一种面向BPSK信号的片上全光模式匹配系统及方法

本发明属于光网络安全，具体涉及一种面向bpsk信号的片上全光模式匹配系统及方法。

背景技术：

1、光网络作为最基础的承载网，肩负着数据高效传输的重任，有力地支撑了云计算、大数据、5g、虚拟现实、工业互联网、物联网、人工智能等新兴技术的蓬勃发展。这些新兴的互联网技术通常需要快速的数据访问、海量的数据处理、智能的数据管理、灵活的资源配置以及较低的成本消耗。为了实现光网络中不同类型、粒度、等级业务的快速高效传输，其物理层所采用的传输技术包括时分复用、波分复用和空分复用等。然而，伴随着时、空、频多维资源协同一体化发展的同时，光网络的安全问题日益凸显，其物理层越来越容易受到各种类型的攻击，光网络安全正面临越来越严重的威胁。

2、光网络由于类型、规模大小等不同，在实际传输过程中，其物理层所受到的安全威胁可能会有所不同。为了提高光网络的安全性，目前已经研究出多种在物理层实现光网络安全的方法，包括光学码分多址、量子加密、混沌加密、频谱搬移、光节点安全加固、攻击探测、光学信息隐藏、光子防火墙等。其中，光子防火墙能够利用全光模式匹配技术直接在光域进行光信号所承载信息的识别，甄别出隐藏的网络入侵和攻击，并能够依据已设定的安全策略选择相应的防御手段，从而实现光域的入侵检测和安全防护。

3、图1为光子防火墙的组成框图，当数据包进入光子防火墙时，首先会被分成上下路两个部分，其中上路部分进入匹配字段截取模块，可以对需要匹配的数据包字段，例如数据包包头等进行截取。然后，将截取的字段输入到全光模式匹配系统中，全光模式匹配系统将输入的数据信息与由电子接口提供的目标入侵序列进行简单但高速的比较和检查，此外，电子接口能够在软件控制下对输出的目标入侵序列进行重新配置。经过比较之后，全光模式匹配系统的输出可能会包含一些脉冲，这些脉冲能够进一步驱动随后的光开关。而下路部分利用光纤延迟线对输入数据包进行缓冲，缓冲时间对应于全光模式匹配系统完成匹配操作所花费的时间。根据全光模式匹配系统的输出，如果输入信号中不存在目标入侵序列，则可以将数据包继续传输到下一个光节点；否则可以将其传送到专用的电子处理器，用来对输入数据包进行进一步的详细检查，这里每个专用的电子处理器能够针对不同的安全攻击进行处理，因此只需要对一部分输入数据包进行操作，减轻了电子处理器的负担。相比于传统的电子防火墙，光子防火墙能够直接对光信号进行操作，具有更快的操作速度和更高的处理带宽，避免了复杂的光/电/光转换，减小了系统时延、体积、成本和复杂度。此外，随着光网络传输速率的不断提高，仅仅依靠现有的电子防火墙将难以抵御高速的光网络信号攻击。因此，迫切需要将防火墙的功能向光域延伸，构建并完善面向高速光信号的光子防火墙系统，提高光网络中信息传输的安全性和可靠性。作为光子防火墙的核心部件，全光模式匹配系统主要对输入光数据序列和待匹配目标序列进行逻辑操作，并根据输出脉冲来判定输入光数据序列中是否包含有目标序列。全光模式匹配系统主要由全光逻辑门组成，涵盖同或门、异或门、与门、非门、再生器等。

