时长值中选择n个不同频率的载波f1～fn作为暗载波，n≥1，以及对应的时长t1～tn，并根据时长值设置第一多频率信号发生器的时间信息，使得每段时长ti之间间隔一个固定时长t0，i＝1...n，然后根据不同时长对应的载波值设置载波信息，使其能够依次产生不同频率的载波；
多载频调制器用于在第一主控器的控制下，对载频和时长信息、需传输的数据信号进行加密，并通过明载波f0对信息进行调制，调制完的光脉冲发组播至各个ONU用户；
第二多频率信号发生器用于在接收到OLT端发送的光脉冲后，通过明载波f0向OLT发送确认信息，并根据光脉冲中包含的信息产生多重载频；
多载频解调器用于使用频率值为f0的本地信号对接收的光脉冲进行解调，之后解密获得载频和时长信息、数据信号。
上述多载频调制器将第一主控器选择的暗载波的频率值任意排列，对应载频的时长值也按序排列，然后通过一次一密的方法对载波和时长信息进行加密。
上述多载频解调器根据解密获得的载频和时长信息，设置多个时间点，以及每两个时间点之间使用的载频fi，i＝1....n，便于在接收到OLT端发送的多重载波光脉冲后迅速对光脉冲进行解调。
采用上述方案后，我们通过研究发现，光纤中传输的光脉冲，只有当ONU端解调器的载波频率与LOT端调制器的载波频率完全一致时，ONU才能从广播的光脉冲中解调出数据信息；又由于上下行链路多波长的特性，本发明提出一种明/暗多重载波调制物理层加密的方法。固定频率的载波f0作为明载波，可变频率的载波fi(i＝1....n)作为暗载波，利用可变频率载波的频率值f1～fn(n≥1)和各载波对应的时长t1～tn(n≥1)作为密钥，在物理层对光脉冲进行加密处理。在这种情况下，即使非法ONU窃听获取了合法用户的光脉冲信号，由于没有相应用户的载频和时长信息(即密钥信息)，仍然无法从中解调出数据信息。
附图说明
图1是本发明中OLT端的调制流程图；
图2是本发明中ONU端的调制流程图；
图3是本发明的通信系统示意图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。
针对NG-PON2对光网络物理层安全迫切的需求，和NG-PON2链路、上下行信号传输的特点，本发明提出了一种明/暗多重载波调制物理层加密的方法。首先由OLT端从可传输的载波中随机选择几个不同频率的载波f1～fn(n≥1)作为暗载波，并确定每段载波可使用时长t1～tn(n≥1)，接着OLT端对暗载波的密钥信息，即对载频值和时长值进行普通的加密，本实施例建议采用一次一密的方法进行加密，之后将加密后的信息调制到固定频率f0的明载波上，再通过组播方式传输到下行链路的各个ONU。各个OUN接收到加密信息后，通过频率为f0的载波，发送确认信息给OLT。同时，OLT使用不同载频f1～fn(n≥1)以及时长t1～tn(n≥1)对需要传输的数据信息进行调制，得到一段多重载频串行组合而成的光脉冲。在OLT接收到各个ONU返回的确认信息后，OLT将多重载波光脉冲发送到下行链路，组播传输给各个ONU。各个ONU接收到多重载波光脉冲后，需要发送确认信息给OLT，收到确认信息的OLT会重新选择几个不同的载波和对应的时长与ONU进行新一轮的数据传输。
ONU首先会接收到来自OLT的第一个光脉冲，此时ONU需要发送确认信号给OLT，以表明自己成功接收到了密钥信息：载频f1～fn(n≥1)和时长t1～tn(n≥1)；接着ONU设置调制器频率为f0对光脉冲进行解调，解调之后通过解密获得关于载频和时长信息。然后根据密钥信息设置调制器的多个时间点，以及每两个时间点之间使用的载频fi(i＝1....n)，使得调制器在接收到多重载波光脉冲之后，能够迅速地对光脉冲进行解调，得到传输的数据信息。在OLT接收到多重载波光脉冲之后，需要及时的发送确认信号给OLT，以表明自己成功接收到了传输的数据信息。
