基于SoC的QKD软件管理系统的研究与设计
发布时间：2021-06-25 00:22
随着量子计算方式的兴起,基于复杂度计算的现代密码学正面临着严峻的威胁,这些看似复杂的加密方式,在量子计算强大的并行计算能力面前显得渺小和不堪一击。虽然“一次一密”的加密算法被证明有绝对的安全性,但是又面临密钥的产生和分发问题,导致无法大规模应用。然而量子密钥分发方式的产生,即量子密钥分发的出现使得“一次一密”的加密算法有了用武之地。以量子密钥分发为基础的量子保密通信方式逐步地成为保障网络信息安全强有力的技术手段,在一些对信息的安全性要求比较高的政府机关、国防领域、金融机构、科技能源、科研前沿等领域都在普遍的使用。目前已经得到证明是基于BB84协议的QKD系统（Quantum Key Distribution）有着无条件安全性,此系统的安全性比较理想。现阶段大都采用FPGA（FieldProgrammable Gate Array）进行QKD后处理系统的实现,如果在芯片内嵌入CPU,利用软硬结合的方式将多种QKD数据处理、数据通信、密钥提炼和光源、探测控制等复杂功能实现于一体,对于设计这种片上系统的芯片（System on Chip,SoC）将会对现有和未来的量子通信的发展有着重要意义,...
【文章来源】：安徽大学安徽省 211工程院校
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
BB84协议
安徽大学硕士论文65制由软件部分控制管理，QKD的数据处理以及芯片的对外的接口实现都有数字部门设计实现。支持层作用是为了支撑系统功能的实现，特别要求的光学模块的支持，主要包括光源子系统和探测器子系统两端。核心层与光源以及探测器子系统之间，由于不同频率对应的光学模块接口差异，输入输出的需求不吻合，所以我们需要自主设计接口板，满足两端接口需求，实现通信。光源子系统和探测器子系统自身功能实现，光源和探测器子系统之间通过光纤实现量子信道通信。5.2测试环境QKD软件管理系统测试平台环境实物如图5.2所示，在搭建测试环境上进行系统测试，当前的测试实际平台就是根据上述所描述的实验平台结构搭建而成,利用软件结合硬件模块来将多种QKD数据处理、数据通信、密钥提炼和光源探测控制等复杂功能实现于一体，在平台外部连接实际（Alice端）光源在图中A所在的位置与（Bob端）探测器如图中D所在的位置，构成一个完整的实验室内点对点QKD网络系统。我们采用由思尔芯（S2C）公司设计制作的如图中的B和C为FPGA验证板，结合国产自主设计的子板等硬件资源连接所需的子系统，来搭建整个SoC软件管理系统的验证环境。S2C板子是以一颗赛灵思Virtex-7芯片为核心的FPGA板，在S2C板上配置了一系列的芯片与器件、外部时钟、电源、众多的连接头（Connector）。将CPUIP核（IntellectualPropertycore知识产权核）置入FPGA中，软件系统运行于根据自己需求裁剪以后的Linux操作系统上，Linux是一款免费的开源的操作系统，安全稳定，具有良好的可移植性。图5.2QKD软件管理系统系统测试平台ACBD
第五章QKD软件系统的测试和分析665.3系统测试结果分析搭建好实验平台以后上电，把数字设计模块和软件管理系统烧写到我们验证子板里面去，如图5.3所示QKD软件系统上位机（KM）为了更加直观和方便的控制设计的软件管理系统流程，用自行开发的上位机通过网络连接到A、B两端的验证子板上去来进行QKD密钥的生成控制。服务器（Alice端）下发监听命令，客户端（Bob端）进行链接，连接完毕以后会反馈链接成功的响应，服务器启动设备；设备校准，包括光强反愧延时扫描、偏振反愧同步修正以及startwork（包括基矢比对、纠错、隐私放大等）；最后最终两端开始同时产生完全一致的安全密钥Finalkey。图5.3软件系统上位机通过许多次的测试验证和修改，如下图5.4所示，A、B两端的上位机把两端产生的完全一致的密钥进行抓取，把抓取上来的密钥进行上传保存到bin文件当中，由图可知，两边产生的文件占用的内存的大小是一样的，打开文件以后的对比两边的密钥也是一样的，通过实验测试平台的验证我们设计的QKD软件管理系统满足了设计的要求，能按照正确的设定流程完成量子密钥分发实验，两端最终产生完全一致的密钥。
