光網(wǎng)絡(luò)安全中基于交叉波段開(kāi)關(guān)調(diào)制全光加密 EI 2009

1、 光網(wǎng)絡(luò)安全中基于交叉波段開(kāi)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(zhǎng)轉(zhuǎn)換和一次性密加密）用交叉波段開(kāi)關(guān)調(diào)制的光碼分多址系統(tǒng)中全光加密被實(shí)驗(yàn)性的展示出來(lái)。該方案探索了在35cm的高非線性三氧化二鉍纖維中為了實(shí)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(kāi)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(qiáng)度。因此沒(méi)有明文或密文的標(biāo)簽會(huì)被觀察到。加密在信息安全中很重要,因?yàn)樗鰪?qiáng)了數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)密性。沒(méi)有加密密鑰的話,數(shù)據(jù)內(nèi)容不能被恢復(fù)。由于在一些網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)速率的增長(zhǎng),使用電的方法提供具有低延遲的實(shí)時(shí)信號(hào)處理來(lái)增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的安全性是

2、有挑戰(zhàn)性的。因?yàn)楣獾墓逃械乃俣群筒⑿行裕庑盘?hào)處理是為安全提供實(shí)時(shí)信號(hào)處理的好的選擇。不像電學(xué)，在加密過(guò)程中光加密沒(méi)有電磁標(biāo)簽。因此，竊聽(tīng)者不能通過(guò)竊聽(tīng)設(shè)備中檢測(cè)電磁標(biāo)簽來(lái)獲取信息。在光方面增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的安全性的幾種方法被提出來(lái)。在這封信中,我們?cè)?5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(lái)展示基于交叉波段開(kāi)關(guān)調(diào)制的光學(xué)加密。不像開(kāi)關(guān)鍵控，兩個(gè)特定的交叉波段被用來(lái)代表加密信號(hào)的比特0和1。使用交叉波段開(kāi)關(guān)調(diào)制不需要比特0和1之間的能量強(qiáng)度變化。因此，加密數(shù)據(jù)不會(huì)顯示密文或者明文的任何標(biāo)簽。Bi-NLF的較短的長(zhǎng)度確保了我們的方案是緊湊的和低延遲的。該方案實(shí)際上給竊

3、聽(tīng)者提供了增加的有效的密碼長(zhǎng)度，通過(guò)控制泵浦波長(zhǎng)提供了抗干擾能力。光學(xué)加密系統(tǒng)包括在發(fā)射機(jī)的加密和接收機(jī)的解密。數(shù)據(jù)和密碼都保存在一個(gè)關(guān)鍵的受信任的竊聽(tīng)者不能訪問(wèn)的區(qū)域。在這個(gè)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(lái)獲得數(shù)據(jù)和密碼之間的異或，來(lái)按位對(duì)數(shù)據(jù)加密。加密是通過(guò)利用四波混頻的極性敏感特點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如果兩個(gè)輸入信號(hào)有相同的極性，四波混頻是最強(qiáng)的；而如果兩輸入信號(hào)是正交極化的，那么最小的FWM會(huì)發(fā)生。通過(guò)調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)和密碼的極性，異或操作在Bi-NLF中通過(guò)FWM被實(shí)現(xiàn)。為了通過(guò)交叉波段開(kāi)關(guān)調(diào)制獲得光學(xué)加密，兩個(gè)正交的極性加密密碼KEY和KEY#被用

4、來(lái)作為FWM的兩個(gè)泵浦，數(shù)據(jù)作為探測(cè)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(kāi)關(guān)調(diào)制，KEY和KEY#被調(diào)整有一個(gè)小的波長(zhǎng)差異，因此來(lái)自KEY和KEY#的交互導(dǎo)致的FWM輸出結(jié)果幽靈似的交差。通過(guò)在FWM中提取最新產(chǎn)生的波長(zhǎng)，加密輸出被獲得。實(shí)驗(yàn)設(shè)置的加密原理如圖示1。數(shù)據(jù)用一個(gè)極性調(diào)制器（POLM）調(diào)制到一個(gè)OCMA序列中。一個(gè)相位調(diào)制器通過(guò)發(fā)射與調(diào)制器波導(dǎo)的軸成45度的輸入光用作極性調(diào)制器。一個(gè)2D的跳頻擴(kuò)時(shí)光CDMA系統(tǒng)被使用。光CDMA序列是通過(guò)切片一個(gè)超連續(xù)光

