CN110768780B - 一种基于宽带物理随机源的密钥分配方法及*** - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于宽带物理随机源的密钥分配方案。该方案提出的物理随机源,在共同的外部光注入条件下,能产生的同步的高带宽类噪声信号。从该宽带物理随机源中能提取出速率超过Gb/s的高速同步密钥,并且产生的同步密钥能通过15项NIST随机性标准测试。将该方案产成的同步密钥对信息进行加密解密,可以实现高速的一次一密保密通信。该方案实现了高速密钥分发,解决了传统密钥分发***中密钥速率不足的缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及混沌、半导体激光器、密钥分配等领域,具体涉及一种基于宽带物理随机源的高速密钥分配方法及***。
背景技术
近年来,随着通信技术的飞速发展,人们的生活发生了巨大变革。一方面,通信使人们的生活更加地方便快捷,生活效率也越来越高效,资源共享也更加顺畅。但是,随之而来的信息隐患也越来越严重,使得保密通信越来越受到人们的关注。保密通信不仅关系到个人隐私和财产安全,还关系到国家的发展和稳定等方方面面。随着通信速率的不断提升,高速的保密通信成为人们不断探索并寻求的目标。
信息论奠基人Claude E.Shannon在1949年提出了保密通信***的模型。在该模型中,加解密机制被抽象为通信双方加密和解密的一对变换器,保密通信***被概括为两种信道,包括传输加密解密变换结构的公共信道和传输密钥的秘密信道。通信双方先通过秘密信道共享密钥,发送者将明文用密钥加密并将密文通过公共信道发送给接受者。由于窃听者无法在秘密信道上参与密钥信息的交流,使其即便得到密文信息也无法获得明文信息。香农(Shannon)的理论证明,“一次一密”的加密方案是无条件安全的,要实现这种无条件安全的保密通信,需要同时保证:1)密钥必须是随机的;2)密钥生成速率必须不低于明文的速率;3)密钥不能重复利用,使用一次后就必须舍弃。一次一密实现的关键在于通信过程中实现安全的密钥分发。现今,通信技术的发展使得传输速率越来越高,因此为了实现高速的保密通信,需要产生高速密钥用于信息的加密传输。
发明内容
针对上述问题,本发明目的在于,设计一种物理随机源,产生同步的宽带高复杂度随机信号,从中提取出同步的高速物理随机数,使其能成为一次一密加密***中的同步密钥对信息进行加密,从而实现高速、可靠的密钥分发。
为实现上述发明目的,本发明提出了一种基于宽带物理随机源的密钥分配方法与***。本发明采用的技术方案为:首先将主激光器产生的光信号,经过由随机信号驱动的相位调制后,分成相同的两路光信号,分别注入通信双方Alice和Bob端的从激光器,从而产生初始的同步信号。然后将产生的初始同步信号作为驱动信号,对由CW光源产生的光信号进行相位调制,并将调制后的光信号输入至色散模块。经过色散模块后将生成同步的宽带类噪声随机信号,结合后处理方法,从中提取出高速的同步密钥。
附图说明
图1本发明提出的宽带物理随机源的结构示意图;
图2通信双方中宽带物理随机源输出信号的功率谱;
图3(a)DSL输出信号(图1点A处)的时域波形图;(b)Alice端输出信号(图1点D处)的时域波形图;(c)Bob端输出信号(图1点E处)的时域波形图;(d)DSL输出信号和Alice端输出信号的互相关图;(e)通信双方输出信号之间的互相关图;
图4通信双方生成的同步密钥的一致性及速率分析图;
图5同步密钥的NIST随机性测试结果。
DSL,主激光器;SSL,从激光器;PM,相位调制器;AWG,任意波形发生器;PC,偏振控制器;FC,光纤耦合器;PD,光电探测器;Amp:电子放大器;D,色散模块;VOA,可调光衰减器;ISO,光纤隔离器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面结合附图,对本发明的方案作进一步地详细描述。
本发明提出的***包括两个模块,分别是宽带物理随机源和后处理模块。所述宽带物理随机源如图1所示,主激光器(Driving Semiconductor Laser,DSL)的输出光信号经过偏振控制器后,输入至一个相位调制器(Phase Modulator,PM1)。该相位调制器的驱动信号,是由一个任意波形发生器(AWG)所产生的高斯白噪声信号。
PM1输出的光信号,由一个光纤耦合器分为相同的两路,分别经过可调光衰减器和光隔离器后,注入至Alice端和Bob端的从激光器(Slave Semiconductor Laser,DSL)。所述从激光器的输出光信号进过光电探测器和电子放大器后,将产生初始的同步信号。
所述初始同步信号分别作为Alice和Bob端相位调制器PM2和PM3的驱动信号,对由DFB激光器产生的CW光信号进行相位调制。PM2和PM3的输出光信号分别经过色散模块D1和D2后,输入至光电探测器,最终产生同步的宽带随机信号。所述相位调制器可以采用马赫-曾德尔调制器(MZM)或电光相位调制器,色散模块可以采用单模光纤(SMF)、色散补偿模块(DCM)或啁啾光纤布拉格光栅(CFBG)。