具体而言，首先在OLT端设置随机数生成器、多频率信号发生器和多载频调制器；同时在ONU端设置多频率信号发生器和多载频解调器。由OLT端的随机数生成器产生多个载波频率值和对应的时长值，先根据时长值对多频率信号发生器设置时间信息，使得每段时长ti(i＝1...n)之间间隔一个固定时长t0，然后根据不同时长对应的载波值，对信号发生器设置载波信息，使其能够依次产生不同频率的载波。当ONU端接收到包含载频和时长信息的光脉冲，并返回确认信号之后，ONU端的多频率发生器根据密钥信息，与OLT端类似对多频率信号发生器进行设置，依次产生不同频率的本地信号，用于解调载有数据信息的暗载波光脉冲。
明/暗多重载波调制物理层加密方法，采用载频和时长信息作为传输数据的密钥信息，对其进行现有的加密技术(一次一密)处理，当OLT和ONU之间同步暗载波的密钥信息(载频和时长)之后，再进行数据传输通信。相比于使用一次一密技术直接对数据信息进行加密，只对载频和时长加密可以大大节约一次一密的密钥资源，同时减轻OLT和ONU端负荷。
相比于现有的类似技术——光跳频技术而言，明/暗多重载波调制物理层加密方案的优势有以下几点：1、可以优化光跳频技术中接收方与发送方之间跳频信号的同步问题，提高了系统的准确性；2、可以简化跳频系统物理层结构，减少跳频同步设备和ONU端的部分接收设备，降低系统成本；3、可以降低跳频序列被破译的风险，增强跳频系统的安全性。
以下提供一个具体实施例。
NG-PON2不仅需要与原有的光纤接入网架构共存，并还要满足下行链路至少支持40Gbit/s，最高性能预期为160Gbit/s，上行链路至少支持10Gbit/s，最高性能预期为80Gbit/s的要求。因此相对原有FTTH、FTTB架构中OLT和ONU的分布情况，满足NG-PON2要求的FTTH和FTTB架构，OLT和ONU的分布需要更加密集：每一栋楼或几个楼层分配一个OLT，每一层楼或一个公司设置一个ONU。
当一栋办公楼配置了一个OLT，每一层楼或每一个公司配置一个ONU时，首先需要在OLT端安装随机数生成器、多频率信号发生器和多载频调制解调器，以及在各个ONU端安装多频率信号发生器和多载频调制解调器，用于产生不同频率的载波和调制、解调上下游信号，以获得密钥信息(载频、时长)和数据信息。
当OLT需要将数据信息组播输出给各个ONU用户时，OLT先从可传输的波段中随机选取若干个暗载波f1～fn(n≥1)，并确定各个暗载波可使用的时长t1～tn(n≥1)，接着将暗载波的频率值任意排列，对应载频的时长值也按序排列，然后通过一次一密的方法对载波和时长信息进行加密，最后通过明载波f0对信息进行调制，调制完的光脉冲发组播至各个ONU用户。只有合法的ONU用户才能通过解调和解密获得之后解调数据数据信息所需的载波和时长值，而非法窃听的ONU用户即使能够通过器件耦合或光纤弯曲获得传输光脉冲，但仍然无法完成解密获得暗载波光脉冲的密钥信息。
各个ONU用户接收到光脉冲之后，首先通过明载波f0向OLT发送确认信息，然后使用频率值为f0的本地信号进行解调，之后解密获得载频和时长信息。此时合法ONU已经与OLT端同步了暗载波光脉冲的密钥信息，接着合法ONU会根据不同的时长信息确定多频率信号发生器的多个时间点，同时确定每两个时间点之间所使用的不同频率fi(i＝1....n)。
OLT端收到各个ONU返回的确认信息后，会根据多频率信号发生器和多载频调制器已设定好的时间点和载频，对有用的数据信号进行调制后组播至下行链路。各个ONU用户接收到新的光脉冲后，依旧通过明载波f0向OLT发送确认信息，然后对接收到的暗载波光脉冲进行解调。由于非法窃听的ONU用户无法获得密钥信息：载频和时长，所以无法对承载数据信息的暗载波光脉冲进行解调，即无法获得有用的数据信息。
OLT再次接收到各个ONU返回的确认信息后，重新从可传输的波段中随机选取若干个载频f1-fn(n≥1)，并确定各个载频可使用的时长，加密、调制、组播，与各个ONU建立新的链接进行数据信息传输。
