一种基于混沌双维度自调制的高速密钥分发技术

本发明涉及光通信领域，具体涉及一种基于混沌双维度自载波调制的高速密钥分发实现方法。

背景技术：

1、密钥分发是密码学领域中的重要研究方向，它涉及到在通信过程中安全地传递密钥以确保通信的保密性和完整性。在传统的加密算法中，密钥被视为保证通信安全的核心要素。然而，密钥的生成和分发一直都是一个具有挑战性的问题。在传统的密钥分发方法中，使用者需要事先共享密钥，这对于大规模网络和分布式系统来说是非常困难的。此外，如果密钥在传输过程中被拦截或泄露，那么通信的保密性将会受到威胁。因此，研究人员一直在寻找更安全、高效的密钥分发方案。目前密钥分发的主流方案主要有：基于算法的密钥分发比如非对称加密的rsa算法、量子密钥分发、基于信道互易性的密钥分发、基于混沌同步的密钥分发。

2、由于超级计算机算力的不断发展，基于算法的密钥分发方案安全性受到质疑，因此物理层密钥分发方向被广泛关注，关于物理层密钥分发的安全问题、速率问题等成为主要的研究方向。量子密钥分发在理论上有绝对的安全性，通过量子态的叠加性和不可克隆性，如果有人试图窃听或拦截传输的量子比特导致破坏量子态从而被检测到，但是量子密钥分发仍然面临着速率低、成本高等问题。基于信道互易性的密钥分发利用信道环境的自然波动来生成密钥，但是速率仅达kbit量级，尽管通过信道主动扰乱来提高速率但也达到一定水平，随着光网络的不断发展对密钥的要求速率不断提高。与此同时，基于混沌同步的密钥分发受到广泛关注，混沌激光由于具备高带宽、随机不可预测等特性，适合作为密钥提取的物理熵源。但是由于传统的混沌激光存在弛豫振荡限制的带宽低问题以及参数空间不足带来的安全问题。因此改善系统的鲁棒性、物理参数空间、传输速率成为关键。

3、键控技术在混沌密钥分发领域下已被证明可以增强系统的安全性，本发明提出了在一种新颖的键控方式，在混沌同步后对强度自载波以及相位自载波两种调制方式的选择进行键控，提升了同步混沌的带宽性能从而提高密钥的采样率，以及加强了整体系统的安全性，以实现高速安全密钥分发。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明旨在实现高速安全性的密钥分发。为实现发明目的，本发明主要通过以下方法实现：

2、一种基于混沌强相自载波调制的高速密钥分发实现方法，主要包括共驱混沌同步、混沌自载波强度调制、混沌自载波相位调制和混沌同步键控以及密钥提取；

3、所述共同驱动同步主要包括：一个驱动源(超发光二极管sld)、两个分布式反馈激光器、一个光隔离器、三个掺铒光纤放大器、两段标准单模光纤、两端色散补偿光纤、三个光学滤波器、两个可变光衰减器、两个光路循环器、两个偏振控制器。实现方法包括：驱动源产生光学噪声经过光纤以及edfa放大补偿后注入到分布反馈式激光器中，通过对注入功率控制以及注入偏振态控制实现响应激光器的混沌同步；

4、所述的混沌自载波强度调制包括：两个强度调制器、两个射频放大器、两个光耦合器、两个色散元件、两个光电探测器。实现方法包括：通过光耦合器将混沌激光分束，一束混沌经过光电转换为强度调制器驱动信号再对驱动信号射频放大，另一束作为强度调制器的载波进行强度调制，调制后的信号再经过色散组件的强度扰乱实现时域上信号强度的扩展；

5、所述的混沌自载波相位调制包括：两个相位调制器、两个射频放大器、两个光耦合器、两个色散元件、两个光电探测器。实现方法包括：与自载波强度调制同理，仅将强度调制器替换相位调制器；

6、所述的混沌同步键控及密钥提取包括：两个随机数发生器、两个(1*2)光学开关、两个模数转换器。实现方法包括：收发端的随机数产生各自用于控制光开关，收发两端交换随机数用于后续筛选相同密钥，密钥提取采用双阈值量化；

