Результат интеллектуальной деятельности: ВЫСОКОСКОРОСТНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ ЛИНИЯ, ЗАЩИЩЕННАЯ ОТ ПРОСЛУШИВАНИЯ КВАНТОВЫМ ШУМОМ

Область техники

Изобретение относится к области телекоммуникации, а именно к оптическим линиям связи повышенной секретности, работающим на предельно высоких скоростях передачи информации с использованием квантовых эффектов для защиты информации от возможного перехвата.

Предшествующий уровень техники

Менее полувека потребовалось на то, чтобы квантовая криптография прошла путь от идеи до воплощения в коммерческую систему квантового распределения ключей. Действующая аппаратура позволяет распределять ключи через квантовый канал на расстояние, превышающее 100 км. Основными потребителями систем квантовой криптографии в первую очередь выступают министерства обороны, министерства иностранных дел и крупные коммерческие объединения. На настоящий момент высокая стоимость квантовых систем распределения ключей ограничивает их массовое применение для организации конфиденциальной связи между небольшими и средними фирмами и частными лицами.

В линиях волоконно-оптической связи процесс обмена данными с использованием квантовой криптографии выполняется физическими средствами и основан на регистрации счетного числа фотонов. Регистрация счетного числа фотонов в волоконной линии происходит в присутствии собственного квантового шума - 1 фотон в секунду в полосе частот 1 Гц, на одну степень свободы - для поляризованного излучения в волокне. Регистрация фотонов лавинным фотодиодом в этом случае осуществляется на низких скоростях передачи порядка 1 Мбит/с. Считается, что делая упор на квантовые явления, можно спроектировать и создать такую систему связи, которая всегда может обнаруживать прослушивание. Это обеспечивается тем, что попытка измерения взаимосвязанных параметров в квантовой системе вносит в нее нарушения, разрушая исходные квантовые состояния фотонов, а значит, по уровню шума в канале легитимные пользователи могут распознать степень активности перехватчика.

Исследователи из Северо-западного университета (Эванстон, штат Иллинойс) продемонстрировали технологию, позволяющую передавать на небольшое расстояние шифрованное сообщение со скоростью 250 Мбит/с [1, 2]. Ученые предложили метод квантового кодирования самих данных, а не только одного ключа. В этой модели учитывается угол поляризации каждого переданного фотона, поэтому любая попытка декодировать сообщение приводит к такой зашумленности канала, что всякая расшифровка становится невозможной. Исследователи обещают, что уже модель следующего поколения сможет работать практически на магистральной скорости Интернета порядка 2,5 Гбит/с. По словам одного из разработчиков, профессора Према Кумара (Prem Kumar) ″еще никому не удавалось выполнять квантовое шифрование на таких скоростях″ (2003-2005 гг.). Ученые уже получили несколько патентов на свои разработки и сейчас работают вместе со своими промышленными партнерами Telcordia Technologies и BBN Technologies над дальнейшим усовершенствованием системы.

Известны способы передачи данных по оптическим линиям связи с использованием квантовой криптографии, например: US 20040109564 A1, HIGH-RATE QUANTUM KEY DISTRIBUTION SCHEME RELYING ON CONTINUOSLY PHASE AND AMPLITUDE-MODULATED COHERENT LIGH PULSES, Cerf et al., в котором для передачи секретной информации используют квантовый канал связи, а для обмена служебными данными используют открытый общедоступный канал связи. Однако скорость передачи квантового канала остается низкой, а тестовые испытания передачи секретного ключа была около 1,7 Мбит/с. Система уязвима для дешифровки информации при перехвате секретного ключа.

