光网络安全中基于交叉波段开关调制全光加密 EI 2009

1、 光网络安全中基于交叉波段开关调制的全光加密 2009 5月1日 先编码后加密（异或波长转换和一次性密加密）用交叉波段开关调制的光码分多址系统中全光加密被实验性的展示出来。该方案探索了在35cm的高非线性三氧化二铋纤维中为了实现明文和密码的异或操作的双缸泵四波混频。被加密数据的比特位0和1被不同的波段表示。不像开关键控的加密方法，这种方法中的加密数据比特0和1有相同的能量强度。因此没有明文或密文的标签会被观察到。加密在信息安全中很重要,因为它增强了数据网络的机密性。没有加密密钥的话,数据内容不能被恢复。由于在一些网络中数据速率的增长,使用电的方法提供具有低延迟的实时信号处理来增强网络的安全性是

2、有挑战性的。因为光的固有的速度和并行性，光信号处理是为安全提供实时信号处理的好的选择。不像电学，在加密过程中光加密没有电磁标签。因此，窃听者不能通过窃听设备中检测电磁标签来获取信息。在光方面增强网络的安全性的几种方法被提出来。在这封信中,我们在35厘米高度非线性铋氧化物纤维(Bi-NLF)中利用双缸泵四波混频(pwm)来展示基于交叉波段开关调制的光学加密。不像开关键控，两个特定的交叉波段被用来代表加密信号的比特0和1。使用交叉波段开关调制不需要比特0和1之间的能量强度变化。因此，加密数据不会显示密文或者明文的任何标签。Bi-NLF的较短的长度确保了我们的方案是紧凑的和低延迟的。该方案实际上给窃

3、听者提供了增加的有效的密码长度，通过控制泵浦波长提供了抗干扰能力。光学加密系统包括在发射机的加密和接收机的解密。数据和密码都保存在一个关键的受信任的窃听者不能访问的区域。在这个方案中，我们主要专注于发射端的加密原理。我们的加密原理是基于Bi-NLF中的FWM来获得数据和密码之间的异或，来按位对数据加密。加密是通过利用四波混频的极性敏感特点来实现的。如果两个输入信号有相同的极性，四波混频是最强的；而如果两输入信号是正交极化的，那么最小的FWM会发生。通过调节数据和密码的极性，异或操作在Bi-NLF中通过FWM被实现。为了通过交叉波段开关调制获得光学加密，两个正交的极性加密密码KEY和KEY#被用

4、来作为FWM的两个泵浦，数据作为探测光。KEY和KEY#是相同的，但是极性表示是正交的。因此，数据和KEY作为输入，在输出端获得异或输出。NXOR的输出从DATA和KEY#的FWM获得。为了获得交叉波段开关调制，KEY和KEY#被调整有一个小的波长差异，因此来自KEY和KEY#的交互导致的FWM输出结果幽灵似的交差。通过在FWM中提取最新产生的波长，加密输出被获得。实验设置的加密原理如图示1。数据用一个极性调制器（POLM）调制到一个OCMA序列中。一个相位调制器通过发射与调制器波导的轴成45度的输入光用作极性调制器。一个2D的跳频扩时光CDMA系统被使用。光CDMA序列是通过切片一个超连续光

5、源对编码器产生输出。为了产生正交光加密密码，两个连续光和被结合，发射到被电加密密码驱动的第二个极性调制器中。为了提供安全性，一个一次性密被用来加密。加密密码和数据在3dB的耦合器中结合，被一个饵光纤放大器放大。结合后的信号被发射到一个波长在1550nm中非线性系数为1100W-1KM-1dd的35cmBi-NLF中。一个4nm的光带通滤波器被用来从FWM输出中阻止密码和原始光信号以便获得加密信号。加密信号会包含不希望的以通过一个光偏振器除去的极化信息。在接收端，加密波长在偏振分集环中用FWM被反转为原来的和解码器相匹配的光CDMA波长。光CDMA序列是由四个波长为1550.6,1551.6,1

6、552.4,1553.4nm的波长建立的。两个加密密钥波长为 1547.9 nm和 1547.6 nm被正交的极化调制。两个数据模型01011001和00101011是用于数据和密码来验证加密过程。为了测量极性调制信号，偏振镜被用来解调。图3(a)和图3(b)显示两种解调光密码的时间波形。清楚地看到这两个密码是不相关的正交调制。图3(c)是解调的光纤CDMA信号。比特0的残余强度是来自于不完美的偏振调制。通过发射放大的密码和数据到BI-NLF中，产生FWM，8个波长被产生。数据和密码的异或输出是被产生的波长中的4个所表示如图4（a），异或非的输出被另四个波长所表示，相应的波长被标签。通过滤出8

7、个新建的波长，加密信号被获得如图4（b）。8个波长不是清晰的被分开，因为原始光信号的波长间隔不是均匀的。为了清晰的识别出每个波段，两个正交密码轮流被关闭，结果的光谱如图4(c)和4（d）所示。相应的XOR和NXOR加密操作的时间波形在5（a）和5（b）中被清楚的看到。两个正交的密码都打开时，加密信号的时域图如图5（c）所示，交叉波带开关调制被获得。两个交叉波段的幅度被设为略微不同来允许验证FWM过程的加密逻辑。加密信号中的噪声是来自于信号和正交极性信号与密码FWM的信号和密码的波长对齐。加密信号没显示任何的输入明文和密文的标签。窃听者可以试着通过滤除加密信号中的一个波长来获取密文。然而，因为能

