光網(wǎng)絡安全中基于交叉波段開關(guān)調(diào)制全光加密 EI 2009

1、 光網(wǎng)絡安全中基于交叉波段開關(guān)調(diào)制的全光加密 2009 5月1日 先編碼后加密（異或波長轉(zhuǎn)換和一次性密加密）用交叉波段開關(guān)調(diào)制的光碼分多址系統(tǒng)中全光加密被實驗性的展示出來。該方案探索了在35cm的高非線性三氧化二鉍纖維中為了實現(xiàn)明文和密碼的異或操作的雙缸泵四波混頻。被加密數(shù)據(jù)的比特位0和1被不同的波段表示。不像開關(guān)鍵控的加密方法，這種方法中的加密數(shù)據(jù)比特0和1有相同的能量強度。因此沒有明文或密文的標簽會被觀察到。加密在信息安全中很重要,因為它增強了數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的機密性。沒有加密密鑰的話,數(shù)據(jù)內(nèi)容不能被恢復。由于在一些網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)速率的增長,使用電的方法提供具有低延遲的實時信號處理來增強網(wǎng)絡的安全性是

2、有挑戰(zhàn)性的。因為光的固有的速度和并行性，光信號處理是為安全提供實時信號處理的好的選擇。不像電學，在加密過程中光加密沒有電磁標簽。因此，竊聽者不能通過竊聽設備中檢測電磁標簽來獲取信息。在光方面增強網(wǎng)絡的安全性的幾種方法被提出來。在這封信中,我們在35厘米高度非線性鉍氧化物纖維(Bi-NLF)中利用雙缸泵四波混頻(pwm)來展示基于交叉波段開關(guān)調(diào)制的光學加密。不像開關(guān)鍵控，兩個特定的交叉波段被用來代表加密信號的比特0和1。使用交叉波段開關(guān)調(diào)制不需要比特0和1之間的能量強度變化。因此，加密數(shù)據(jù)不會顯示密文或者明文的任何標簽。Bi-NLF的較短的長度確保了我們的方案是緊湊的和低延遲的。該方案實際上給竊

3、聽者提供了增加的有效的密碼長度，通過控制泵浦波長提供了抗干擾能力。光學加密系統(tǒng)包括在發(fā)射機的加密和接收機的解密。數(shù)據(jù)和密碼都保存在一個關(guān)鍵的受信任的竊聽者不能訪問的區(qū)域。在這個方案中，我們主要專注于發(fā)射端的加密原理。我們的加密原理是基于Bi-NLF中的FWM來獲得數(shù)據(jù)和密碼之間的異或，來按位對數(shù)據(jù)加密。加密是通過利用四波混頻的極性敏感特點來實現(xiàn)的。如果兩個輸入信號有相同的極性，四波混頻是最強的；而如果兩輸入信號是正交極化的，那么最小的FWM會發(fā)生。通過調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)和密碼的極性，異或操作在Bi-NLF中通過FWM被實現(xiàn)。為了通過交叉波段開關(guān)調(diào)制獲得光學加密，兩個正交的極性加密密碼KEY和KEY#被用

4、來作為FWM的兩個泵浦，數(shù)據(jù)作為探測光。KEY和KEY#是相同的，但是極性表示是正交的。因此，數(shù)據(jù)和KEY作為輸入，在輸出端獲得異或輸出。NXOR的輸出從DATA和KEY#的FWM獲得。為了獲得交叉波段開關(guān)調(diào)制，KEY和KEY#被調(diào)整有一個小的波長差異，因此來自KEY和KEY#的交互導致的FWM輸出結(jié)果幽靈似的交差。通過在FWM中提取最新產(chǎn)生的波長，加密輸出被獲得。實驗設置的加密原理如圖示1。數(shù)據(jù)用一個極性調(diào)制器（POLM）調(diào)制到一個OCMA序列中。一個相位調(diào)制器通過發(fā)射與調(diào)制器波導的軸成45度的輸入光用作極性調(diào)制器。一個2D的跳頻擴時光CDMA系統(tǒng)被使用。光CDMA序列是通過切片一個超連續(xù)光

5、源對編碼器產(chǎn)生輸出。為了產(chǎn)生正交光加密密碼，兩個連續(xù)光和被結(jié)合，發(fā)射到被電加密密碼驅(qū)動的第二個極性調(diào)制器中。為了提供安全性，一個一次性密被用來加密。加密密碼和數(shù)據(jù)在3dB的耦合器中結(jié)合，被一個餌光纖放大器放大。結(jié)合后的信號被發(fā)射到一個波長在1550nm中非線性系數(shù)為1100W-1KM-1dd的35cmBi-NLF中。一個4nm的光帶通濾波器被用來從FWM輸出中阻止密碼和原始光信號以便獲得加密信號。加密信號會包含不希望的以通過一個光偏振器除去的極化信息。在接收端，加密波長在偏振分集環(huán)中用FWM被反轉(zhuǎn)為原來的和解碼器相匹配的光CDMA波長。光CDMA序列是由四個波長為1550.6,1551.6,1