Существует система для передачи оптических данных с квантовым кодированием сигнала: US 2009268901 (Al), CONTINUOUS VARIABLE QUANTUM ENCRYPTION KEY DISTRIBUTION SYSTEM, Lodewyck et al., которая была предложена с целью обеспечить максимальную совместимость с уже имеющимися протяженными оптическими линиями связи. Однако поскольку линия связи протяженная, то для борьбы с квантовым шумом и прохождения по ней последовательности фотонных импульсов приходится увеличивать их число, т.е. мощность света из-за потерь в линии на принимающей стороне, точнее - увеличивать соотношение сигнал-шум (OSNR). Это приводит к тому, что в области передающего устройства, в линии имеется достаточно большой сигнал, чтобы часть его могла быть ответвлена для прослушивающего устройства. А значит потенциально возможен несанкционированный доступ к информации. Кроме того, задача подслушивающей стороны значительно облегчается, поскольку передача данных с использованием законов квантовой механики для счетного числа фотонов происходит на низких частотах.

Существуют оптические линии связи, обеспечивающие безошибочную передачу данных между двумя сторонами. Их цель безошибочно передать кодированную информацию, например: WO 2007035599 (А2), METHOD AND SYSTEM FOR CONTROL LOOP RESPONSE TIME OPTIMIZATION, Fedyakin et al. Для этого используют избыточное кодирование, FEC-кодирование (Forward Error Correction) и согласованную настройку оптического передатчика и приемника для уверенного безошибочного приема и FEC-декодирование сигнала. Уверенный прием данных создает благоприятные условия и для перехвата информации при несанкционированном подключении к волоконной линии связи. В такой линии связи возможен перехват данных.

Существует способ когерентной передачи данных OPTICAL ORTHOGONAL FREQUENCY DIVISION DEMULTIPLEXED COMMUNICATIONS WITH COHERENT DETECTION, US 20080159758 Al, Shpantzer et al., в котором используют когерентное детектирование сигнала на принимающей стороне. Когерентность в приеме данных означает, что в оптическом приемнике регистрируется не только амплитуда входного сигнала, но и фаза. Когерентный прием осуществляется за счет смешивания принимаемого сигнала с излучением дополнительного лазера, находящегося в приемнике. Этот лазер играет роль локального осциллятора. На фотоприемнике выделяются компоненты, пропорциональные квадрату модуля оптического поля принимаемого сигнала и локального осциллятора. Они разделяются электроникой. Информация о фазе содержится в интерференционном слагаемом, образуемым произведением полей сигнала и осциллятора. Для увеличения суммарной скорости передачи данных используют ортогонально поляризованный оптический сигнал, а для устойчивой передачи данных применяют метод коррекции ошибок. Уровень передаваемого оптического сигнала таким способом достаточно высок, чтобы обеспечить максимальную достоверность данных и при возникновении случайных потерь до 1 дБ система будет успешно функционировать и, следовательно, несанкционированное вмешательство в линию не будет замечено. Это и означает, что создаются благоприятные условия для уверенного приема данных как на принимающей стороне, так и для подслушивающей стороны. В этом и состоит главный недостаток предложенного способа.

Приведенные выше системы передачи данных работают в режиме счета отдельных фотонов и, как следствие, не могут работать со скоростями выше 1Гбит/с. Указанных выше недостатков лишена предлагаемая ниже волоконно-оптическая линия связи повышенной секретности за счет отказа от режима счета отдельных фотонов и настройки системы на максимальную частоту передачи данных до 100 Гбит/с и выше. При этом мощность передающего устройства выбирается минимальной, при которой мощность, приходящаяся на 1 бит информации соизмерима с уровнем квантового шума в линии в соответствующей скорости передачи полосе частот.

Описание изобретения

Цель настоящего изобретения - предложить высокоскоростную волоконно-оптическую линию связи повышенной устойчивости к прослушиванию, работающую на предельно низком уровне оптической мощности сигнала, соизмеримом с фоном квантовых шумов в волоконной линии, с защитой информации криптографическим алгоритмом шифрования, который удовлетворяет лавинному критерию (Термин введен Фейстелем [3]) при использовании избыточного кодирования и декодирования сигнала.