7、所述的共同驱动同步的产生方法包括以下步骤：1-驱动源(sld)产生光学噪声经过2-光隔离器以及3-光学滤波和4-掺铒光纤放大器后由5-光耦合器进行分光。一路光信号通过6a-标准单模光纤以及7a-色散补偿光纤，经过8a-掺铒光纤放大器后再通过9a-光学滤波器滤除带外放大噪声再经过10a-可变光衰减器和11a-循环器注入到12a-分布式反馈激光器；另一路再通过6b-标准单模光纤以及7b-色散补偿光纤，经过8b-掺铒光纤放大器后再通过9b-光学滤波器滤除带外放大噪声再经过10b-可变光衰减器和11b-循环器注入到12b-分布式反馈激光器。两路分别利用可变光衰减器调节注入功率使得两个激光器实现混沌同步；

8、所述混沌同步键控的方法包括以下步骤：在共同驱动混沌同步的基础上，混沌经过13a-光学开关(1*2)，同时光学开关(1*2)由14a-随机数发生器输出二进制随机数进行控制，若为0则将混沌信号输入15a-光耦合器，若为1则将混沌信号输入16a-光耦合器；

9、所述的混沌自载波强度调制以及混沌自载波相位调制的方法包括以下步骤：15a-光耦合器输出分为两束，其中一束光作为混沌自载波强度调制的载波，通过19a-强度调制器进行强度调制。另外一束光经由17a-光电探测器转换为电信号，通过18a-射频放大器放大后作为强度调制的驱动信号，以实现混沌自载波强度调制。通过混沌自载波强度调制处理后，混沌激光的光谱得到展宽，再利用20a-色散器件将信号强度进一步扰乱。同理，16a-光耦合器输出分为两束，其中一束光作为混沌自载波相位调制的载波，通过23a-相位调制器进行相位调制。另外一束光经由21a-光电探测器转换为电信号，通过22a-射频放大器放大后作为相位调制的驱动信号，以实现混沌自载波相位调制。通过混沌自载波相位调制处理后，混沌激光的光谱得到展宽，再利用24a-色散器件将信号强度进一步扰乱。在另外一密钥接受方通过同样的硬件结构，即15b-光耦合器、17b-光电探测器、18b-射频放大器、19b-强度调制器、20b-色散器件、16b-光耦合器、21b-光电探测器、22b-射频放大器、23b-相位调制器、24b-色散器件；

10、所述的密钥提取的方法包括以下步骤：采用22a-模数转换器和22b-模数转换器从同步的宽带混沌信号中提取出双方各自由键控混沌产生的密钥。但是由于双方随机数模块产生不同随机数控制混沌进行自载波强度或自载波相位调制，因此需要双方交换随机数序列，从而对相同随机数位产生密钥进行筛选达到双方密钥的一致性；

11、优选地，采用自载波调制方式对混沌信号进行处理之后，混沌带宽并不受限于激光器弛豫振荡频率，频域下实现混沌带宽的拓展，时域下实现幅度振荡更为复杂，因此在后处理的密钥提取中可以采用更高的采样率，从而提高密钥速率；

12、优选地，自载波调制方式与色散元件的组合，使得公共驱动信号与最终输出混沌信号的相关性极低，窃听者想要从驱动信号中获得有关密钥信息的挑战极具难度，提高了整个密钥分发系统的安全性；

13、优选地，本发明对双维度自载波调制方式进行键控，利用两种不同的自载波调制方式提高了最终输出混沌的复杂度，进一步提升了生成密钥的随机性。以及采用的混沌同步键控方式是在响应激光器之后实施的，因此不会破坏响应激光器的输出状态，这种方法使得同步恢复时间不再受限于激光器的瞬态响应时间，从而显著缩短了同步恢复时间。同时，在键控周期内可用于提取密钥的时间也得到了增加，从而提升了密钥产生速率。

14、与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

15、本发明提出的双维度自载波调制方式，拓展了系统的参数空间，非法方构建试图完全相同的系统极具难度，提升了密钥分发系统的安全性，同时系统也具备一定的鲁棒性，以及结合键控技术对调制方式的选择控制有效提升了输出混沌的复杂性保障了最终密钥的随机性。公共驱动信号与输出混沌信号相关性即残余相关性显著降低，进一步提升了密钥分发系统的安全性。采用的(1*2)光开关键控方式以较低的键控切换时间缩短了混沌同步时间，以及基于双维度自载波调制结合色散作用的信号扰动提高了混沌带宽，从而提高了密钥分发速率，最终实现高速高安全性的密钥分发。