动态光接入网物理层加密方法研究

摘要

近年来，互联网技术发展迅速，包括人工智能、大数据、云技术、物联网等各种新技术不断出现。与此同时，近年来针对互联网的安全事件愈演愈烈，事件造成的损失和恶劣影响也越来越大，因而人们对互联网安全也越来越重视。光接入网作为互联网的重要组成部分，是整个网络通向用户的“最后一公里”。但是由于光接入网在下行方向采用广播的方式以及其部分光学器件存在安全隐患导致光接入网存在窃听和干扰等安全性问题。因而增强光接入网的安全性可以有效地增强整个网络的安全性。目前已经有多种增强光接入网安全性的方法，比如光加密、光编码、光隐写术、量子密钥分配、上层加密、混沌激光保密通信和物理层加密等。其中物理层加密由于具有加密方式灵活、可对多种数据进行操作、可保护所有数据、实施复杂度低等优势受到了越来越多的关注。另外，数字滤波器多址接入无源光网络（Digital Filter Multiple Access-Passive Optical Network, DFMA-PON）由于具有完全支持软件定义网络（software-defined networking，SDN）技术、对目前存在的PON具有很好的兼容性、对传输技术和网络拓扑具有良好的透明性、成本较低和带宽分配简单等优点而被认为是具有巨大潜力的下一代光接入网技术。所以本论文主要是研究基于物理层加密的DFMA-PON。本论文的主要创新工作如下： 1. 本论文首先利用MATLAB和光学仿真软件VPI针对DFMA-PON中数字滤波器对相位的失配值（容忍度）进行研究。仿真结果表明，在B2B和25 km两种情况下，对应的数字滤波器具有几乎相同的相位容忍度，而不同中心频率的同相滤波器和正交相滤波器的相位容忍度不同但均在0.2 rad附近。而对某一特定数字滤波器，不同光纤传输长度（不超过25 km）和滤波器长度对数字滤波器的相位容忍度几乎没有影响。 2.基于数字滤波器对相位的容忍度提出了混沌相位扰乱（phase masking, PM）加密和基于混沌PM的异或-相位扰乱（exclusive OR-PM, XOR-PM）加密两个物理层安全技术方案。其中混沌 PM 加密最大的特点是所有数字滤波器均引入利用混沌系统得到的随机相位，滤波时不断更新数字滤波器的相位。而XOR-PM加密是在混沌PM加密的基础上，首先对原始的比特数据进行异或加密，这样就可以实现二维加密。并利用MATLAB和VPI对混沌PM加密和XOR-PM加密分别进行了仿真验证，仿真结果表明这两个方案均可以有效的增强DFMA-PON的物理层安全性。与混沌PM加密相比，XOR-PM加密具有更好的安全性。 3. 提出了两种基于帧交织的物理层安全技术方案，即时域频域扰乱与 PM 加密（Time and Frequency Scrambling-PM, TFS-PM）和基于约瑟夫环的帧交织与PM加密（Josephus FrameInterleaving-PM, JFI-PM）。同混沌PM加密相比，TFS-PM加密具有更高的安全性，这主要是由于 TFS-PM 加密在加密中对数据帧进行了时域频域扰乱，但是由于 TFS-PM 加密对数据帧的时域频域扰乱是基于扰乱矩阵进行的，扰乱矩阵的生成具有较高的复杂度，因而TFS-PM加密的加密复杂度较高。而JFI-PM 加密在进行数据帧的交织时不需要扰乱矩阵而是直接进行扰乱，因而同TFS-PM加密相比，其具有相对较低的加密复杂度。针对TFS-PM加密进行了实验验证，实验结果表明TFS-PM加密可以有效的增强DFMA-PON的物理层安全性。针对 JFI-PM 加密进行了仿真验证，仿真结果表明 JFI-PM 加密可以有效的增强DFMA-PON的物理层安全性。

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