6、552.4,1553.4nm的波長建立的。兩個加密密鑰波長為 1547.9 nm和 1547.6 nm被正交的極化調(diào)制。兩個數(shù)據(jù)模型01011001和00101011是用于數(shù)據(jù)和密碼來驗證加密過程。為了測量極性調(diào)制信號，偏振鏡被用來解調(diào)。圖3(a)和圖3(b)顯示兩種解調(diào)光密碼的時間波形。清楚地看到這兩個密碼是不相關(guān)的正交調(diào)制。圖3(c)是解調(diào)的光纖CDMA信號。比特0的殘余強度是來自于不完美的偏振調(diào)制。通過發(fā)射放大的密碼和數(shù)據(jù)到BI-NLF中，產(chǎn)生FWM，8個波長被產(chǎn)生。數(shù)據(jù)和密碼的異或輸出是被產(chǎn)生的波長中的4個所表示如圖4（a），異或非的輸出被另四個波長所表示，相應的波長被標簽。通過濾出8

7、個新建的波長，加密信號被獲得如圖4（b）。8個波長不是清晰的被分開，因為原始光信號的波長間隔不是均勻的。為了清晰的識別出每個波段，兩個正交密碼輪流被關(guān)閉，結(jié)果的光譜如圖4(c)和4（d）所示。相應的XOR和NXOR加密操作的時間波形在5（a）和5（b）中被清楚的看到。兩個正交的密碼都打開時，加密信號的時域圖如圖5（c）所示，交叉波帶開關(guān)調(diào)制被獲得。兩個交叉波段的幅度被設為略微不同來允許驗證FWM過程的加密邏輯。加密信號中的噪聲是來自于信號和正交極性信號與密碼FWM的信號和密碼的波長對齊。加密信號沒顯示任何的輸入明文和密文的標簽。竊聽者可以試著通過濾除加密信號中的一個波長來獲取密文。然而，因為能

8、量被多波長分享，信噪比被降低，正確分析密文變得比較困難。在接收端，加密信號需要轉(zhuǎn)換為原來的波長以便進行解碼。一個的連續(xù)波泵浦用作從FWM中反轉(zhuǎn)波長。極性多環(huán)被用于FWM來確保極性免疫操作。被反轉(zhuǎn)的信號被傳到光CDMA解碼器中。解碼信號01110010被獲得如圖5（d）所示。新產(chǎn)生的波長和到自動被解碼器濾除。解碼信號的光譜如圖4(e)所示。為了存儲原來的明文，一個標準的異或解密用加密密碼來執(zhí)行。用交錯波帶開關(guān)調(diào)制的全光加密被實驗性的展示出來。光加密在35cm的BI-NLF中使用雙泵浦FWM來實現(xiàn)正交的加密密碼和數(shù)據(jù)的異或以便產(chǎn)生兩個交叉波帶。使用兩個交叉波帶來代表加密信號的0和1，之間沒有能量強

9、度的差別。因此，加密信號不能通過鍵控信號的時域波形來被分析。由于交叉波帶的使用，代表CDMA信號的波長的數(shù)量加倍。因此對竊聽者來說有效的密碼長度增加，信號的保密性提高。值得注意加密信號的波長可以通過控制加密密碼的波長來改變。BI-NLF的寬的轉(zhuǎn)換帶寬提供了通過改變加密信號波長的抗干擾能力。展示的原理提供了一個緊湊的，低延遲的，高速的方法來增加網(wǎng)絡安全性。題目：All-optical encryptiong based on interleaved waveband switching modulation for optical network security作者：Mable.Fork an

10、d Raul R.Prucnal時間：2009年4月20來源：EI Village 光網(wǎng)絡安全中基于交叉波段開關(guān)調(diào)制的全光加密一、克服的缺點克服能量檢測的竊取方式：被加密數(shù)據(jù)的比特位0和1被不同的交叉波段表示。不像開關(guān)鍵控的加密方法，這種方法中的加密數(shù)據(jù)比特0和1有相同的能量強度，加密數(shù)據(jù)不會顯示密文或者明文的任何標簽。選擇光加密克服電加密的速度和輻射缺點：使用電的方法提供具有低延遲的實時信號處理來增強網(wǎng)絡的安全性是有挑戰(zhàn)性的，因為光的固有的速度和并行性，光信號處理是為安全提供實時信號處理的好的選擇。不像電學，在加密過程中光加密沒有電磁標簽，對方不能檢測電磁輻射來竊取信息。結(jié)構(gòu)緊湊和低延遲,克

