CN112260824B - 一种Gbps物理密钥安全分发系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于保密通信技术领域，公开了一种Gbps物理密钥安全分发系统，包括第一激光器、第二激光器、第一半导体激光器和第二半导体激光器；第一激光器输出的信号经第一偏振控制器、第一光纤耦合器后从单模光纤的一端入射，经单模光纤、第二光纤耦合器后注入第二半导体激光器产生混沌激光；第二激光器输出的信号经第二偏振控制器、第二光纤耦合器后从单模光纤的另一端入射，经单模光纤、第一光纤耦合器后注入第一半导体激光器产生混沌激光，第一半导体激光器和第二半导体激光器输出的混沌激光信号分别经光电探测器探测，模数转换器转化为随机数序列后存储至存储器。本发明确保了密钥分发的安全性，并实现了高速物理密钥安全分发。

Description

一种Gbps物理密钥安全分发系统
技术领域
本发明属于保密通信技术领域，涉及密钥分发，具体为一种Gbps物理密钥安全分发系统。
背景技术
信息安全传输是网络安全的关键，是信息化时代国家安全、经济安全重要保障。我国 2014 年开始建设 100Gbps 骨干光纤通信网，2019 年开始部署千兆（Gbps）宽带接入网，亟需 Gbps 高速信息保密传输。根据 Shannon“一次一密”理论，安全的保密通信需要通信双方拥有相同的真随机数作为密钥，其速率不低于数据速率、且不能重复使用。可见，高速保密传输的根本在于 Gbps 密钥产生与分发技术。目前，Gbps密钥产生技术已取得突破，而Gbps密钥分发则成为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两类：基于数学算法的密钥分发和基于物理熵源的密钥分发。
1、基于数学算法的密钥分发
目前，通信系统普遍采用数学算法进行加密，主要包括对称式加密技术和非对称式加密技术。对称式加密方式使用相同的密钥进行加密和解密。但因为密钥共享缺乏安全性，这种加密方式在应用中难以实施。如：RC4、RC2、DES 和 AES 系列加密算法。非对称式加密方式使用公钥和私钥两种不同的密钥进行加密和解密。这种加密方式更方便。如：RSA加密算法。但其安全性依赖于所选数学难题的复杂度，这导致高的安全性需要以低的加解密速度为代价，反之亦然。而且，随着先进量子计算机的发展，这种基于计算安全的密钥分发方法的实用性面临着巨大挑战，难以实现绝对安全的保密通信，例如，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。
2、基于物理熵源的密钥分发
基于物理熵源的密钥分发主要依赖于熵源的物理随机性，典型方案包括量子密钥分发、基于光纤激光器增益光纤的密钥分发以及基于混沌激光同步的密钥分发。
（1）量子密钥分发
基于海森堡测不准原理，量子密钥分发在理论上是绝对安全的：对任意一个未知量子态进行完全相同复制的过程是不可实现的。因为复制的前提是测量，而测量必然会改变该量子的状态。因此，任何对量子系统的测量都会对系统产生干扰，带来可察觉的异常。利用光子的量子特性在理论上可以实现绝对安全的密钥分发。但是单光子能量和传输损耗限制了密钥分发速率，例如，在自由空间中量子密钥分发的最快速率仅为20-400bps(Nature Photonics, Vol. 11, No. 8 pp. 509-513, 2017)。此外，量子密钥分发还存在与现有光纤通信系统无法兼容的技术难题。
（2）基于光纤激光器增益光纤的密钥分发
基于光纤激光器增益光纤的密钥分发是利用光纤激光器的超长增益光纤作为密钥分发传输路径，并在通信双方的路径终端利用独立随机的参数进行调制——随机选取反射波长不同的光纤镜。当光纤镜反射波长不同时，光纤激光器无法实现起振输出，窃听者根据此时激光器的输出状态无法区分合法用户的参数调制情况，但合法用户可根据己方参数调制情况及激光器输出状态反推对方参数调制情况，最终实现一致密钥的安全共享与分发。然而，该方案需激光信号在超长增益光纤构成的振荡腔内进行多周重复传输才能完成1比特密钥分发，极大地限制了密钥分发速率。 例如，2014年英国学者A.El-Taher利用距离为500km的拉曼光纤激光器实现了速率仅为100bps的密钥分发(Laser PhotonicsReviews, vol. 8, no. 3, pp. 436-442, 2014)。