在后处理模块中,将物理随机源产生的同步信号,通过后处理方法产生同步的高速密钥。所述后处理方法包括双阈值量化和延时比特异或。
实施例
下面对本发明进行进一步说明。
附图2展示了产生的Alice和Bob端宽带物理随机源输出信号的功率谱。我们采用功率谱能量的80%作为有效带宽。可以看到,通过本发明提出的方案,能产生高带宽和具有平坦功率谱的随机信号,有效带宽超过22GHz。此外,该结果中的有效带宽主要受限于实验中电子器件(光电探测器和示波器)的带宽。因此,当使用带宽更高的电子器件,实际信号的带宽会更宽。
附图3展示了通信双方宽带物理随机源的同步效果图。我们用互相关系数(CC)来量化其输出信号之间的相关性。一方面,Alice端(图1点D处)和Bob端(图1点E处)产生的宽带随机信号之间具有很高的相关性,互相关系数高达0.951,因此可以结合后处理方法从中提取出同步密钥。另一方面,DSL产生的外部注入信号(图1点A处)与通信双方产生的宽带随机信号之间没有相关性(CC=0.097),由于只有DSL的输出信号将在公共链路中传输,因此保证了通信双方的本地宽带物理随机源产生信号的安全性。
附图4展示了从上述宽带物理熵源中提取出的同步密钥的一致性及速率分析图。我们采用误比特率BER来测试同步密钥的一致性,可以看到,BER随着双阈值量化系数α的增加而减小。当α增加至0.55时,BER降低至10-5以下,此时对应的密钥速率高达3.1Gb/s。
附图5展示了产生的同步密钥的随机性测试图。如图所示,同步密钥通过了所有的15项NIST随机性测试。
综上所述,本发明所提出的方案有以下益处:(1)本发明设计的物理随机源能产生高带宽,频谱平坦度高的随机信号,有效带宽超过22GHz;(2)通信双方的宽带物理随机源之间具有很高的相关性,其产生信号的互相关系数高达0.95;(3)从该宽带物理随机源中能提取出速率超过Gb/s的高速同步密钥,并且通过了随机性测试。因此,将产生的同步密钥应用于一次一密加密***中,能实现高速保密通信。
Claims (6)
1.一种基于宽带物理随机源的密钥分配方法,其特征在于,主激光器DSL的输出光信号经过偏振控制器后,输入至一个相位调制器PM1;该相位调制器的驱动信号,是由一个任意波形发生器AWG所产生的高斯白噪声信号;相位调制器PM1输出的光信号,由一个光纤耦合器分为相同的两路,分别经过可调光衰减器和光隔离器后,注入至Alice端和Bob端的从激光器SSL;所述从激光器的输出光信号经过光电探测器和电子放大器后,将产生初始的同步信号;
所述初始同步信号分别作为Alice端和Bob端相位调制器PM2和相位调制器PM3的驱动信号,分别对由DFB激光器产生的CW1光信号和CW2光信号进行相位调制;PM2和PM3的输出光信号分别经过色散模块D1和色散模块D2后,输入至光电探测器,最终产生同步的宽带类噪声随机信号,通过后处理方法产生同步的高速密钥;其中,所述后处理方法包括双阈值量化和延时比特异或。
2.根据权利要求1所述的一种基于宽带物理随机源的密钥分配方法,其特征在于,所述相位调制器可以采用马赫-曾德尔调制器(MZM)或电光相位调制器。
3.根据权利要求1所述的一种基于宽带物理随机源的密钥分配方法,其特征在于,所述色散模块可以采用单模光纤(SMF)、色散补偿模块(DCM)或啁啾光纤布拉格光栅(CFBG)。
4.一种基于宽带物理随机源的密钥分配***,其特征在于,包括两个模块,分别是宽带物理随机源和后处理模块;
在所述宽带物理随机源中,主激光器DSL的输出光信号经过偏振控制器后,输入至一个相位调制器PM1;该相位调制器的驱动信号,是由一个任意波形发生器AWG所产生的高斯白噪声信号;
PM1输出的光信号,由一个光纤耦合器分为相同的两路,分别经过可调光衰减器和光隔离器后,注入至Alice端和Bob端的从激光器SSL;所述从激光器的输出光信号经过光电探测器和电子放大器后,将产生初始的同步信号;
所述初始同步信号分别作为Alice端和Bob端相位调制器PM2和相位调制器PM3的驱动信号,分别对由DFB激光器产生的CW1光信号和CW2光信号进行相位调制;PM2和PM3的输出光信号分别经过色散模块D1和色散模块D2后,输入至光电探测器,最终产生同步的宽带类噪声随机信号;
在所述后处理模块中,将物理随机源产生的同步信号,通过后处理方法产生同步的高速密钥;其中,所述后处理方法包括双阈值量化和延时比特异或。
5.根据权利要求4所述的一种基于宽带物理随机源的密钥分配***,其特征在于,所述相位调制器可以采用马赫-曾德尔调制器(MZM)或电光相位调制器。
6.根据权利要求4所述的一种基于宽带物理随机源的密钥分配***,其特征在于,所述色散模块可以采用单模光纤(SMF)、色散补偿模块(DCM)或啁啾光纤布拉格光栅(CFBG)。
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