Оптическая система передачи данных показана на Фиг.1. Данные информационного пакета 1 поступают на вход кодирующего устройства 2 (криптосистемы), которая осуществляет шифрование (криптографическое преобразование данных на основе лавинного алгоритма и ключа). Далее вводится помехоустойчивое избыточное кодирование данных - так называемое FEC-кодирование (Forward Error Correction) с помощью FEC- кодирующего устройства 3. Затем сигнал передается в волоконную линию связи при помощи оптического передатчика 4, например, полупроводникового DFB лазерного диода, с узкой спектральной линией. Необходимая оптическая мощность устанавливается перестраиваемым оптическим аттенюатором 5 (VOA). На приемной стороне оптический сигнал, передаваемый по оптическому волокну 6, усиливается, например, эрбиевым волоконным усилителем 7 (EDFA). На выходе усилителя устанавливается узкополосный оптический фильтр 8, выделяющий спектр передаваемого сигнала и отсеивающий паразитную спонтанную суперлюминесценцию с выхода EDFA. После фильтра оптический сигнал регистрируется фотоприемным устройством 9 - фотоэлектронным преобразователем и поступает на вход FEC-декодирующего устройства 10. Далее данные дешифрируются на дешифрирующем устройстве 11, и на его выходе получаем восстановленный информационный сигнал 12.

Принцип работы

Повышенные секретные условия передачи кодированной информации обеспечиваются за счет выбора режима работы оптической системы вблизи уровня собственных квантовых шумов. Любое внешнее воздействие на оптический тракт с целью получения доступа к передаваемой информации приводит к ослаблению уровня мощности на входе оптического усилителя принимающей стороны, следовательно, ухудшается оптическое отношение сигнал/шум (OSNR) и возникают ошибки в принимаемых данных. При использовании шифрования с криптографическим алгоритмом, который удовлетворяет лавинному критерию, наличие хотя бы одной ошибки в информационном пакете делает невозможным его дешифрирование принимающей стороной. Следовательно, будет установлен вероятный факт постороннего вмешательства в секретную линию связи. С другой стороны, если уровень оптической мощности, ответвляемой злоумышленником мал на любом участке линии, то это действие:

1 - не приведет к прекращению передачи по основному тракту,

2 - ввиду малости уровня ответвленной мощности, ее будет абсолютно недостаточно для дешифровки сигнала злоумышленником.

Очевидно, что чем меньше оптические потери в линии, тем лучше она защищена от прослушивания и тем легче установить факт вмешательства по падению уровня сигнала на принимающей стороне.

Использование дополнительного FEC (EFEC) кодирования обусловлено по следующим причинам. Как показано на Фиг.2 [4], для скорости передачи 2,5 Гбит/с при одинаковом уровне ошибок (BER) EFEC-кодирование (Enhanced FEC) дает выигрыш примерно на 8,5 дБ по чувствительности приемника по сравнению с системой без избыточного кодирования (кривая 21 получена без избыточного кодирования, кривая 22 получена с избыточным EFEC-кодированием). Таким образом, за счет этого можно уменьшить оптическую мощность на приемнике, что повышает безопасность системы и делает ее секретной. Заметим, что зависимость BER от OSNR имеет большую крутизну в случае EFEC по сравнению с FEC. Это приводит к тому, что при очень небольшом уменьшении оптической мощности на приемнике (например, на 0,5 дБ в области OSNR=1,5 дБ) происходит резкое увеличение вероятности возникновения ошибок (с 10^-13 до 10^-4).