（3）基于混沌激光同步的密钥分发
基于混沌激光同步的密钥分发依赖于合法用户间高质量的混沌同步。混沌信号的宽带宽可达数GHz，为实现Gbps的密钥分发提供了可能性。日本A.Uchida教授利用幅值连续、相位随机的共同光源驱动两个光反馈激光器实现混动同步，同时对光反馈激光器的反馈相位进行独立随机的参数调制。通过交换对比调制参数并对相同调制参数所对应的混沌信号采样量化，最终实现了速率为184kbps的密钥分发(Optics Express,vol. 25, no.21,pp.26029-26044,2017)。然而，上述方案需在公共信道上交换调制参数，增加了密钥泄漏的概率，降低了密钥分发的安全性。此外，受参数调制过程中同步信号恢复时间的限制，该方案的密钥分发速率难以继续提高。
综上，现有密钥分发技术无法兼顾速率与安全性，有必要研发一种Gbps物理密钥安全分发方案，满足大数据时代“一次一密”高速保密通信的需求。
发明内容
针对现有技术中的密钥分发方案均无法兼顾密钥分发速率和安全性的问题，本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种Gbps物理密钥安全分发系统。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种Gbps物理密钥安全分发系统，包括第一激光器、第二激光器、第一偏振控制器、第二偏振器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、单模光纤、第一半导体激光器、第二半导体激光器、第一光电探测器、第二光电探测器、第一模数转换器、第二模数转换器、第一存储器和第二存储器；
所述第一激光器输出的信号经第一偏振控制器、第一光纤耦合器后从单模光纤的一端入射，从单模光纤的另一端出射后，经第二光纤耦合器注入第二半导体激光器产生混沌激光，第二半导体激光器输出的混沌激光信号经所述第二光电探测器探测后，输出电信号经模数转换器转化为随机数序列后存储至所述第二存储器；
所述第二激光器输出的信号经第二偏振控制器、第二光纤耦合器后从单模光纤的另一端入射，从单模光纤的一端出射后，经第一光纤耦合器注入第一半导体激光器产生混沌激光，第一半导体激光器输出的混沌激光信号经所述第一光电探测器探测后，输出电信号经模数转换器转化为随机数序列后存储至所述第一存储器。
所述的一种Gbps物理密钥安全分发系统，还包括第一光隔离器和第二光隔离器，所述第一光隔离器设置在所述第一激光器的输出端与所述第一偏振控制器之间，所述第二光隔离器设置在所述第二激光器的输出端与所述第二偏振控制器之间，所述第一光隔离器用于隔离返回第一激光器的光信号，所述第二光隔离器用于隔离返回第二激光器的光信号。
所述的一种Gbps物理密钥安全分发系统，还包括第一掺铒光纤放大器和第二掺铒光纤放大器，所述第一掺铒光纤放大器设置在第一偏振控制器与所述第一光纤耦合器之间，用于放大经第一偏振控制器后从单模光纤的一端进入单模光纤的光信号；所述第二掺铒光纤放大器设置在第二偏振控制器与所述第二光纤耦合器之间，用于放大经第二偏振控制器后从单模光纤的另一端进入单模光纤的光信号。
所述第一光纤耦合器和第二光纤耦合器为50/50的1×2光纤耦合器。
所述的一种Gbps物理密钥安全分发系统，还包括第一衰减器和第二衰减器，所述第一衰减器设置在第一光纤耦合器和第一半导体激光器之间，用于调节注入所述第一半导体激光器的激光信号功率；所述第二衰减器设置在第二光纤耦合器和第二半导体激光器之间，用于调节注入所述第二半导体激光器的激光信号功率。
第一激光器和第二激光器为参数相同的波长可调谐连续激光器，其波段范围为1530～1565nm。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明采用两个参数匹配的波长可调谐连续激光器经过长距离单模光纤传输之后产生一致的光驱动信号，两路光信号分别注入两个参数匹配的半导体激光器，驱动两个激光器产生同步混沌信号，通过对同步混沌信号进行采样量化产生Gbps相关随机数，最终实现Gbps物理密钥安全分发。
