基于混沌同步的安全密钥分发技术研究

摘要

随着信息通信技术的发展，信息保密性越来越受到人们的重视，保障和提升信息的系统安全性已经成为世界各国关心的重要战略问题。在保密通信系统中，安全有效地为通信双方分发共享密钥是保障信息安全性的关键，因此成为了保密通信领域的热点研究之一。现阶段，大部分的密钥分发主要基于确定性算法，这会使得产生的密钥具有伪随机性，而且随着高速计算机技术的发展，基于算法的密钥分发技术的安全性受到严峻挑战。另一方面，具有理论绝对安全的量子密钥分发技术，也因为密钥速率较低（目前仅为Mbps量级）、传输距离不宜太远、器件要求高等原因，面临诸多亟待解决的应用问题。因此，探索研究高安全性、高速率、易实现的密钥分发方法具有重要的理论和实际应用价值。 本文立足密钥分发的前沿研究态势，将激光混沌同步和物理随机数产生技术结合，开展了基于混沌同步的高速密钥分发方法研究，提出了密钥分发方案，并研究了各方案的可行性和性能。具体研究工作如下： 首先，介绍了半导体激光器的理论模型，研究了激光混沌同步的同步机理及同步条件，并构建了基于激光混沌半导体激光器的密钥分发理论模型。 其次，提出了两种基于交错停走算法和动态混沌同步的安全密钥分发方案。通过交换随机控制参数（一种方案是通过随机控制参数来动态改变注入强度，另一种方案则是通过随机控制参数来动态改变本地外腔半导体激光器的反馈延时），通信双方辨别出具有相同控制参数的时隙，在这些时隙中，通信双方本地混沌激光高度同步。基于此，通过对称后处理技术，通信双方能够独立地产生相同二进制序列，并将其作为种子密钥；然后通过迭代交错停走算法来扩展种子密钥的速率，最终实现高速率的密钥分发。仿真结果表明：通信双方能够实现高质量的动态混沌同步，并且能够实现速率远高于种子密钥的随机密钥分发，最终密钥的速率能够提高为种子密钥速率的21倍。在改进方案中，通过延时操作来改变迭代交错停走算法的控制序列，仿真结果表明，最终密钥的速率能够提高为种子密钥速率的98倍。 最后，提出了基于并联半导体激光器混沌同步系统的安全密钥分发方案，通过使用并联半导体激光器的结构实现混沌同步，然后通过对称后处理技术完成密钥分发。在该方案的基础上，提出了优化方案，基于相位调制并联半导体激光器系统的混沌安全密钥分发方案，即在外腔半导体激光器的外腔反馈中加入相位调制器。仿真结果表明：通信双方能够实现高质量的混沌同步，高速率的密钥分发。

目录

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缩略词表

第一章 绪论

1.1 论文的选题背景及研究意义

1.2 半导体激光器混沌同步系统研究现状

1.3 密钥分发研究现状

1.3.1 量子密钥分发研究现状

1.3.2 基于混沌的密钥分发研究现状

1.4 论文主要内容和安排

第二章 半导体激光器混沌系统的理论模型

2.1 半导体激光器的理论模型

2.2 基于半导体激光器的混沌同步系统理论模型

2.2.1 单向注入半导体激光器的混沌同步原理

2.2.2 互注入半导体激光器的混沌同步原理

2.3 基于混沌同步的安全密钥分发系统的理论模型

2.4 本文采用的数值方法

2.4.1 Runge-Kutta算法

2.4.2 同步分析工具

2.5 本章小结

第三章 基于交错停走算法的高速混沌安全密钥分发系统

3.1 基于交错停走算法的高速混沌安全密钥分发系统模型

3.2.1 Alice端和Bob端的同步性能分析

3.2.2 密钥速率的扩展及随机性分析

3.3 基于交错停走算法的高速混沌安全密钥分发系统的优化

3.3.1 优化模型

3.3.2 仿真性能分析

3.3.3 改进方案

3.4 本章小结

第四章 基于并联半导体激光器系统的混沌安全密钥分发系统

4.1 基于并联半导体激光器系统的混沌安全密钥分发系统模型

4.2 基于并联半导体激光器系统的混沌安全密钥分发仿真性能分析

4.3.1 优化模型

4.3.2 仿真性能分析

4.3.3 改进方案

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 工作总结

5.2 未来展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果