8、量被多波长分享，信噪比被降低，正确分析密文变得比较困难。在接收端，加密信号需要转换为原来的波长以便进行解码。一个的连续波泵浦用作从FWM中反转波长。极性多环被用于FWM来确保极性免疫操作。被反转的信号被传到光CDMA解码器中。解码信号01110010被获得如图5（d）所示。新产生的波长和到自动被解码器滤除。解码信号的光谱如图4(e)所示。为了存储原来的明文，一个标准的异或解密用加密密码来执行。用交错波带开关调制的全光加密被实验性的展示出来。光加密在35cm的BI-NLF中使用双泵浦FWM来实现正交的加密密码和数据的异或以便产生两个交叉波带。使用两个交叉波带来代表加密信号的0和1，之间没有能量强

9、度的差别。因此，加密信号不能通过键控信号的时域波形来被分析。由于交叉波带的使用，代表CDMA信号的波长的数量加倍。因此对窃听者来说有效的密码长度增加，信号的保密性提高。值得注意加密信号的波长可以通过控制加密密码的波长来改变。BI-NLF的宽的转换带宽提供了通过改变加密信号波长的抗干扰能力。展示的原理提供了一个紧凑的，低延迟的，高速的方法来增加网络安全性。题目：All-optical encryptiong based on interleaved waveband switching modulation for optical network security作者：Mable.Fork an

10、d Raul R.Prucnal时间：2009年4月20来源：EI Village 光网络安全中基于交叉波段开关调制的全光加密一、克服的缺点克服能量检测的窃取方式：被加密数据的比特位0和1被不同的交叉波段表示。不像开关键控的加密方法，这种方法中的加密数据比特0和1有相同的能量强度，加密数据不会显示密文或者明文的任何标签。选择光加密克服电加密的速度和辐射缺点：使用电的方法提供具有低延迟的实时信号处理来增强网络的安全性是有挑战性的，因为光的固有的速度和并行性，光信号处理是为安全提供实时信号处理的好的选择。不像电学，在加密过程中光加密没有电磁标签，对方不能检测电磁辐射来窃取信息。结构紧凑和低延迟,克

11、服使用不便的缺点：Bi-NLF的较短的长度确保了我们的方案是紧凑的和低延迟的。二、基本原理方案的实质（使用的根本原理）：该方案实际上给窃听者提供了增加的有效的密码长度（如下图，波长转换中通过FWM增加了四个波长，所以称为增加了密码长度），通过控制泵浦波长提供了抗干扰能力。本方案实际上是对数据进行异或，所以其实时域密码并没有加长，只是在频域多了些新频率，实现交叉调制，克服了能量检测窃听。需要有绝对安全的区域：数据和密码都保存在一个关键的受信任的窃听者不能访问的区域异或基本原理：我们的加密原理是基于Bi-NLF中的FWM来获得数据和密码之间的异或，来按位对数据加密。加密是通过利用四波混频的极性敏感

12、特点来实现的。如果两个输入信号有相同的极性，四波混频是最强的；而如果两输入信号是正交极化的，那么最小的FWM会发生。通过调节数据和密码的极性，异或操作在Bi-NLF中通过FWM被实现。 交叉波段开关调制实现：两个正交的极性加密密码KEY和KEY#被用来作为FWM的两个泵浦，数据作为探测光。KEY和KEY#是相同的，但是极性表示是正交的。因此，数据和KEY作为输入，在输出端获得异或输出。NXOR的输出从DATA和KEY#的FWM获得。为了获得交叉波段开关调制，KEY和KEY#被调整有一个小的波长差异，因此来自KEY和KEY#的交互导致的FWM输出结果幽灵似的交差。三、实验装置：编码序列： 一个2

13、D的跳频扩时光CDMA系统被使用。光CDMA序列是通过切片一个超连续光源对编码器产生输出。密码序列： 为了产生正交光加密密码，两个连续光和被结合，发射到被电加密密码驱动的第二个极性调制器中。 为了提供安全性，一个一次性密被用来加密。双泵浦FWM： 加密密码和数据在3dB的耦合器中结合，被一个饵光纤放大器放大。结合后的信号被发射到一个波长在1550nm中非线性系数为1100W-1KM-1dd的35cmBi-NLF中。波长恢复：加密波长在偏振分集环中用FWM被反转为原来的和解码器相匹配的光CDMA波长。 波形图：1）、通过发射放大的密码和数据到BI-NLF中，产生FWM，8个波长被产生。数据和密码

14、的异或输出是被产生的波长中的4个所表示如图4（a），异或非的输出被另四个波长所表示；2）、两个正交密码轮流被关闭，结果的光谱如图4(c)和4（d）所示；3）、两个正交的密码都打开时，加密信号的时域图如图5（c）所示，交叉波带开关调制被获得；保密性：1）、波长增加 加密信号没显示任何的输入明文和密文的标签。窃听者可以试着通过滤除加密信号中的一个波长来获取密文。然而，因为能量被多波长分享，信噪比被降低，正确分析密文变得比较困难。由于交叉波带的使用，代表CDMA信号的波长的数量加倍。因此对窃听者来说有效的密码长度增加，信号的保密性提高。2） 、波长可调 值得注意加密信号的波长可以通过控制加密密码的波长来改变。BI-NLF的宽的转换带宽提供了通过改变加密信号波长的抗干扰能力。4、 优缺点优点：1、由于交叉波带的使用，