4、目前已经广泛研究的技术较为成熟的光子防火墙技术主要来自欧盟主导的“基于光信号检测的线速率安全域”(wisdom)项目，该项目实验实现了支持传输速率为42.6gbps二进制振幅键控(on-off keying，ook)信号的光子防火墙。在该光子防火墙中，面向ook信号的全光模式匹配系统主要由基于半导体光放大器(semiconductor optical amplifier，soa)的全光同或门、与门和再生器构成。与ook信号相比，以bpsk、qpsk为代表的相位调制格式信号具有传输距离长、抗噪声能力强等优点，因此相位调制格式信号已经被广泛应用于商用光通信设备中。为了实现对bpsk信号的匹配，目前所提出的面向bpsk信号的全光模式匹配系统通常将输入光数据序列和待匹配的目标序列直接耦合，并利用基于高非线性光纤(highly nonlinear fiber，hnlf)的与门和再生器构成循环回路，从而完成对多位连续目标序列的匹配。然而，在该系统的实际部署当中，还存在器件难以集成、系统结构复杂、无法匹配多个目标序列等缺陷，具体展开如下。

5、(1)基于非线性光学介质hnlf的全光逻辑门难以集成

6、全光模式匹配系统往往由多个全光逻辑门组成，而每个全光逻辑门通常又是基于不同非线性介质中的非线性效应实现的。基于hnlf的全光逻辑门在理想条件下，其非线性响应时间仅受克尔效应的限制，通常小于10fs，具有响应速度快、非线性系数大、噪声低等优势，能够满足高速光数据传输的要求。然而基于hnlf的全光逻辑门往往需要几百甚至上千米长度的光纤，光纤的显著缺点就是体积相对较大，难以集成。为了将全光模式匹配系统部署到实际网络中，系统集成是不可或缺的，是关系到系统实用化和成本等问题的关键瓶颈。

7、(2)频率同步导致系统结构复杂

8、传统面向bpsk信号的全光模式匹配系统通过将输入光数据序列和待匹配的目标序列直接耦合来获得bpsk符号的识别结果，若输入光数据序列符号与目标序列符号同相，则两者相干相长，输出为高；若输入光数据序列符号与目标序列符号反相，则两者相干相消，输出为低。然而在实际的部署当中，输入的光数据序列和本地生成的目标序列来自两个不同的光源，两者频率之间往往存在误差，因此无法产生干涉现象。为了保持输入光数据序列与待匹配目标序列之间具有相同的频率，系统通常需要进行单独的信号载波提取。传统利用光学锁相环的方案通过输入信号光和本地激光器之间的相位差，来对本地激光器的输出信号频率进行反馈控制，使得本地激光器的输出频率能够跟踪输入信号光的频率，并与输入信号光的频率变化保持一致，从而实现两激光器输出频率保持相同的结果。但该方案需要进行光-电-光的转换，耗费较长的时间，降低了系统的处理速率，同时也会使系统的整体结构变得非常复杂。

9、(3)单个系统无法匹配多个目标序列

10、目前的全光模式匹配系统只能够对单个目标序列，如数据包包头中某个特定的ip地址或端口号等进行匹配识别。当需要同时检查待访问用户的ip地址和端口号等数据包头的不同部分时，若只简单地对其中的ip地址进行攻击检测，则可能会导致攻击的漏报或者误报，无法准确地判断数据包的流向。因此，为了完成对多个目标序列的匹配，往往需要将多个现有的全光模式匹配系统进行级联处理，其中每个系统分别对包头的某一部分进行单独的识别，最后结合各部分识别结果完成对数据包的过滤，但这同时也大大增加了防火墙系统的成本和实现复杂度。

11、为了将光子防火墙实际部署到网络中，将全光模式匹配系统进行系统集成是非常必要的，集成后的系统具有体积小、功耗低，适合批量生产等优点。此外，集成后的全光模式匹配系统可以较好地抑制由于环境抖动、温度变化等因素对系统整体性能的影响。集成后的系统还将在融合已有系统的优势下，不断扩大其在光域的控制能力，支持多个目标序列的匹配。因此，针对光学系统集成的研究具有长远意义并且也是目前重要的研究方向。综上所述，面向未来高速大容量的光网络安全需求，考虑现有全光模式匹配系统实用化困难的问题，迫切需要一种面向bpsk调制格式的可集成芯片级全光模式匹配模型，来为建立下一代安全可靠的光网络信息传输提供强有力的设备支撑。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种面向bpsk信号的片上全光模式匹配系统及其构建方法，能实现面向bpsk调制格式的可集成芯片级全光模式匹配，并同时支持多个目标序列的识别。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种面向bpsk信号的片上全光模式匹配系统，包括信号干涉模块、重载模块、识别模块和匹配模块；信号干涉模块包括第一bpsk信号干涉通道和第二bpsk信号干涉通道；第一bpsk信号干涉通道和第二bpsk信号干涉通道中均设置延迟干涉仪；信号干涉模块的输出端接入非线性光纤环镜；重载模块包括沿着信号传输路径设置的本地cw信号输入通道、光耦合器以及非线性光纤环镜；

