【摘 要】
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光纤通信已经在众多领域中得到了广泛的应用,包括金融、医疗及军事等对数据的私密性要求较高的行业。因此,确保光网络中数据的安全性具有重要意义。目前,信息网络中的安全机制通常是采用公钥算法,部署在通信协议栈的上层。随着量子计算的快速发展,基于计算安全机制的公钥算法,面临着被破解的威胁。另一方面,量子密钥分发技术（QKD）理论上可保证无条件安全的密钥分发,但仍面临着密钥速率及其分发距离受限的技术挑战。经典
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光纤通信已经在众多领域中得到了广泛的应用,包括金融、医疗及军事等对数据的私密性要求较高的行业。因此,确保光网络中数据的安全性具有重要意义。目前,信息网络中的安全机制通常是采用公钥算法,部署在通信协议栈的上层。随着量子计算的快速发展,基于计算安全机制的公钥算法,面临着被破解的威胁。另一方面,量子密钥分发技术（QKD）理论上可保证无条件安全的密钥分发,但仍面临着密钥速率及其分发距离受限的技术挑战。经典光物理层中基于光纤信道特征的密钥分发技术（SKGD）有望大幅增强光网络中信息传输的高安全性。由于光纤信道的唯一性,合法双方与非法方在密钥源的提取客观上存在不对称性,故该密钥分发具备高安全性,而且属于非计算密钥,不受攻击者强大计算能力的威胁。此外,不需要第三方密钥管理中心,大幅降低了系统的成本。该经典密钥分发方案完全兼容于现有光网络架构,可与数据传输共享同一光纤主信道,无需额外部署安全密钥的信道。该类密钥分发技术,目前仍有以下问题亟待解决:（1）该类密钥提取技术在国际上出现时间不久,技术方案尚待进一步开发;（2）由于光纤信道的准静态性,密钥分发速率（KGR）与主流光通信速率相比,仍有较大差距;（3）尚未形成光物理层中完整的密钥后处理协议。本论文针对光物理层中密钥分发,具体完成了密钥提取、密钥分发以及密钥后处理协议等关键技术的研究,在理论和实验演示方面的具体成果如下:1.基于光相位波动的密钥分发为了从光相位波动中提取安全密钥,本文提出了基于延时干涉仪（DI）的密钥分发方案,在合法通信双方间部署两段保偏光纤（PMF）,构成一个延时干涉仪,将光波两个偏振基模间的相位差波动转换为强度波动。合法双方从延时干涉仪输出的高度相关的强度波动中提取密钥。实验中,在25km长的光纤信道中实现了速率为220bit/s的密钥分发,密钥不一致率（KDR）为5%。经验证,所产生的密钥序列具备随机性。另一方面,非法方获取与合法方相同相位差波动的高难度保证了密钥的高安全性。该密钥分发方案兼容于目前的光网络,由于能使用光放大器,适用于远距离光传输。2.基于斯托克斯参数波动的密钥分发本文提出了光物理层中基于偏振态斯托克斯参数（SPs）差波动的密钥分发技术。由于光纤双折射的随机时变分布,光纤中光波的偏振态将随机演变,可作为光物理层的密钥源。经验证,光纤信道的互易性可确保合法双方间共享高度相关的偏振态波动,可从对应的偏振态斯托克斯参数波动中提取密钥。在25km长的单模光纤（SSMF）信道中实现了速率为222bit/s的密钥分发,密钥不一致率为4.5%,并能通过国际标准NIST的随机性测试。在密钥安全性方面,实验验证了合法双方间信道的唯一性可确保密钥抵御各种攻击的可行性。与基于延时干涉仪的密钥分发方案类似,该密钥分发方案具有结构简单、适用于远距离传输等优势。3.基于光偏振态主动扰动的高速密钥分发高速密钥分发是实现绝对安全的“一次一密”的基础。然而,由于光纤信道的准静态特征,现有密钥分发速率低于Kbit/s量级。本文通过构造高速混沌偏振扰动仪（CPS）,有效地将现有密钥分发速率提升了6个数量级。在24km长的光纤信道中实现了375Mbit/s的密钥分发速率,所得到的密钥通过了随机性测试。由于非法方与合法方间关于信道特征的不对称性,密钥可抵御潜在的窃听攻击。该高速密钥分发方案在朝绝对安全的高速“一次一密”方面迈进了一大步。4.光物理层密钥后处理协议已报道的密钥分发方案主要集中在特征参数提取,而实际上,密钥后处理阶段对密钥的一致性和随机性至关重要。本文提出了完整的密钥后处理协议,包括:量化、密钥协商、私密增强。优化了目前常用的有损量化器,将模拟的特征参数转换为初始密钥,以平衡密钥分发速率与密钥不一致率这两大关键指标之间的矛盾;通过基于分布式信源编码的密钥协商技术,可消除合法双方间不一致的密钥比特;最后,通过私密增强技术增强密钥的安全性及随机性。所提出的密钥后处理协议为光网络物理层的密钥分发提供了解决方案。综上所述,本文在密钥分发机理方面,提出并验证了光物理层中基于光特征参数的两种密钥分发方案,包括基于光偏振模相位差波动和光偏振态波动的密钥分发。在提升密钥速率方面,通过采用高速扰偏仪,大幅提高了密钥分发速率,为高速光保密传输中实现“一次一密”迈进了一大步。在密钥综合性能方面,提出并分析了光物理层中的完整密钥后处理协议,为密钥的全面指标提升提供了解决方案。
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