[发明专利]一种基于混沌信号动态同步的密钥分配方法及系统

说明书

技术领域

本发明属于信息安全技术领域，具体涉及光纤通信系统中基于混沌信号的密钥分配。

背景技术

目前的通信网络系统中的安全问题主要依靠现代密码体制来解决。然而根据Kerckhoffz准则，现代密码体制总是假定密码算法是公开的，因此系统的安全性取决于密钥的安全性，密钥是密码系统的核心。不可否认基于量子理论的量子密钥分配的安全性远远超过其他的分配方式，但是由于通信距离和设备精度的要求使得很难在实际应用广泛的推广。另一方面科学研究者们也在积极探索其他的密钥分配方案。在文献[U.M.Maurer,Secretkeyagreementbypublicdiscussionfromcommoninformation,InformationTheory,IEEETransactionson39,733-742(1993)]中所提出的利用采样相关的随机源来实现密钥的分配，为研究物理层安全的密钥分配方案提供了新的研究方向。文献[J.Muramatsu,K.Yoshimura,andP.Davis,InformationTheoreticSecurityBasedonBoundedObservability,Lect.NotesComput.Sci.5973,128-139,(2010)]提出了一种基于实际观测有界性的相关随机源安全密钥分配模型。文献[K.Yoshimura,J.Muramatsu,P.Davis,T.Harayama,H.Okumura,S.Morikatsu,H.Aida,andA.Uchida,SecureKeyDistributionUsingCorrelatedRandomnessinLasersDrivenbyCommonRandomLight,PhysicalReviewLetters108(2012).]采用了上述密钥分配模型，提出了一种基于相关随机光源的密钥分配系统。但是由于实际应用中噪声和误差的影响，随机源是不能完美同步的，因而通过采样相关随机源的方法得到的密钥往往具有较大的误码率。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种基于混沌信号动态同步的高质量的密钥分配方法。本发明在注入锁定效应的作用下，相同的相移会产生非常好的同步效果，反之就会比较差，因而混沌信号的相关特性可以作为密钥分配的依据。通信双方通过根据观测到的双方所产生混沌信号的互相关信息，保留那些相同的调制信息而完成密钥的分配。

为了实现上述发明目的，本发明的一种基于混沌信号动态同步的密钥分配方法，包括下列步骤：

将驱动端产生的同一第一混沌光信号分别发送至通信双方；

通信双方分别对第一混沌光信号进行多阶层光调制处理，得到第二混沌光信号并在本地保存，同时将第二混沌光信号发送给通信对方；其中，对第一混沌光信号进行多阶层光调制处理具体为：

将第一混沌光信号作为第一阶层的注入光，上一阶层的输出光信号将作为下一阶层的注入光，每个阶层基于各自的随机序列对注入光进行光调制处理(例如根据随机序列随机添加预设对应相移，用不同的相移区分随机序列中的二进制符号)，且所有阶层的光调制方式相同(即在各阶层的光调制处理中，对同一二进制符号的添加相移相同)，得到每个阶层的输出光信号，其中各阶层的随机序列的位数相同；将最后一个阶层的输出光信号作为第二混沌光信号；

计算通信双方分别基于本地和接收的第二混沌光信号，计算第二混沌光信号在随机序列的每个码元周期内的互相关程度，并判断所述互相关程度是否在预设阈值内，若是，则保留当前位置的码元，得到通信双方的共享密钥。

进一步的，可根据第二混沌光信号在不同时刻t的信号强度I_A(t)、I_B(t)来计算第二混沌光信号在随机序列的每个码元周期内的互相关程度，I_A(t)和I_B(t)的下标仅用于区分通信双方，本发明用互相关系数C表示第二混沌光信号在随机序列的每个码元周期内的互相关程度，即：

其中符号“<·>”表示时域上求平均。

每个码元周期内对应一个互相关系数C。

通过在通信双方分别基于本地和接收的第二混沌光信号，计算第二混沌信号在随机序列的每个码元周期内的互相关系数C来判断相移(调制)是否同步，其相移同步的判断标准为互相关系数C是否接近1(即判断C与1的差值是否小于或等于预设阈值)。当互相关系数C明显小于1时认为双方的相同相位调制信息序列是不同的，不能用于密钥。