CN115801219A - 用于qkd系统的脉冲光致盲攻击防御方法及系统 - Google Patents
用于qkd系统的脉冲光致盲攻击防御方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于QKD系统的脉冲光致盲攻击防御方法及系统，其通过将原始雪崩信号一分为二，复用原有的雪崩信号提取功能设计，在不同甄别阈值下对两个信号分量进行甄别，使得能够借助同一雪崩信号同时实现正常的脉冲计数探测和强光攻击检测。其中，雪崩信号的原有信息不会出现损失，因此QKD系统成码过程中不会损失原始探测器信息，对关键指标如成码率无影响。同时，相对于现有的APD工作电流检测方案，可以有效检测强脉冲光致盲攻击。
Description
技术领域
本发明涉及量子通信技术领域，特别涉及一种用于QKD系统的脉冲光致盲攻击防御方法及系统。
背景技术
量子密钥分发(QKD)系统由多个组件构成，单光子探测器是其中一个非常重要的组件。通常所使用的探测器基于门触发盖革模式雪崩光电二极管(APD)实现，这种探测器有两种工作模式：线性模式和盖革模式。当加载于APD的反向偏压小于击穿电压时，探测器处于线性模式；当反向偏压大于击穿电压时，探测器处于盖革模式。在线性模式下，APD工作状态类似于普通的光强探测器，当输出电流大于阈值电流时，探测器就会响应。在盖革模式下，单光子以一定的概率被APD吸收产生载流子并在反向偏压加速下引起雪崩效应，形成宏观可观测信号。盖革模式下，APD能响应单光子信号，是QKD系统所需要的工作模式。“门触发”指的是探测器在门信号触发时才工作于盖革模式，其余时刻均工作于线性模式。这样可以合理设计门信号时序，使得仅当单光子信号到达探测器时APD才工作于盖革模式，以降低暗计数。绝大多数光纤QKD系统采用基于门触发盖革模式APD实现的单光子探测器。如果攻击者利用APD的工作特性，注入强光使得APD一直工作在线性模式下，同时注入伪态光，使得APD不响应系统的单光子信号，而是响应注入的伪态光，攻击者便可以通过设计光功率强度，完全控制探测器的响应，在不被系统发现的前提下，获取系统的密钥。此时，QKD系统就存在安全隐患。
上述通过输入强光达到控制探测器并获取QKD系统密钥的攻击手段被称为强光致盲攻击。强光致盲攻击的前提条件之一是将探测器工作状态从盖革模式转换到线性模式下。为控制探测器工作状态的转换，攻击者必须向探测器注入足够强的光。强光导致APD光电转换输出的电流随之增加，此时，APD反向偏置电压的保护电阻就会产生电势差，APD两端的反向偏置电压随之下降。现有的防御方法是通过检测探测器APD的工作电流的大小，来判断APD是否接收到强光，以此判断系统是否遭受攻击，如果检测到强光，则探测器会上报致盲光攻击告警，QKD系统中断正常密钥生成业务。
图1示出了现有技术中的一种强光检测方案。如图1所示，APD响应光信号后，产生光电流。通过电路镜像一部分APD工作电流，该镜像电流经过放大后，输入给ADC进行采样，ADC采样的结果送给FPGA，FPGA分析采样的数据，判断系统是否存在强光。
该方案可以有效检测APD是否遭受连续光致盲攻击，但若攻击者使用脉冲光致盲攻击时，该方案的响应能力将会大打折扣。因为不同于连续光，脉冲光致盲是将探测器致盲一段时间，该段时间可长可短，因为基于APD偏流检测强光致盲攻击的方案中检测的是平均电流，该方法灵敏度低，不能及时发现低频的脉冲光注入行为。此外，由于基于APD偏流检测强光致盲攻击的方案，使用ADC采样电路，受ADC采样时钟频率和电路带宽的限制，对于脉冲宽度较小的致盲脉冲光则检测能力不足，且ADC采样电路需要时间来处理，检测的实时性(响应时间在us级)也不足。