【参考文献】：
期刊论文
[1]量子密码[J]. 胡波. 保密科学技术. 2012(11)
[2]通信保密技术的革命——量子保密通信技术综述[J]. 刘阳,缪蔚,殷浩. 中国电子科学研究院学报. 2012(05)
[3]量子密码学的应用研究[J]. 何湘初. 通信技术. 2009(11)
[4]量子密码的发展[J]. 周南润,曾宾阳. 通信技术. 2008(07)
博士论文
[1]量子密钥分配中后处理技术及诱骗态技术研究[D]. 张春梅.中国科学技术大学 2016
[2]量子通信若干理论研究[D]. 富尧.中国科学技术大学 2016
[3]实际量子密钥分发系统安全性的实验研究[D]. 汤艳琳.中国科学技术大学 2015
[4]量子通信中的精密时间测量技术研究[D]. 沈奇.中国科学技术大学 2013
[5]光纤量子密码实验和实用化研究[D]. 张阳.中国科学技术大学 2012
硕士论文
[1]基于MDI-QKD协议的量子网络方案研究[D]. 高中玲.南京邮电大学 2019
[2]基于光纤通信的连续变量量子密钥分发改进研究[D]. 龚峰.贵州大学 2019
[3]基于FPGA的QKD光源时序校准系统研究与设计[D]. 余海源.合肥工业大学 2017
[4]高速单光子探测器的量子表征研究[D]. 赵林.华东师范大学 2016
[5]量子密钥分发系统探测效率失配下安全性研究[D]. 王哲.西安电子科技大学 2015
[6]基于光纤的量子密钥分发系统中的偏振控制算法研究[D]. 刘世全.西安电子科技大学 2014
[7]量子密钥分发系统中光源与探测器的研究[D]. 杜海彬.华东师范大学 2014
[8]可靠量子密钥分发系统的研究与实现[D]. 贾云.中国科学院大学（工程管理与信息技术学院） 2014
[9]基于B92协议的偏振编码量子密钥分发系统研究与实现[D]. 孙晓楠.西安电子科技大学 2012
[10]基于BB84协议相位编码的量子密钥分发系统研究与实现[D]. 张忠理.西安电子科技大学 2012
本文编号：3248113
【文章来源】：安徽大学安徽省 211工程院校
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
BB84协议
安徽大学硕士论文65制由软件部分控制管理，QKD的数据处理以及芯片的对外的接口实现都有数字部门设计实现。支持层作用是为了支撑系统功能的实现，特别要求的光学模块的支持，主要包括光源子系统和探测器子系统两端。核心层与光源以及探测器子系统之间，由于不同频率对应的光学模块接口差异，输入输出的需求不吻合，所以我们需要自主设计接口板，满足两端接口需求，实现通信。光源子系统和探测器子系统自身功能实现，光源和探测器子系统之间通过光纤实现量子信道通信。5.2测试环境QKD软件管理系统测试平台环境实物如图5.2所示，在搭建测试环境上进行系统测试，当前的测试实际平台就是根据上述所描述的实验平台结构搭建而成,利用软件结合硬件模块来将多种QKD数据处理、数据通信、密钥提炼和光源探测控制等复杂功能实现于一体，在平台外部连接实际（Alice端）光源在图中A所在的位置与（Bob端）探测器如图中D所在的位置，构成一个完整的实验室内点对点QKD网络系统。我们采用由思尔芯（S2C）公司设计制作的如图中的B和C为FPGA验证板，结合国产自主设计的子板等硬件资源连接所需的子系统，来搭建整个SoC软件管理系统的验证环境。S2C板子是以一颗赛灵思Virtex-7芯片为核心的FPGA板，在S2C板上配置了一系列的芯片与器件、外部时钟、电源、众多的连接头（Connector）。将CPUIP核（IntellectualPropertycore知识产权核）置入FPGA中，软件系统运行于根据自己需求裁剪以后的Linux操作系统上，Linux是一款免费的开源的操作系统，安全稳定，具有良好的可移植性。图5.2QKD软件管理系统系统测试平台ACBD