2、本发明利用光纤信道的短时互易性获得两路相同的驱动光源。窃听者无法复制光纤信道的物理特性，如光纤色散、非线性、噪声以及外部环境因素等。因此，窃听者无法得到与合法用户相同的驱动信号。 此外，该密钥分发方案无需在公共信道交换调制参数，避免了信息泄露。以上两点保证了本方案密钥分发的安全性。
3、本发明利用经过光纤传输后得到的一致安全信号驱动两个激光器产生带宽达数GHz的混沌同步信号，通过对宽带混沌信号直接进行采样量化生成高速密钥，避免了参数调制过程中同步恢复时间对密钥分发速率的限制，保证了本方案密钥分发的Gbps速率。
4、本发明中连续激光器的波长可调，不同波长的光信号可实现多路驱动，满足网络通信中多用户之间密钥分发的需求。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种Gbps物理密钥安全分发系统的结构示意图；
图中：1a-第一激光器，1b-第二激光器， 2a-第一光隔离器，2b-第二光隔离器，3a-第一偏振控制器，3b-第二偏振控制器，4a-第一掺铒光纤放大器，4b-第二掺铒光纤放大器，5a-第一光纤耦合器，5b-第二光纤耦合器，6-单模光纤，7a-第一衰减器，7b-第二衰减器，8a-第一半导体激光器，8b-第二半导体激光器，9a-第一光电探测器，9b-第二光电探测器，10a第一模数转换器，10b-第二模数转换器，11a-第一存储器，11b-第二存储器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例提供了一种Gbps物理密钥安全分发系统，包括第一激光器1a、第二激光器1b、第一偏振控制器3a、第二偏振器3b、第一光纤耦合器5a、第二光纤耦合器5b、单模光纤6、第一半导体激光器8a、第二半导体激光器8b、第一光电探测器9a、第二光电探测器9b、第一模数转换器10a、第二模数转换器10b、第一存储器11a和第二存储器11b；所述第一激光器1a输出的信号经第一偏振控制器3a、第一光纤耦合器5a后从单模光纤6的一端入射，从单模光纤6的另一端出射后，经第二光纤耦合器5b注入第二半导体激光器8b产生混沌激光，第二半导体激光器8b输出的混沌激光信号经所述第二光电探测器9b探测后，输出电信号经模数转换器转化为随机数序列后存储至所述第二存储器11b；
所述第二激光器1b输出的信号经第二偏振控制器3b、第二光纤耦合器5b后从单模光纤6的另一端入射，从单模光纤6的一端出射后，经第一光纤耦合器5a注入第一半导体激光器8a产生混沌激光，第一半导体激光器8a输出的混沌激光信号经所述第一光电探测器9a探测后，输出电信号经模数转换器转化为随机数序列后存储至所述第一存储器11a。
本实施例中，第一激光器1a和第二激光器1b为参数相同的波长可调谐连续激光器，其波段范围为1530～1565nm。通过将第一激光器1a和第二激光器1b设置为波长可调谐连续激光器，则本发明实施例的物理密钥安全分发系统可以实现多路用户的驱动，即不同波长的光信号可驱动不同用户，满足网络通信中多用户之间密钥分发的需求。
进一步地，如图1所示，本实施例提供的一种Gbps物理密钥安全分发系统，还包括第一光隔离器2a和第二光隔离器2b，所述第一光隔离器2a设置在所述第一激光器1a的输出端与所述第一偏振控制器3a之间，所述第二光隔离器2b设置在所述第二激光器1b的输出端与所述第二偏振控制器3b之间，第一光隔离器2a用于隔离返回第一激光器1a的光信号，所述第二光隔离器2b用于隔离返回第二激光器1b的光信号。
进一步地，如图1所示，本实施例提供的一种Gbps物理密钥安全分发系统，还包括第一掺铒光纤放大器4a和第二掺铒光纤放大器4b，所述第一掺铒光纤放大器4a设置在第一偏振控制器3a与所述第一光纤耦合器5a之间，用于放大经第一偏振控制器3a后从单模光纤6的一端进入单模光纤6的光信号；所述第二掺铒光纤放大器4b设置在第二偏振控制器3b与所述第二光纤耦合器5b之间，用于放大经第二偏振控制器3b后从单模光纤6的另一端进入单模光纤6的光信号。
进一步地，本实施例中，所述第一光纤耦合器5a和第二光纤耦合器5b为50/50的1×2光纤耦合器。