发明内容
针对现有技术存在的上述缺陷，本发明提出了一种尤其适用于QKD系统的脉冲光致盲攻击防御方法及系统，其通过将原始雪崩信号一分为二，复用原有的雪崩信号提取功能设计，在不同的甄别阈值下对两个信号分量进行甄别，使得能够借助同一雪崩信号同时实现正常的脉冲计数探测和强光攻击检测。在本发明中，由于雪崩信号的原有信息不会出现损失，因此针对QKD系统成码过程中不会损失原始探测器信息，对关键指标如成码率无影响。同时，相对于现有的APD工作电流检测方案，可以有效检测强脉冲光致盲攻击。
具体而言，本发明的第一方面涉及一种用于QKD系统的脉冲光致盲攻击防御系统，其包括信号分流模块、探测计数信号生成模块、强光脉冲检测模块和控制模块；
所述信号分流模块被设置用于将原始雪崩信号分为第一雪崩信号分量和第二雪崩信号分量；
所述探测计数信号生成模块被设置用于借助预设的雪崩信号甄别阈值对第一雪崩信号分量进行甄别，并生成探测计数信号；
所述强光脉冲检测模块被设置用于借助预设的高幅度检测阈值对第二雪崩信号分量进行甄别，并生成强光脉冲计数信号，其中，所述高幅度检测阈值大于雪崩信号甄别阈值；
所述控制模块被设置用于对探测计数信号进行计数以生成探测计数，对强光脉冲计数信号进行计数以生成强光脉冲计数，以及根据强光脉冲计数检测脉冲光致盲攻击。
可选地，所述信号分流模块包括二功分器。
进一步地，所述探测计数信号生成模块包括第一幅度检测甄别器、符合模块和第一脉冲整形与展宽模块，且所述雪崩信号甄别阈值被设置用于第一幅度检测甄别器。
进一步地，所述强光脉冲检测模块包括第二幅度检测甄别器和第二脉冲整形与展宽模块，且所述高幅度检测阈值被设置用于第二幅度检测甄别器。
进一步地，所述控制模块还被设置用于为探测计数信号生成模块配置雪崩信号甄别阈值，以及为强光脉冲检测模块配置高幅度检测阈值。
进一步地，所述控制模块包括FPGA单元和ARM单元；
所述FPGA单元被设置用于根据探测计数信号生成探测计数，以及根据强光脉冲计数信号生成强光脉冲计数；
所述ARM单元被设置用于在强光脉冲计数超出预设的计数阈值N的次数大于预设的异常检测次数阈值a时，判断存在脉冲光致盲攻击。
本发明的第二方面涉及一种用于QKD系统的脉冲光致盲攻击防御方法，其包括分流步骤、探测计数步骤、强光脉冲检测步骤和攻击检测步骤；
所述分流步骤用于按照预设比例，将雪崩光电二极管输出的原始雪崩信号分为第一雪崩信号分量和第二雪崩信号分量；
所述探测计数步骤用于基于雪崩信号甄别阈值，对第一雪崩信号分量进行计数，以得到探测计数；
所述强光脉冲检测步骤用于基于高幅度检测阈值，对第二雪崩信号分量进行计数，以得到强光脉冲计数，所述高幅度检测阈值大于雪崩信号甄别阈值；
所述攻击检测步骤用于利用强光脉冲计数对脉冲光致盲攻击进行检测。
优选地，所述第一雪崩信号分量大于第二雪崩信号分量。
进一步地，在所述攻击检测步骤中，在强光脉冲计数大于预设的计数阈值N时记为出现异常检测，并在异常检测次数超出预设的异常检测次数阈值a时判断存在脉冲光致盲攻击。
优选地，本发明的脉冲光致盲攻击防御方法可以借助上述脉冲光致盲攻击防御系统来实现。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