所以通过明/暗多重载波调制物理层加密方法，即便存在想要窃听公司重要信息的竞争对手，只要在传输载频和时长信息时，保证自己公司ONU与OLT之间加密和解密的过程是可靠的，就可以保证在传输数据信息时，即使传输的光脉冲被窃听，窃听者也无法从中解调出数据信息。由于本专利建议使用一次一密作为明载波的加密方式，其流密码当中使用与消息长度等长的随机密钥，且密钥本身只使用一次，因此相比于直接对数据信息进行加密的方案，只对暗载波的载波和时长信息进行加密可以节省密钥资源，减轻OLT和ONU端加解密的工作负荷，同时只要适当降低传输效率就可大大增加数据信息的安全性。相比于基于混沌系统的光跳频方案，可简化光通信系统物理层设备，优化接收方和发送方跳频同步的难题，同时降低因跳频序列被破译系统面临的安全风险。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种光通信链路信号加密通信方法，实现在NG-PON2中OLT端向若干ONU端组播发送信息；其特征在于包括如下步骤：
步骤1，OLT端随机选择n个不同频率f1～fn的载波作为暗载波，n≥1，并确定每段载波对应的时长t1～tn；
步骤2，OLT端对选取的载波频率值和时长值进行加密，然后将加密后的载频和时长信息调制到固定频率f0的明载波上，再通过组播方式传输到下行链路的各个ONU；
步骤3，各个ONU接收到加密信息后，解调之后通过解密获得载频和时长信息，并通过频率为f0的载波，发送确认信息给OLT；
步骤4，OLT使用步骤1选取的载频和时长对需要传输的数据信息进行调制，得到一段多重载频串行组合而成的光脉冲，当OLT接收到各个ONU返回的确认信息后，OLT将多重载波光脉冲发送到下行链路，组播传输给各个ONU；
步骤5，各个ONU接收到多重载波光脉冲后，通过频率为f0的载波发送确认信息给OLT，收到确认信息的OLT重新选择载波和对应的时长，重复步骤1-5，与ONU进行新一轮的数据传输。
2.如权利要求1所述的一种光通信链路信号加密通信方法，其特征在于：所述步骤2中，OLT端对选取的载波频率值任意排列，对应的时长值也对应排列，然后通过一次一密的方法对载波频率值和时长值进行加密。
3.如权利要求1所述的一种光通信链路信号加密通信方法，其特征在于：所述步骤3中，ONU根据解密获得的载频和时长信息，设置解调器的多个时间点，以及每两个时间点之间使用的载频fi，i＝1....n，便于在接收到OLT端发送的多重载波光脉冲后迅速对光脉冲进行解调。
4.如权利要求1所述的一种光通信链路信号加密通信方法，其特征在于：所述步骤3中，ONU使用频率值为f0的本地信号对加密信息进行解调。
5.一种光通信链路信号加密通信系统，实现在NG-PON2中OLT端向若干ONU端组播发送信息；其特征在于：包括设于OLT端的第一主控器、随机数生成器、第一多频率信号发生器和多载频调制器，以及设于各ONU端的第二多频率信号发生器和多载频解调器；
所述随机数生成器用于产生多个载波频率值和对应的时长值；
第一主控器从随机数生成器产生的载波频率值和对应的时长值中选择n个不同频率的载波f1～fn作为暗载波，n≥1，以及对应的时长t1～tn，并根据时长值设置第一多频率信号发生器的时间信息，使得每段时长ti之间间隔一个固定时长t0，i＝1...n，然后根据不同时长对应的载波值设置载波信息，使其能够依次产生不同频率的载波；
多载频调制器用于在第一主控器的控制下，对载频和时长信息、需传输的数据信号进行加密，并通过明载波f0对信息进行调制，调制完的光脉冲发组播至各个ONU用户；
第二多频率信号发生器用于在接收到OLT端发送的光脉冲后，通过明载波f0向OLT发送确认信息，并根据光脉冲中包含的信息产生多重载频；
多载频解调器用于使用频率值为f0的本地信号对接收的光脉冲进行解调，之后解密获得载频和时长信息、数据信号。
6.如权利要求5所述的一种光通信链路信号加密通信系统，其特征在于：所述多载频调制器将第一主控器选择的暗载波的频率值任意排列，对应载频的时长值也按序排列，然后通过一次一密的方法对载波和时长信息进行加密。
7.如权利要求5所述的一种光通信链路信号加密通信系统，其特征在于：所述多载频解调器根据解密获得的载频和时长信息，设置多个时间点，以及每两个时间点之间使用的载频fi，i＝1....n，便于在接收到OLT端发送的多重载波光脉冲后迅速对光脉冲进行解调。
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