11、服使用不便的缺點：Bi-NLF的較短的長度確保了我們的方案是緊湊的和低延遲的。二、基本原理方案的實質(zhì)（使用的根本原理）：該方案實際上給竊聽者提供了增加的有效的密碼長度（如下圖，波長轉(zhuǎn)換中通過FWM增加了四個波長，所以稱為增加了密碼長度），通過控制泵浦波長提供了抗干擾能力。本方案實際上是對數(shù)據(jù)進行異或，所以其實時域密碼并沒有加長，只是在頻域多了些新頻率，實現(xiàn)交叉調(diào)制，克服了能量檢測竊聽。需要有絕對安全的區(qū)域：數(shù)據(jù)和密碼都保存在一個關(guān)鍵的受信任的竊聽者不能訪問的區(qū)域異或基本原理：我們的加密原理是基于Bi-NLF中的FWM來獲得數(shù)據(jù)和密碼之間的異或，來按位對數(shù)據(jù)加密。加密是通過利用四波混頻的極性敏感

12、特點來實現(xiàn)的。如果兩個輸入信號有相同的極性，四波混頻是最強的；而如果兩輸入信號是正交極化的，那么最小的FWM會發(fā)生。通過調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)和密碼的極性，異或操作在Bi-NLF中通過FWM被實現(xiàn)。 交叉波段開關(guān)調(diào)制實現(xiàn)：兩個正交的極性加密密碼KEY和KEY#被用來作為FWM的兩個泵浦，數(shù)據(jù)作為探測光。KEY和KEY#是相同的，但是極性表示是正交的。因此，數(shù)據(jù)和KEY作為輸入，在輸出端獲得異或輸出。NXOR的輸出從DATA和KEY#的FWM獲得。為了獲得交叉波段開關(guān)調(diào)制，KEY和KEY#被調(diào)整有一個小的波長差異，因此來自KEY和KEY#的交互導致的FWM輸出結(jié)果幽靈似的交差。三、實驗裝置：編碼序列： 一個2

13、D的跳頻擴時光CDMA系統(tǒng)被使用。光CDMA序列是通過切片一個超連續(xù)光源對編碼器產(chǎn)生輸出。密碼序列： 為了產(chǎn)生正交光加密密碼，兩個連續(xù)光和被結(jié)合，發(fā)射到被電加密密碼驅(qū)動的第二個極性調(diào)制器中。 為了提供安全性，一個一次性密被用來加密。雙泵浦FWM： 加密密碼和數(shù)據(jù)在3dB的耦合器中結(jié)合，被一個餌光纖放大器放大。結(jié)合后的信號被發(fā)射到一個波長在1550nm中非線性系數(shù)為1100W-1KM-1dd的35cmBi-NLF中。波長恢復：加密波長在偏振分集環(huán)中用FWM被反轉(zhuǎn)為原來的和解碼器相匹配的光CDMA波長。 波形圖：1）、通過發(fā)射放大的密碼和數(shù)據(jù)到BI-NLF中，產(chǎn)生FWM，8個波長被產(chǎn)生。數(shù)據(jù)和密碼

14、的異或輸出是被產(chǎn)生的波長中的4個所表示如圖4（a），異或非的輸出被另四個波長所表示；2）、兩個正交密碼輪流被關(guān)閉，結(jié)果的光譜如圖4(c)和4（d）所示；3）、兩個正交的密碼都打開時，加密信號的時域圖如圖5（c）所示，交叉波帶開關(guān)調(diào)制被獲得；保密性：1）、波長增加 加密信號沒顯示任何的輸入明文和密文的標簽。竊聽者可以試著通過濾除加密信號中的一個波長來獲取密文。然而，因為能量被多波長分享，信噪比被降低，正確分析密文變得比較困難。由于交叉波帶的使用，代表CDMA信號的波長的數(shù)量加倍。因此對竊聽者來說有效的密碼長度增加，信號的保密性提高。2） 、波長可調(diào) 值得注意加密信號的波長可以通過控制加密密碼的波長來改變。BI-NLF的寬的轉(zhuǎn)換帶寬提供了通過改變加密信號波長的抗干擾能力。4、 優(yōu)缺點優(yōu)點：1、由于交叉波帶的使用，