Настройка оптической мощности на входе оптического усилителя 7, Фиг.1, принимающей стороны осуществляется на передающей стороне за счет перестраиваемого оптического аттенюатора 5. Рабочая точка по оси OSNR выбирается вблизи значения 1,5 дБ, что гарантирует практически безошибочную работу системы в нормальном (без внешнего вмешательства) состоянии. Внешнее воздействие на тракт передачи, приводящее к дополнительным потерям -0,5 дБ OSNR сопровождается резким увеличением вероятности ошибок до 10^-8 (Фиг.2). Еще большие потери, -1.0 дБ OSNR, поднимают ошибки до уровня более чем 10^-3. Таким образом, система чрезвычайно чувствительна к внешнему вмешательству в оптическую линию, вызывающему дополнительные потери оптической мощности, и, следовательно, резкое возрастание некорректируемых системой резервирования ошибок. А потеря хотя бы одного бита передаваемого зашифрованного пакета при лавинном алгоритме кодирования влечет полную потерю секретных данных, что само по себе для принимающей стороны является сигналом о вмешательстве и об этом ставится в известность передающая сторона. Другими словами, принимающая сторона настроена на предельно низкий уровень сигнала - минимальный OSNR, при котором мощность полезного оптического сигнала соизмерима с оптическим шумом в линии и практически любые непредвиденные потери в линии связи приведут к потере данных и автоматическому прекращению секретной передачи данных до выяснения причины внешнего воздействия. Длина линии и запас уровня сигнала на приемнике выбираются из условия, чтобы потери в линии на участке от предполагаемого вмешательства до приемника были значительно меньше потерь в ответвленной линии прослушивания. Заметим, что ослабление на 1 дБ в оптическом тракте эквивалентно подключению к нему оптического ответвителя с коэффициентом деления 20/80% (80% - оптический тракт, 20% - прослушивающее устройство). Изменяя размер пакета данных, которые подвергаются криптографическому преобразованию, можно регулировать предельный уровень ошибок, при котором возможно восстановление данных. Например, при увеличении размера пакета от 1 Кбит до 1 Мбит критический BER пропорционально уменьшается от 10^-3 до 10^-6.

На Фиг.3 показана схема организации двунаправленной линии передачи, в которой передатчики и приемники выполнены по аналогии с системой, приведенной на Фиг.1.

При возникновении критического уровня ошибок передачи информации в одной из двух линий связи (Фиг.3) в направлении 31-32, при которых криптографическое восстановление данных невозможно из-за вмешательства ответвителя 34 для прослушивания устройством 37, в обратном направлении 31′-32′ по другой линии посылается соответствующий служебный сигнал, информирующий о срыве передачи. Передатчик 31 прекращает трансляцию данных и начинает передавать только служебный сигнал, необходимый для поиска причин возникновения ошибок.

Для увеличения скорости передачи данных оптическая линия может быть организована с использованием как частотного уплотнения каналов, так и с использованием ортогонально поляризованных оптических сигналов. Когерентный прием оптических сигналов позволяет минимизировать оптические шумы при детектировании сигнала на принимающей стороне, а следовательно, в сочетании с методом коррекции ошибок дает возможность уменьшить мощность передатчика до предельно возможной, соизмеримой с уровнем собственных оптических шумов поляризованного излучения в волокне:

~ 1 фотон/с в полосе частот 1 Гц - 1 с^-1·Гц^-1/2. Для передачи оптического сигнала на длине волны 1550 нм, это соответствует энергии 1 фотона 1,25·10^-19Дж. При скорости передачи 100 Гбит/с квантовая мощность шума составляет величину около 10 ^-8 Вт.

Достоинства

В отличие от существующих оптических систем квантовой криптографии предложенная модель может работать как на низких, так и на больших скоростях передачи вплоть до 100 Гбит/с и выше.

Система позволяет осуществлять контроль несанкционированного доступа по различным параметрам:

- Измерение уровня оптической мощности на выходе линии.

- Контроль уровня загрузки FEC (количество ошибок, исправляемых за счет избыточного кодирования).

- Контроль количества потерянных пакетов информации при криптографическом декодировании, ключ для расшифровки криптографического пакета может передаваться совместно с самим пакетом и меняться от пакета к пакету. В данном случае отпадает необходимость в дополнительном канале передачи ключа. Потеря любого бита как в ключе, так и в самом пакете приводит к невозможности восстановления передаваемой информации.

- При двунаправленной передаче возможно введение в сигнал специальных импульсов - меток времени для калибровки времени пролета участка связи. Приняв от отправителя пакет информации и метку времени, получатель возвращает ответ о получении и саму метку в сторону отправителя. Отправитель измеряет задержку по времени между отправлением и получением метки. Эта задержка фиксируется при вводе системы в эксплуатацию и при возникновении отклонения этого параметра прекращает передачу закрытой информации.