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

6、552.4,1553.4nm的波長(zhǎng)建立的。兩個(gè)加密密鑰波長(zhǎng)為 1547.9 nm和 1547.6 nm被正交的極化調(diào)制。兩個(gè)數(shù)據(jù)模型01011001和00101011是用于數(shù)據(jù)和密碼來(lái)驗(yàn)證加密過(guò)程。為了測(cè)量極性調(diào)制信號(hào)，偏振鏡被用來(lái)解調(diào)。圖3(a)和圖3(b)顯示兩種解調(diào)光密碼的時(shí)間波形。清楚地看到這兩個(gè)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(hào)。比特0的殘余強(qiáng)度是來(lái)自于不完美的偏振調(diào)制。通過(guò)發(fā)射放大的密碼和數(shù)據(jù)到BI-NLF中，產(chǎn)生FWM，8個(gè)波長(zhǎng)被產(chǎn)生。數(shù)據(jù)和密碼的異或輸出是被產(chǎn)生的波長(zhǎng)中的4個(gè)所表示如圖4（a），異或非的輸出被另四個(gè)波長(zhǎng)所表示，相應(yīng)的波長(zhǎng)被標(biāo)簽。通過(guò)濾出8

7、個(gè)新建的波長(zhǎng)，加密信號(hào)被獲得如圖4（b）。8個(gè)波長(zhǎng)不是清晰的被分開(kāi)，因?yàn)樵脊庑盘?hào)的波長(zhǎng)間隔不是均勻的。為了清晰的識(shí)別出每個(gè)波段，兩個(gè)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(yīng)的XOR和NXOR加密操作的時(shí)間波形在5（a）和5（b）中被清楚的看到。兩個(gè)正交的密碼都打開(kāi)時(shí)，加密信號(hào)的時(shí)域圖如圖5（c）所示，交叉波帶開(kāi)關(guān)調(diào)制被獲得。兩個(gè)交叉波段的幅度被設(shè)為略微不同來(lái)允許驗(yàn)證FWM過(guò)程的加密邏輯。加密信號(hào)中的噪聲是來(lái)自于信號(hào)和正交極性信號(hào)與密碼FWM的信號(hào)和密碼的波長(zhǎng)對(duì)齊。加密信號(hào)沒(méi)顯示任何的輸入明文和密文的標(biāo)簽。竊聽(tīng)者可以試著通過(guò)濾除加密信號(hào)中的一個(gè)波長(zhǎng)來(lái)獲取密文。然而，因?yàn)槟?/p>

8、量被多波長(zhǎng)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(hào)需要轉(zhuǎn)換為原來(lái)的波長(zhǎng)以便進(jìn)行解碼。一個(gè)的連續(xù)波泵浦用作從FWM中反轉(zhuǎn)波長(zhǎng)。極性多環(huán)被用于FWM來(lái)確保極性免疫操作。被反轉(zhuǎn)的信號(hào)被傳到光CDMA解碼器中。解碼信號(hào)01110010被獲得如圖5（d）所示。新產(chǎn)生的波長(zhǎng)和到自動(dòng)被解碼器濾除。解碼信號(hào)的光譜如圖4(e)所示。為了存儲(chǔ)原來(lái)的明文，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的異或解密用加密密碼來(lái)執(zhí)行。用交錯(cuò)波帶開(kāi)關(guān)調(diào)制的全光加密被實(shí)驗(yàn)性的展示出來(lái)。光加密在35cm的BI-NLF中使用雙泵浦FWM來(lái)實(shí)現(xiàn)正交的加密密碼和數(shù)據(jù)的異或以便產(chǎn)生兩個(gè)交叉波帶。使用兩個(gè)交叉波帶來(lái)代表加密信號(hào)的0和1，之間沒(méi)有能量強(qiáng)

9、度的差別。因此，加密信號(hào)不能通過(guò)鍵控信號(hào)的時(shí)域波形來(lái)被分析。由于交叉波帶的使用，代表CDMA信號(hào)的波長(zhǎng)的數(shù)量加倍。因此對(duì)竊聽(tīng)者來(lái)說(shuō)有效的密碼長(zhǎng)度增加，信號(hào)的保密性提高。值得注意加密信號(hào)的波長(zhǎng)可以通過(guò)控制加密密碼的波長(zhǎng)來(lái)改變。BI-NLF的寬的轉(zhuǎn)換帶寬提供了通過(guò)改變加密信號(hào)波長(zhǎng)的抗干擾能力。展示的原理提供了一個(gè)緊湊的，低延遲的，高速的方法來(lái)增加網(wǎng)絡(luò)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(shí)間：2009年4月20來(lái)源：EI Village 光網(wǎng)絡(luò)安全中基于交叉波段開(kāi)關(guān)調(diào)制的全光加密一、克服的缺點(diǎn)克服能量檢測(cè)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(kāi)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(qiáng)度，加密數(shù)據(jù)不會(huì)顯示密文或者明文的任何標(biāo)簽。選擇光加密克服電加密的速度和輻射缺點(diǎn)：使用電的方法提供具有低延遲的實(shí)時(shí)信號(hào)處理來(lái)增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的安全性是有挑戰(zhàn)性的，因?yàn)楣獾墓逃械乃俣群筒⑿行?，光信?hào)處理是為安全提供實(shí)時(shí)信號(hào)處理的好的選擇。不像電學(xué)，在加密過(guò)程中光加密沒(méi)有電磁標(biāo)簽，對(duì)方不能檢測(cè)電磁輻射來(lái)竊取信息。結(jié)構(gòu)緊湊和低延遲,克

