基于混沌同步的安全密钥分发技术研究

发布时间：2020-06-09 14:48

【摘要】：随着信息通信技术的发展,信息保密性越来越受到人们的重视,保障和提升信息的系统安全性已经成为世界各国关心的重要战略问题。在保密通信系统中,安全有效地为通信双方分发共享密钥是保障信息安全性的关键,因此成为了保密通信领域的热点研究之一。现阶段,大部分的密钥分发主要基于确定性算法,这会使得产生的密钥具有伪随机性,而且随着高速计算机技术的发展,基于算法的密钥分发技术的安全性受到严峻挑战。另一方面,具有理论绝对安全的量子密钥分发技术,也因为密钥速率较低(目前仅为Mbps量级)、传输距离不宜太远、器件要求高等原因,面临诸多亟待解决的应用问题。因此,探索研究高安全性、高速率、易实现的密钥分发方法具有重要的理论和实际应用价值。本文立足密钥分发的前沿研究态势,将激光混沌同步和物理随机数产生技术结合,开展了基于混沌同步的高速密钥分发方法研究,提出了密钥分发方案,并研究了各方案的可行性和性能。具体研究工作如下:首先,介绍了半导体激光器的理论模型,研究了激光混沌同步的同步机理及同步条件,并构建了基于激光混沌半导体激光器的密钥分发理论模型。其次,提出了两种基于交错停走算法和动态混沌同步的安全密钥分发方案。通过交换随机控制参数(一种方案是通过随机控制参数来动态改变注入强度,另一种方案则是通过随机控制参数来动态改变本地外腔半导体激光器的反馈延时),通信双方辨别出具有相同控制参数的时隙,在这些时隙中,通信双方本地混沌激光高度同步。基于此,通过对称后处理技术,通信双方能够独立地产生相同二进制序列,并将其作为种子密钥;然后通过迭代交错停走算法来扩展种子密钥的速率,最终实现高速率的密钥分发。仿真结果表明:通信双方能够实现高质量的动态混沌同步,并且能够实现速率远高于种子密钥的随机密钥分发,最终密钥的速率能够提高为种子密钥速率的21倍。在改进方案中,通过延时操作来改变迭代交错停走算法的控制序列,仿真结果表明,最终密钥的速率能够提高为种子密钥速率的98倍。最后,提出了基于并联半导体激光器混沌同步系统的安全密钥分发方案,通过使用并联半导体激光器的结构实现混沌同步,然后通过对称后处理技术完成密钥分发。在该方案的基础上,提出了优化方案,基于相位调制并联半导体激光器系统的混沌安全密钥分发方案,即在外腔半导体激光器的外腔反馈中加入相位调制器。仿真结果表明:通信双方能够实现高质量的混沌同步,高速率的密钥分发。
【图文】：

随机序列,随机数生成,课题组,物理

图 1-1 Uchida 课题组提出的 1.7Gbps 物理随机数生成方案[34]。SL：半导体激光器；FC：光耦合器；F：光纤；VR：可变光纤反射镜；ISO：光隔离器；VA：可调光衰减器；PD：光电探测器；Amp：电放大器Kanter 课题组提出将光反馈半导体激光器的混沌输出作为物理熵源，采用 C 对采样点进行模数转换，，后续进行差分处理之后串行输出，产生的随机序率达到 12.5Gbps[36]；分析了采用互注入混沌激光器产生随机比特的同步性能太原理工大学王云才团队提出将混沌激光信号经过延迟异或处理得到随机[38]。方案图如图 1-2 所示。将混沌激光源所产生的混沌激光通过光耦合器分为，一路先通过可调光延迟线延时之后再经过光电探测器 PD，而另一路则直接检测。然后两路信号分别经过 1 位 ADC 之后产生两组二进制序列，最后经或 XOR 处理即可得到随机序列。该方案采用延时异或是为了消除由于光反馈成的混沌激光周期性，从而提高所产生二进制序列的随机性。该课题组还提出延迟差分比较的方法产生物理随机数[39]。西南大学夏光琼团队提出将互注入半导体激光器的输出作为混沌熵源，经

系统框图,异或,团队,随机数

图 1-2 王云才团队提出的延迟异或方案产生物理随机数的系统框图[38]。PC：偏振控制器；FR：光纤反射镜；OI：光隔离器；VOA：光衰减器；TODL：可调光延迟线；XOR：异或模块.3.2.2 基于激光混沌同步的密钥分发技术的研究态势2012 年，Yoshimura 等人提出使用随机宽带光源来驱动两个远距离的光扰，基于其相关物理随机性来实现安全的密钥分发。文章指出该方案的安全性是
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN918.4;O415.5

【参考文献】