3、识别模块包括沿着信号传输路径设置的光耦合器、第二隔离器、滤波器、固定功率掺饵光纤放大器以及非门，所述滤波器用于将探测光信号波长滤出；所述固定功率edfa用于将输出脉冲的功率放大到一个特定的值；匹配模块包括与门和再生器，与门和再生器组合形成循环回路；所述非线性光纤环镜使用双向soa作为非线性介质。

4、进一步的，第一bpsk信号干涉通道包括沿着信号传输方向设置的信号输入端口、存储回路、第一延迟干涉仪以及第一光开关；第一延迟干涉仪为1-bit延迟干涉仪，用于将输入bpsk信号的相位信息映射为两功率信息；第二bpsk信号干涉通道包括沿着信号传输方向设置的信号输入端口、第二延迟干涉仪以及第二光开关，第二延迟干涉仪为n-bit延迟干涉仪，用于将目标bpsk信号的相位信息映射为两功率信息；存储回路用于对信号进行重复。

5、进一步的，本地cw信号输入通道包括本地激光器和第一隔离器，光耦合器为50:50的光耦合器，50:50的光耦合器将本地cw信号分成两个分支注入到非线性光纤环镜中。

6、进一步的，两功率信号作为泵浦光；本地cw信号作为xpm效应的探测光，非线性光纤环镜用于对第一bpsk信号和第二bpsk信号进行重新调制。

7、本发明同时提供一种面向bpsk信号的片上全光模式匹配方法，包括以下步骤：

8、对输入bpsk序列和目标bpsk序列进行干涉操作，得到两功率信号；

9、利用xpm对干涉后得到的两功率信号进行重载；将两功率信号作为泵浦光，分别沿着顺、逆时针方向与探测光一起进入双向soa中，在所述soa中，输入的泵浦光和探测光进行xpm，将两功率信号重新调制为以本地cw作为载波的相位调制信号，完成幅度信号到相位信号的转换；

10、获取输入bpsk序列与当前目标bpsk符号的识别结果；经过双向soa后的两路探测光信号继续分别沿着顺、逆时针两个方向传输，输出信号会通过滤波器并将探测光信号波长滤出；若输入bpsk序列符号与目标bpsk序列符号同相，在经过非门后将有脉冲输出，即逻辑“1”，表示两者相匹配；若输入bpsk符号与目标bpsk符号反相，在经过非门后将无脉冲输出，即逻辑“0”，表示两者不匹配；

11、利用由与门和再生器构成的循环回路完成对具有多符号目标bpsk序列的匹配。

12、进一步的，输入bpsk序列首先经过一个存储回路，得到一串以n*t为周期的重复数据，其中n为输入bpsk序列的长度，t为输入数据的比特周期，将所述重复数据序列连续比特的相位跳变信息映射为两功率信息，所述两功率信息将作为xpm效应的泵浦信号完成对输入bpsk序列的重载，同时，对目标bpsk序列进行与输入bpsk序列类似的操作，目标bpsk序列中每个符号的持续时间为n*t，在经过第二延迟干涉仪之后，将目标bpsk序列转换成一串两功率信号，在(0,n*t]时间内将第一光开关和第二光开关打开，消除初始状态下空信号对系统输出的干扰，并在第二次循环开始时闭合第一光开关和第二光开关。