Канал передачи может осуществляться по любому оптическому волокну, как изотропному, так и анизотропному с использованием когерентного детектирования сигнала. Защиту и повышенную секретность линии обеспечивает на «физическом уровне» применение микроструктурного волокна, которое образует волноводный канал передачи оптического сигнала существенно основанный на квантомеханических принципах. Вмешательство в такой канал неминуемо приведет к значительным потерям оптической мощности. Использование микроструктурного волокна позволит оптимизировать условия прохождения излучения по волоконной линии, снизить потери и повысить ее защищенность от несанкционированного доступа.

Таким образом, в настоящем изобретении предлагаются:

1. Способ обмена шифрованными данными по двунаправленной волоконно-оптической линии связи с коррекцией ошибок и аттенюацией передаваемого в каждом направлении оптического сигнала и усиливаемого на принимающей стороне с последующей узкополосной фильтрацией, и характеризующийся тем, что:

- уровень принимаемой мощности оптического сигнала в линии связи контролируют и выбирают предельно низким, соизмеримым с уровнем оптических квантовых шумов на принимающей стороне и таким, при котором еще возможно восстановить потерянные биты информации при минимизации оптических потерь в оптической линии,

- ключ для дешифровки пакета битовых данных содержится в самом пакете и может изменяться от пакета к пакету,

- криптографический алгоритм, который удовлетворяет лавинному критерию, выбирают таким образом, чтобы при потере хотя бы одного любого бита из пакета данных дешифровка была невозможной,

- оптическая линия связи отличается повышенной устойчивостью к несанкционированному прослушиванию за счет передачи данных на предельно высокой скорости в сочетании с предельно низкой мощностью сигнала передающей стороны,

в котором:

- передачу шифрованных данных прекращают при падении уровня принимаемого после усиления сигнала на величину в пределах: от 0,2 дБ до 0,7 дБ по уровню OSNR;

- передачу шифрованных данных прекращают при превышении допустимого уровня корректируемых ошибок;

- передачу шифрованных данных прекращают при непредвиденном изменении времени пролета линии связи;

- передачу осуществляют по изотропному или анизотропному, или микроструктурному оптическому волокну, или их комбинации;

- скорость передачи выбирается максимально высокой вплоть до 100 Гбит/с и выше в линии протяженностью до 50 км;

- осуществляют когерентный прием оптического сигнала.

2. Волоконно-оптическая линия связи с шифрованием данных в двух направлениях с коррекцией ошибок, содержащая для каждого направления последовательно включенные оптические:

- передатчик с аттенюатором,

- принимающий оптический усилитель,

- фотоэлектронный преобразователь с входным узкополосным фильтром,

и характеризуемая тем, что повышенная секретность линии связи достигается в результате того, что:

- уровень принимаемой мощности оптического сигнала в линии связи контролируют и выбирают предельно низким, соизмеримым с уровнем собственных квантовых шумов и таким, при котором еще возможно восстановить потерянные биты информации,

- ключ для дешифровки пакета битовых данных содержится в самом пакете и может изменяться от пакета к пакету,

- криптографический алгоритм, который удовлетворяет лавинному критерию, выбирают таким образом, чтобы при потере хотя бы одного любого бита из пакета данных дешифровка была невозможной,

- оптическая линия отличается повышенной устойчивостью к несанкционированному прослушиванию за счет передачи данных на предельно высокой скорости в сочетании с предельно низкой мощностью сигнала передающей стороны,

в которой:

- передачу шифрованных данных прекращают при падении уровня сигнала на входе оптического приемника на величину в пределах: от 0,2 дБ до 0,7 дБ по уровню OSNR,

- передачу шифрованных данных прекращают при превышении допустимого уровня корректируемых ошибок,

- передачу шифрованных данных прекращают при непредвиденном изменении времени пролета линии связи,

- передачу осуществляют по изотропному или анизотропному, или микроструктурному оптическому волокну, или их комбинации,

- скорость передачи выбирают максимально высокой вплоть до 100 Гбит/с и выше в линии протяженностью до 50 км,

- фотоэлектронный преобразователь осуществляет когерентное преобразование оптического сигнала.

Краткое описание чертежей

Фиг.1. Схема передачи данных в оптической линии связи.