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，下面将对实施例或现有技术描述中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图来获得其他的附图。
图1示出了现有技术中的一种强光检测方案；
图2示意性地示出了根据本发明的用于QKD系统的脉冲光致盲攻击防御系统；
图3示意性地示出了根据本发明的脉冲光致盲攻击检测过程。
具体实施方式
在下文中，本发明的示例性实施例将参照附图来详细描述。下面的实施例以举例的方式提供，以便充分传达本发明的精神给本发明所属领域的技术人员。因此，本发明不限于本文公开的实施例。
图2示意性地示出了根据本发明的用于QKD系统的脉冲光致盲攻击防御系统，其可以接收雪崩光电二极管输出的原始雪崩信号，在对雪崩信号进行正常探测计数的同时，检测强光脉冲攻击行为的存在。
具体而言，本发明的脉冲光致盲攻击防御系统可以包括信号分流模块、探测计数信号生成模块、强光脉冲检测模块和控制模块。
当原始雪崩信号进入到脉冲光致盲攻击防御系统中，其首先将被信号分流模块按照预设比例分为第一雪崩信号分量和第二雪崩信号分量。因此，通过在雪崩信号甄别阈值下对第一雪崩信号分量进行正常的脉冲甄别，同时在提高的高幅度检测阈值下对第二雪崩信号分量进行高幅度甄别，可以允许在不损失雪崩信息的情况下实现探测计数，同时提供强脉冲光攻击的检测功能。
在本发明中，用于信号分流模块的分流比例可以采用50∶50。但在优选示例中，该分流比例还可以为90∶10，由此使用于正常脉冲甄别的第一雪崩信号分量具有90％的占比，从而能够有效保证正常脉冲甄别效率。
在图2的示例中，信号分流模块可以借助二功分器来实现，其中，分流比例即为二功分器的功分比。
如前所述，由信号分流模块输出的第一雪崩信号分量将进入探测计数信号生成模块中进行正常脉冲甄别，第二雪崩信号分量将进入强光脉冲检测模块以进行高幅值脉冲甄别。
在本发明中，探测计数信号生成模块可以借助预设的雪崩信号甄别阈值，对第一雪崩信号分量进行甄别，并生成探测计数信号。
在图2的示例中，探测计数信号生成模块可以包括第一幅度检测甄别器1、符合模块和第一脉冲整形与展宽模块1。
第一幅度检测甄别器1和符合模块中分别配置有雪崩信号甄别阈值和符合门甄别阈值，用于先后对第一雪崩信号分量进行幅度甄别和时间位置甄别，由此实现对第一雪崩信号分量的正常脉冲甄别。
经符合模块甄别后的第一雪崩信号分量将进入第一脉冲整形与展宽模块1中，进行脉冲整形和展宽处理，从而生成探测计数信号(即图2中的信号1)。
强光脉冲检测模块可以借助预设的高幅度检测阈值，对第二雪崩信号分量进行甄别，并生成强光脉冲计数信号。
在本发明中，通过恰当地将用于强光脉冲检测模块的高幅度检测阈值设置成大于用于探测计数信号生成模块的雪崩信号甄别阈值，可以有效检测强脉冲光的存在。
在图2的示例中，强光脉冲检测模块可以包括第二幅度检测甄别器2和第二脉冲整形与展宽模块2。
第二幅度检测甄别器2中配置有高幅度检测阈值，用于对第二雪崩信号分量进行幅度甄别；经幅度甄别后的第二雪崩信号分量进入第二脉冲整形与展宽模块2，再进行脉冲整形和展宽处理，从而生成强光脉冲计数信号(即图2中的信号2)。
如图2所示，分别由探测计数信号生成模块和强光脉冲检测模块生成的探测计数信号和强光脉冲计数信号将被传输至控制模块。根据本发明，控制模块将分别对探测计数信号进行计数以生成探测计数，对强光脉冲计数信号进行计数以生成强光脉冲计数。同时，控制模块还将根据所生成的强光脉冲计数，判断当前是否存在脉冲光致盲攻击行为。