13、进一步的，对输入bpsk序列和目标bpsk序列进行干涉操作时，pxpm表征延迟干涉仪的输出功率，连续比特序列(01,10)将对应pxpm＝0；连续比特序列(00,11)对应pxpm≠0；

14、利用xpm对干涉后得到的两功率信号进行重载时，通过调整输入泵浦光的功率以及soa的参数，使得经过soa后能够将输入的高功率信号pxpm≠0映射为探测光的π相位偏转；将输入的低功率信号pxpm＝0映射为探测光的0相位偏转。

15、进一步的，获取输入bpsk序列与当前目标bpsk符号的识别结果时，本地cw在第一次经过耦合器之后，在耦合器的异臂，即逆时针传输方向会引入j的相移，随后再经过xpm效应，第二次从耦合器输出后，同样会在逆时针传输的光信号上引入j的相移，该信号总共有π的相位偏转，在耦合器的输出处，若重载后的两路序列符号具有相同的信号幅度和π的相位偏移，滤波器将没有脉冲输出，当重载后的两路序列符号具有π的相位差时，输入bpsk序列符号与目标bpsk序列符号具有完全相同的相位，即当滤波器无脉冲输出时，输入bpsk序列符号与目标bpsk序列符号相匹配；而当滤波器有脉冲输出时，两路序列符号不匹配，将该输出结果经过一个固定功率edfa，用于将输出脉冲的功率放大到一个特定的值，作为泵浦光驱动随后的非门。

16、进一步的，利用由与门和再生器构成的循环回路完成对具有多符号目标bpsk序列的匹配时：在(n*t,2n*t]时间内，其中n为输入bpsk序列的长度，t为输入数据的比特周期，经过非门后的输出结果为重载后输入bpsk序列与重载后第一个目标bpsk符号的匹配结果；

17、在(2n*t,3n*t]时间内，经过非门后的输出结果为重载后输入bpsk序列与重载后第二个目标bpsk符号的匹配结果；在获得重载后输入bpsk序列与重载后单个目标bpsk符号的匹配结果之后，利用由与门和再生器构成的循环回路将重载后目标bpsk序列中所有m-1个符号的匹配结果相结合；在(n*t,2n*t]时间内，循环回路中与门的其中一路输入为滤波器的输出，另外一路输入为初始脉冲，由一串全“1”脉冲序列组成，循环回路中的与门在(n*t,2n*t]时间内的输出结果即为重载后输入bpsk序列与重载后待匹配目标bpsk序列中第一个符号的匹配结果；其中，m≤n；

18、在(2n*t,3n*t]时间内，循环回路中与门的另外一路输入为经过(n+1)*t时间延迟和再生器之后的重载后输入bpsk序列与重载后目标bpsk序列中第一个符号的匹配结果，循环回路中与门在(2n*t,3n*t]时间内的输出结果即为重载后输入bpsk序列与重载后目标bpsk序列中前两个符号的匹配结果；如此循环，直到最终得到重载后输入bpsk序列与重载后具有任意m-1个符号的目标bpsk序列的匹配结果。

19、同时本发明还能提供一种光子防火墙，采用上述面向bpsk信号的片上全光模式匹配系统。

20、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

21、本发明所述系统利用延迟干涉仪对输入bpsk序列和目标bpsk序列进行差分编码，使得系统能够同时支持两个目标序列的匹配，提高了匹配效率，降低系统复杂度。该方法克服了原本面向bpsk信号的全光模式匹配系统在实际部署中难以集成、结构复杂的缺陷，加快了面向bpsk信号的全光模式匹配系统的实用化进程。

22、采用本发明所提供的面向bpsk信号的片上全光模式匹配方法，通过延迟干涉仪和nolm分别对输入bpsk序列和目标bpsk序列进行重新调制，将两个序列的信息分别映射到本地cw的两个分支，确保两个信号分支的强相干性，并利用可集成器件进行系统搭建，避免了额外的信号载波提取，使得面向bpsk信号的全光模式匹配系统易于集成，提高了系统的实际部署能力。