1 - передаваемые нешифрованные данные,

2 - устройство шифрования, шифратор (криптограф),

3 - устройство избыточного кодирования (FEC-кодирующее устройство),

4 - оптический передатчик (DFB лазерный диод),

5 - оптический аттенюатор (VOA),

6 - оптическое волокно одноволоконной линии связи,

7 - оптический усилитель,

8 - оптический узкополосный фильтр,

9 - фотоэлектронный преобразователь,

10 - устройство избыточного декодирования, FEC-декодер,

11 - устройство дешифрования, дешифратор,

12 - принятые дешифрованные данные.

Фиг.2. Зависимость уровня ошибок (BER) от оптического отношения сигнал/шум (OSNR).

21 - кривая уровня ошибок (BER) в отсутствии избыточного кодирования,

22 - кривая уровня ошибок (BER) при наличии избыточного кодирования, EFEC-кодирование (Enhanced FEC).

Фиг.3. Схема двунаправленной линии связи с ответвлением для прослушивания.

31, 31′ - передаваемые нешифрованные данные,

36, 36′ - оптическое волокно линии связи,

32, 32′ - принятые дешифрованные данные,

33, 33′ - передающее устройство,

34 - оптический ответвитель,

35, 35′ - принимающее устройство, фотоэлектронный преобразователь с входным узкополосным фильтром,

36 - оптическое волокно прослушивающего устройства,

37 - прослушивающее устройство.

Осуществление изобретения

Для осуществления изобретения может быть использовано стандартное 5 телекоммуникационное оборудование. В соответствии с Фиг.3 передающую систему настраивают на рабочую точку OSNR=l,5 дБ. Размер криптографического пакета выбирают 1 Мбит. Пороговый BER, при котором еще возможно восстановление зашифрованной информации на принимающей стороне, будет в данном случае 10^-6. Допустимое изменение OSNR, согласно Фиг.2, не должно 10 превышать 0,5 дБ. Это эквивалентно подключению к волокну линии оптического ответвителя 11/89 или же с меньшим коэффициентом ответвления. При подключении ответвителя для прослушивания с большим коэффициентом отвлетвления происходит потеря данных на принимающей стороне и передающая система прекращает передачу закрытой информации.

Оптическая мощность на ответвлении (Фиг.3) в направлении прослушивающего устройства (17) Р₁₇ будет в 89/11 ~ 8,1 раз, или на 9,1 дБ меньше, чем оптическая мощность в линии после ответвителя. Тогда получаем: Р₁₇<P₁₅+αL - 9,1, где P₁₅ - мощность на приемнике (35), α - коэффициент потерь волокна, стандартные потери волокна G.652: α = 0,2 дБ/км, L - длина линии от точки прослушивания до приемника (35). Предполагаем, что предельная чувствительность принимающей аппаратуры на прослушивающей линии такая же как и в секретной, т.е. мощностей Р₁₇ = P₁₅. Тогда получаем: L < 9,1/α ~ 45 км, становится невозможным несанкционированный отбор передаваемых данных в линии до 45 км. При необходимости проектирования защищенной линии большей длины она разбивается на несколько участков по 45 км с регенерацией передаваемых данных.

Промышленная применимость

Изобретение может быть использовано в волоконно-оптических линиях связи повышенной секретности протяженностью до 50 км для передачи кодированной информации с криптографическим алгоритмом, который удовлетворяет лавинному 5 критерию.

Литература

[1]. G.A.Barbosa, Е.Corndorf, P.Kumar and Н.P.Yuen ″Secure communicationusing mesoscopic coherent states″, Physical Review Letters, Vol.90, No. 22, 227901 (2003).

[2]. E.Corndorf, C.Liang, G.S.Kanter, P.Kumar and H.P.Yuen ″Quantum - noiserandomized data -encryption for WDM fiber -optic networks″, Physical Review A. 2005.

[3]. Horst Feistel, ″Cryptography and Computer Privacy.″ Scientific American, Vol.228, No. 5, 1973.

[4]. TELECOMMUNICATION STANDARDIZATION SECTOR OF ITU G.975.1 (02/2004) Forward error correction for high bit-rate DWDM submarine systems.