基于动态同步物理随机源的高速安全密钥分配系统研究

As the rapid development of communication networks, the information security has been attracting more and more attention. For this reason, the encryption communication based on the key technology of secure key distribution becomes a world-wide concerned hot topic. According to the national urgent development of cyberspace security strategy, this project aims at the implementation of high-speed and high-security key distribution system. By combining the technologies of synchronization of chaotic physical random resources, high speed physical random number generator, and secure key distribution, the project focuses on the study of the theory and key technologies of high speed secure key distribution system based on the dynamic synchronization of physical random resources. In this project, to enhance the rate of key, several crucial scientific issues, including the enhancement of efficient bandwidth and complexity of the hyperchaos physical random resources, physical random number generator with high speed and good randomness, key extraction schemes with high efficiency and strong robustness are studied thoroughly. Moreover, to enhance the security of key distribution, the establishment of dynamic private synchronization between the broad-band physical random resources, high-security key distribution protocols, and the systematic security evaluation are studied. This project is expected to greatly enhance the key generation rate and the security of key distribution system, which can introduce a new method for the implementation of high-speed physical encryption communication systems, and also promote the progress of the national strategy of the development of cyberspace security.

随着通信网络的迅猛发展，信息安全性越来越受到人们的重视，以安全密钥分配为核心的信息加密技术成为了目前全世界共同关注的前沿科学问题。本项目面向国家发展网络空间安全战略的重大需求，以实现高速高安全性的密钥分配系统为目标，创新性地将混沌物理随机源同步、高速物理随机数产生、安全密钥分配进行有机融合，开展基于动态同步物理随机源的高速安全密钥分配理论和关键技术研究。围绕提高密钥分配速率，研究超混沌激光物理随机源的有效带宽和复杂度增强、高速强随机性物理随机数发生器、高效强鲁棒性密钥提取方法等关键科学问题；围绕密钥分配系统安全性，开展宽带物理随机源动态私密同步建立、高安全性的密钥分配协议、以及密钥分配系统安全性评价体系等关键科学问题的研究。本项目属密钥分配领域的创新研究，研究成果有望显著提高密钥分配系统的密钥速率和安全性，为实现高速物理加密通信开辟新的思路，促进我国发展网络空间安全战略的实施。

密钥分发是数字保密通信的核心技术，也是决定保密通信系统的信息安全性的关键。本课题从激光混沌技术入手，围绕解决光通信系统物理层高速安全密钥分发这一科学问题，开展了宽带复杂混沌熵源产生、分布式动态私密混沌同步密钥分发、以及动态私密混沌同步在高速保密光纤传输中的应用等关键技术问题展开研究。主要研究成果包括：(1) 首次提出基于光域扩频结合非线性滤波的宽带复杂混沌光产生方法，并设计了多种实施方案，实验(仿真)实现了带宽达30GHz (大于100GHz)的平坦谱类噪声分布的宽带混沌信号，突破了传统外腔半导体激光器产生混沌信号在带宽和复杂度方面的瓶颈；(2) 采用垂直腔面发射激光器(VCSEL)作为混沌熵源，利用VCSEL的动态偏振混沌同步特性，既实现了密钥熵源随机性的优化，又获得了私密同步特性，在此基础上实现了Gbit/s量级的安全密钥分发；(3) 面向高速“一次一密”光通信场景，进一步提出了基于同步混沌随机调控的时钟停走迭代算法，在密钥一致性和随机性容忍范围内，将安全密钥分发速率提升至数10Gbit/s量级，可应用于现有高速光纤传输系统实现“一次一密”高速保密通信：(4) 创新性地将基于动态混沌同步的密钥分发机理应用于实现物理层抗截获光纤通信，提出了基于动态混沌谱相位加密、动态私密混沌相位扰动的高速物理层抗截获通信方法，实验(仿真)实现了50Gbit/s (100Gbit/s)量级的高速物理层保密通信，显著提升了通信系统物理层信息保密性；(5) 面向复杂通信网络应用场景，开展了复杂激光器网络的混沌同步和通信研究，在网络中引入局部对称注入簇同步机制，实现了基于簇混沌同步的半导体激光器网络混沌通信，对将传统点到点混沌通信拓展至网络混沌通信；此外，课题组还首次提出了基于光注入滤波光反馈半导体激光器的窄线宽光生微波产生方法，大大降低了光学产生微波信号的线宽，提升了光生微波的单频特性。本课题研究成果在高速安全密钥分发、高速“一次一密”保密通信、高速随机数物理熵源制备、微波通信/以及全光混沌保密通信等领域有重要应用前景。