进一步地，如图1所示，本实施例提供的一种Gbps物理密钥安全分发系统，还包括第一衰减器7a和第二衰减器7b，所述第一衰减器7a设置在第一光纤耦合器5a和第一半导体激光器8a之间，用于调节注入所述第一半导体激光器8a的激光信号功率；所述第二衰减器7b设置在第二光纤耦合器5b、和第二半导体激光器8b之间，用于调节注入所述第二半导体激光器8b的激光信号功率。
本发明的工作过程为：第一激光器1a输出的光信号依次经过第一隔离器2a、第一偏振控制器3a后，以及第二激光器1b输出的光信号依次经过第二隔离器2b、第二偏振控制器3b后，得到两路相同偏振态的光信号。两路相同偏振态的光信号分别经过第一掺铒光纤放大器4a和第二掺铒光纤放大器4b对光信号进行放大，放大后的两路光信号分别经过第一光纤耦合器5a和第二光纤耦合器5b从单模光纤6的两端分别耦合到单模光纤中相向传输。在单模光纤6中传输的两路光信号在传输过程中保持一致，这两路光经过第二耦合器5b和第一耦合器5a，第二衰减器7b和第一衰减器7a后分别注入到第二半导体激光器8b和第一半导体激光器8a中驱动两个半导体激光器产生宽带混沌同步信号。第一半导体激光器8a和第二半导体激光器8b输出的宽带混沌同步信号分别通过第一光电探测器9a、第二光电探测器9b，第一模数转换器10a和第二模数转换器10b产生随机数序列，并分别存储在第一存储器11a和第二存储器11b中，以实现高速安全密钥分发。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (3)

1.一种Gbps物理密钥安全分发系统，其特征在于，包括第一激光器（1a）、第二激光器（1b）、第一光隔离器（2a）、第二光隔离器（2b）、第一偏振控制器（3a）、第二偏振控制器（3b）、第一掺铒光纤放大器（4a）、第二掺铒光纤放大器（4b）、第一光纤耦合器（5a）、第二光纤耦合器（5b）、单模光纤（6）、第一衰减器（7a）、第二衰减器（7b）、第一半导体激光器（8a）、第二半导体激光器（8b）、第一光电探测器（9a）、第二光电探测器（9b）、第一模数转换器（10a）、第二模数转换器（10b）、第一存储器（11a）和第二存储器（11b）；
所述第一激光器（1a）输出的信号经第一光隔离器（2a）、第一偏振控制器（3a）、第一掺铒光纤放大器（4a）、第一光纤耦合器（5a）后从单模光纤（6）的一端输入，所述第二激光器（1b）输出的信号经第二光隔离器（2b）、第二偏振控制器（3b）、第二掺铒光纤放大器（4b）、第二光纤耦合器（5b）后从单模光纤（6）的另一端输入；
所述第一光隔离器（2a）用于隔离返回第一激光器（1a）的光信号，所述第二光隔离器（2b）用于隔离返回第二激光器（1b）的光信号；所述第一偏振控制器（3a）和第二偏振控制器（3b）用于使第一激光器（1a）和第二激光器（1b）的输出信号变成相同偏振态的光信号；所述第一掺铒光纤放大器（4a）和第二掺铒光纤放大器（4b）用于对两束相同偏振态的光分别进行放大；放大后的两路光进入单模光纤（6）后，在单模光纤的传输过程中保持一致；
从单模光纤（6）的两端输出的光，一束经第二光纤耦合器（5b）、第二衰减器（7b）注入第二半导体激光器（8b），另一束经第一光纤耦合器（5a）、第一衰减器（7a）注入第一半导体激光器（8a），使第一半导体激光器（8a）和第二半导体激光器（8b）产生宽带混沌同步信号；所述第一衰减器（7a）和第二衰减器（7b）分别用于调节注入所述第一半导体激光器（8a）和第二半导体激光器（8b）的激光信号功率；
第一半导体激光器（8a）输出的混沌激光信号经所述第一光电探测器（9a）探测后，输出电信号经第一模数转换器（10a）转化为随机数序列后存储至所述第一存储器（11a）；第二半导体激光器（8b）输出的混沌激光信号经所述第二光电探测器（9b）探测后，输出电信号经第二模数转换器（10b）转化为随机数序列后存储至所述第二存储器（11b），以实现密钥分发。
2.根据权利要求1所述一种Gbps物理密钥安全分发系统，其特征在于，所述第一光纤耦合器（5a）和第二光纤耦合器（5b）为50/50的1×2光纤耦合器。
3.根据权利要求1所述一种Gbps物理密钥安全分发系统，其特征在于，第一激光器（1a）和第二激光器（1b）为参数相同的波长可调谐连续激光器，其波段范围为1530～1565nm。
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