11、服使用不便的缺點(diǎn)：Bi-NLF的較短的長(zhǎng)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(shí)質(zhì)（使用的根本原理）：該方案實(shí)際上給竊聽(tīng)者提供了增加的有效的密碼長(zhǎng)度（如下圖，波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換中通過(guò)FWM增加了四個(gè)波長(zhǎng)，所以稱為增加了密碼長(zhǎng)度），通過(guò)控制泵浦波長(zhǎng)提供了抗干擾能力。本方案實(shí)際上是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行異或，所以其實(shí)時(shí)域密碼并沒(méi)有加長(zhǎng)，只是在頻域多了些新頻率，實(shí)現(xiàn)交叉調(diào)制，克服了能量檢測(cè)竊聽(tīng)。需要有絕對(duì)安全的區(qū)域：數(shù)據(jù)和密碼都保存在一個(gè)關(guān)鍵的受信任的竊聽(tīng)者不能訪問(wèn)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(lái)獲得數(shù)據(jù)和密碼之間的異或，來(lái)按位對(duì)數(shù)據(jù)加密。加密是通過(guò)利用四波混頻的極性敏感

12、特點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如果兩個(gè)輸入信號(hào)有相同的極性，四波混頻是最強(qiáng)的；而如果兩輸入信號(hào)是正交極化的，那么最小的FWM會(huì)發(fā)生。通過(guò)調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)和密碼的極性，異或操作在Bi-NLF中通過(guò)FWM被實(shí)現(xiàn)。 交叉波段開(kāi)關(guān)調(diào)制實(shí)現(xiàn)：兩個(gè)正交的極性加密密碼KEY和KEY#被用來(lái)作為FWM的兩個(gè)泵浦，數(shù)據(jù)作為探測(cè)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(kāi)關(guān)調(diào)制，KEY和KEY#被調(diào)整有一個(gè)小的波長(zhǎng)差異，因此來(lái)自KEY和KEY#的交互導(dǎo)致的FWM輸出結(jié)果幽靈似的交差。三、實(shí)驗(yàn)裝置：編碼序列： 一個(gè)2

13、D的跳頻擴(kuò)時(shí)光CDMA系統(tǒng)被使用。光CDMA序列是通過(guò)切片一個(gè)超連續(xù)光源對(duì)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(gè)連續(xù)光和被結(jié)合，發(fā)射到被電加密密碼驅(qū)動(dòng)的第二個(gè)極性調(diào)制器中。 為了提供安全性，一個(gè)一次性密被用來(lái)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(gè)餌光纖放大器放大。結(jié)合后的信號(hào)被發(fā)射到一個(gè)波長(zhǎng)在1550nm中非線性系數(shù)為1100W-1KM-1dd的35cmBi-NLF中。波長(zhǎng)恢復(fù)：加密波長(zhǎng)在偏振分集環(huán)中用FWM被反轉(zhuǎn)為原來(lái)的和解碼器相匹配的光CDMA波長(zhǎng)。 波形圖：1）、通過(guò)發(fā)射放大的密碼和數(shù)據(jù)到BI-NLF中，產(chǎn)生FWM，8個(gè)波長(zhǎng)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(zhǎng)中的4個(gè)所表示如圖4（a），異或非的輸出被另四個(gè)波長(zhǎng)所表示；2）、兩個(gè)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(gè)正交的密碼都打開(kāi)時(shí)，加密信號(hào)的時(shí)域圖如圖5（c）所示，交叉波帶開(kāi)關(guān)調(diào)制被獲得；保密性：1）、波長(zhǎng)增加 加密信號(hào)沒(méi)顯示任何的輸入明文和密文的標(biāo)簽。竊聽(tīng)者可以試著通過(guò)濾除加密信號(hào)中的一個(gè)波長(zhǎng)來(lái)獲取密文。然而，因?yàn)槟芰勘欢嗖ㄩL(zhǎng)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(hào)的波長(zhǎng)的數(shù)量加倍。因此對(duì)竊聽(tīng)者來(lái)說(shuō)有效的密碼長(zhǎng)度增加，信號(hào)的保密性提高。2） 、波長(zhǎng)可調(diào) 值得注意加密信號(hào)的波長(zhǎng)可以通過(guò)控制加密密碼的波長(zhǎng)來(lái)改變。BI-NLF的寬的轉(zhuǎn)換帶寬提供了通過(guò)改變加密信號(hào)波長(zhǎng)的抗干擾能力。4、 優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：1、由于交叉波帶的使用，