在图2的示例中，控制模块可以包括FPGA单元和ARM单元。
FPGA单元可以借助FPGA实现，用于对接收到的探测计数信号进行计数以生成探测计数，对接收到的强光脉冲计数信号进行计数以生成强光脉冲计数，并将所生成的探测计数和强光脉冲计数上报给ARM单元。
此外，FPGA单元还可以用于允许对探测计数信号生成模块进行阈值配置，例如对第一幅度检测甄别器1中的雪崩信号甄别阈值进行配置，以及对符合模块中的符合门甄别阈值进行配置；以及允许对强光脉冲检测模块进行阈值配置，例如对第二幅度检测甄别器2中的高幅度检测阈值进行配置。
如前所述，ARM单元用于根据来自FPGA单元的强光脉冲计数，对脉冲光致盲攻击进行检测。
图3示出了根据本发明的脉冲光致盲攻击检测过程的一个示例。
如图3所示，ARM单元在收到FPGA单元上报的强光脉冲计数(即高幅度检测计数)后，将强光脉冲计数与预设的计数阈值N进行比较，如果当前的强光脉冲计数未超出计数阈值N，则继续监控。
如果强光脉冲计数超出计数阈值N，则记录发生一次异常检测，并将当前累计发生的异常检测次数与预设的异常检测次数阈值a进行比较，其中：如果当前累计发生的异常检测次数未超出异常检测次数阈值a，则继续监控；否则认为系统受到强光致盲攻击威胁，QKD系统中断正常密钥生成业务。通过合理设置异常检测次数阈值a，可以有效防止系统误报事件的发生。
本发明还将公开一种用于QKD系统的脉冲光致盲攻击防御方法，其尤其适合借助上述脉冲光致盲攻击防御系统来实现。
根据本发明的脉冲光致盲攻击防御方法可以包括分流步骤、探测计数步骤、强光脉冲检测步骤和攻击检测步骤。
在分流步骤中，雪崩光电二极管输出的原始雪崩信号将按照预设比例，分为第一雪崩信号分量和第二雪崩信号分量。
如前所述，第一雪崩信号分量可以优选具有比第二雪崩信号分量更大的幅值，例如两者的幅值比可以为90∶10。
探测计数步骤用于在预设的雪崩信号甄别阈值下，对第一雪崩信号分量进行计数，以得到探测计数。
强光脉冲检测步骤则用于在高幅度检测阈值下，对第二雪崩信号分量进行计数，以得到强光脉冲计数。其中，高幅度检测阈值将被设置成大于雪崩信号甄别阈值。
攻击检测步骤则用于根据所生成的强光脉冲计数，对脉冲光致盲攻击进行检测。
在攻击检测步骤的优选示例中，首先将强光脉冲计数与预设的计数阈值N进行比较，并在当前的强光脉冲计数未超出计数阈值N时继续监控。
但是，如果当前的强光脉冲计数超出了该计数阈值N，则记录发生一次异常检测，并将当前累计发生的异常检测次数与预设的异常检测次数阈值a进行比较。
此时，如果经比较发现当前累计发生的异常检测次数超出了该异常检测次数阈值a，则可以认为QKD系统受到强光致盲攻击威胁，QKD系统中断正常密钥生成业务；否则继续监控，由此避免系统误报事件的发生。
基于上文的描述可知，在本发明的脉冲光致盲攻击防御方法及系统中，通过将原始雪崩信号一分为二，并通过利用不同的甄别阈值，复用原有的雪崩信号提取功能设计，使同一雪崩信号能够同时被用于正常的脉冲计数探测和强光攻击检测。在这种设置下，雪崩信号的原有信息不会出现损失，因此针对QKD系统成码过程中不会损失原始探测器信息，对关键指标如成码率无影响，即，在增加强脉冲光致盲攻击检测的同时，不会降低系统性能。同时，借助本发明，相对于现有的APD工作电流检测方案，可以有效检测强脉冲光致盲攻击。并且，本发明仅需要在原有探测计数结构上复用部分雪崩信号提取功能，易于工程实现且成本增幅非常有限，有利于工程应用上的推广。此外，本领域技术人员能够理解，本发明也适用于其他场景下强脉冲光的检测。