第五章QKD软件系统的测试和分析665.3系统测试结果分析搭建好实验平台以后上电，把数字设计模块和软件管理系统烧写到我们验证子板里面去，如图5.3所示QKD软件系统上位机（KM）为了更加直观和方便的控制设计的软件管理系统流程，用自行开发的上位机通过网络连接到A、B两端的验证子板上去来进行QKD密钥的生成控制。服务器（Alice端）下发监听命令，客户端（Bob端）进行链接，连接完毕以后会反馈链接成功的响应，服务器启动设备；设备校准，包括光强反愧延时扫描、偏振反愧同步修正以及startwork（包括基矢比对、纠错、隐私放大等）；最后最终两端开始同时产生完全一致的安全密钥Finalkey。图5.3软件系统上位机通过许多次的测试验证和修改，如下图5.4所示，A、B两端的上位机把两端产生的完全一致的密钥进行抓取，把抓取上来的密钥进行上传保存到bin文件当中，由图可知，两边产生的文件占用的内存的大小是一样的，打开文件以后的对比两边的密钥也是一样的，通过实验测试平台的验证我们设计的QKD软件管理系统满足了设计的要求，能按照正确的设定流程完成量子密钥分发实验，两端最终产生完全一致的密钥。
【参考文献】：
期刊论文
[1]量子密码[J]. 胡波. 保密科学技术. 2012(11)
[2]通信保密技术的革命——量子保密通信技术综述[J]. 刘阳,缪蔚,殷浩. 中国电子科学研究院学报. 2012(05)
[3]量子密码学的应用研究[J]. 何湘初. 通信技术. 2009(11)
[4]量子密码的发展[J]. 周南润,曾宾阳. 通信技术. 2008(07)
博士论文
[1]量子密钥分配中后处理技术及诱骗态技术研究[D]. 张春梅.中国科学技术大学 2016
[2]量子通信若干理论研究[D]. 富尧.中国科学技术大学 2016
[3]实际量子密钥分发系统安全性的实验研究[D]. 汤艳琳.中国科学技术大学 2015
[4]量子通信中的精密时间测量技术研究[D]. 沈奇.中国科学技术大学 2013
[5]光纤量子密码实验和实用化研究[D]. 张阳.中国科学技术大学 2012
硕士论文
[1]基于MDI-QKD协议的量子网络方案研究[D]. 高中玲.南京邮电大学 2019
[2]基于光纤通信的连续变量量子密钥分发改进研究[D]. 龚峰.贵州大学 2019
[3]基于FPGA的QKD光源时序校准系统研究与设计[D]. 余海源.合肥工业大学 2017
[4]高速单光子探测器的量子表征研究[D]. 赵林.华东师范大学 2016
[5]量子密钥分发系统探测效率失配下安全性研究[D]. 王哲.西安电子科技大学 2015
[6]基于光纤的量子密钥分发系统中的偏振控制算法研究[D]. 刘世全.西安电子科技大学 2014
[7]量子密钥分发系统中光源与探测器的研究[D]. 杜海彬.华东师范大学 2014
[8]可靠量子密钥分发系统的研究与实现[D]. 贾云.中国科学院大学（工程管理与信息技术学院） 2014
[9]基于B92协议的偏振编码量子密钥分发系统研究与实现[D]. 孙晓楠.西安电子科技大学 2012
[10]基于BB84协议相位编码的量子密钥分发系统研究与实现[D]. 张忠理.西安电子科技大学 2012
本文编号：3248113
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