尽管前面结合附图通过具体实施例对本发明进行了说明，但是，本领域技术人员容易认识到，上述实施例仅仅是示例性的，用于说明本发明的原理，其并不会对本发明的范围造成限制，本领域技术人员可以对上述实施例进行各种组合、修改和等同替换，而不脱离本发明的精神和范围。
Claims (10)
1.一种用于QKD系统的脉冲光致盲攻击防御系统，其包括信号分流模块、探测计数信号生成模块、强光脉冲检测模块和控制模块；
所述信号分流模块被设置用于将原始雪崩信号分为第一雪崩信号分量和第二雪崩信号分量；
所述探测计数信号生成模块被设置用于借助预设的雪崩信号甄别阈值对第一雪崩信号分量进行甄别，并生成探测计数信号；
所述强光脉冲检测模块被设置用于借助预设的高幅度检测阈值对第二雪崩信号分量进行甄别，并生成强光脉冲计数信号，其中，所述高幅度检测阈值大于雪崩信号甄别阈值；
所述控制模块被设置用于对探测计数信号进行计数以生成探测计数，对强光脉冲计数信号进行计数以生成强光脉冲计数，以及根据强光脉冲计数检测脉冲光致盲攻击。
2.如权利要求1所述的脉冲光致盲攻击防御系统，其中，所述信号分流模块包括二功分器。
3.如权利要求1所述的脉冲光致盲攻击防御系统，其中，所述探测计数信号生成模块包括第一幅度检测甄别器、符合模块和第一脉冲整形与展宽模块，且所述雪崩信号甄别阈值被设置用于第一幅度检测甄别器。
4.如权利要求1所述的脉冲光致盲攻击防御系统，其中，所述强光脉冲检测模块包括第二幅度检测甄别器和第二脉冲整形与展宽模块，且所述高幅度检测阈值被设置用于第二幅度检测甄别器。
5.如权利要求1所述的脉冲光致盲攻击防御系统，其中，所述控制模块还被设置用于为探测计数信号生成模块配置雪崩信号甄别阈值，以及为强光脉冲检测模块配置高幅度检测阈值。
6.如权利要求1所述的脉冲光致盲攻击防御系统，其中，所述控制模块包括FPGA单元和ARM单元；
所述FPGA单元被设置用于根据探测计数信号生成探测计数，以及根据强光脉冲计数信号生成强光脉冲计数；
所述ARM单元被设置用于在强光脉冲计数超出预设的计数阈值N的次数大于预设的异常检测次数阈值a时，判断存在脉冲光致盲攻击。
7.一种用于QKD系统的脉冲光致盲攻击防御方法，其包括分流步骤、探测计数步骤、强光脉冲检测步骤和攻击检测步骤；
所述分流步骤用于按照预设比例，将雪崩光电二极管输出的原始雪崩信号分为第一雪崩信号分量和第二雪崩信号分量；
所述探测计数步骤用于基于雪崩信号甄别阈值，对第一雪崩信号分量进行计数，以得到探测计数；
所述强光脉冲检测步骤用于基于高幅度检测阈值，对第二雪崩信号分量进行计数，以得到强光脉冲计数，所述高幅度检测阈值大于雪崩信号甄别阈值；
所述攻击检测步骤用于利用强光脉冲计数对脉冲光致盲攻击进行检测。
8.如权利要求7所述的脉冲光致盲攻击防御方法，其中，所述第一雪崩信号分量大于第二雪崩信号分量。
9.如权利要求7所述的脉冲光致盲攻击防御方法，其中，在所述攻击检测步骤中，在强光脉冲计数大于预设的计数阈值N时记为出现异常检测，并在异常检测次数超出预设的异常检测次数阈值a时判断存在脉冲光致盲攻击。
10.如权利要求7所述的脉冲光致盲攻击防御方法，其借助如权利要求1-6中任一项所述的脉冲光致盲攻击防御系统实现。
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