本發(fā)明涉及光傳輸安全通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種信道復(fù)用的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

隨著互聯(lián)網(wǎng)的大范圍普及，人類之間的信息傳遞達到了前所未有的數(shù)量和頻率，各種隱私信息越來越多地暴露在互聯(lián)網(wǎng)上，因此，人類對保密通信的需求也到了前所未有的高度?，F(xiàn)在的互聯(lián)網(wǎng)信息安全的加密方式稱為“公開密鑰”密碼體系，其原理是通過加密算法，生成網(wǎng)絡(luò)上傳播的公開密鑰，以及留在計算機內(nèi)部的私人密鑰，兩個密鑰必須配合使用才能實現(xiàn)完整的加密和解密過程。

現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)使用的加密標準是20世紀70年代誕生的rsa算法，即利用大數(shù)的質(zhì)因子分解難以計算來保證密鑰的安全性。

量子密鑰分配是1984年物理學(xué)家bennett和密碼學(xué)家brassard提出了基于量子力學(xué)測量原理的bb84協(xié)議，量子密鑰分配可以從根本上保證了密鑰的安全性。

如圖1所示，現(xiàn)有技術(shù)中量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)在發(fā)送端與接收端一般包括三個傳輸通道：

同步信道，用于傳輸同步光脈沖序列；

信號信道，用于傳輸單光子脈沖序列；

經(jīng)典信道，用于身份認證、量子密鑰后處理中的對基、糾錯、保密放大等算法的信息傳輸使用。多條信道分別傳輸也在一定程度上增加系統(tǒng)的運營成本。

同步信道和信號信道可以通過波分復(fù)用的方法在一根光纖中傳輸，如圖2所示，采用波分復(fù)用方式需要使用波分復(fù)用器，進一步增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度以及提高了生產(chǎn)成本。

經(jīng)典信道一般通過公網(wǎng)傳輸，如以太網(wǎng)、城域網(wǎng)等，而公網(wǎng)無法保證高度的可靠性，信號傳輸過程中會出現(xiàn)丟失而需要重傳等問題，并且信號傳輸?shù)难訒r也不確定，造成量子密鑰處理的速率下降，影響系統(tǒng)的性能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于提供一種信道復(fù)用的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)及方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的發(fā)送端與接收端通過多條信道分別傳輸在一定程度上增加系統(tǒng)的運營成本，以及量子密鑰處理的速率下降，系統(tǒng)性能不佳的技術(shù)性缺陷。

本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的：

一種信道復(fù)用的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，包括發(fā)送端與接收端，所述發(fā)送端包括信號激光器、發(fā)送端以太網(wǎng)模塊、8b/10b編碼模塊、串行器以及發(fā)送端sfp光模塊，所述接收端對應(yīng)的設(shè)置有單光子探測器、接收端sfp光模塊、8b/10b解碼模塊、解串器以及接收端以太網(wǎng)模塊，所述發(fā)送端以太網(wǎng)模塊、8b/10b編碼模塊、串行器以及發(fā)送端sfp光模塊依次連接，所述接收端sfp光模塊、8b/10b解碼模塊、解串器以及接收端以太網(wǎng)模塊依次連接，所述發(fā)送端sfp光模塊通過光纖與接收端sfp光模塊連接，所述信號激光器通過光纖與單光子探測器連接。

優(yōu)選地，所述發(fā)送端sfp光模塊與信號激光器采用同一光纖分別對應(yīng)連接接收端sfp光模塊與單光子探測器。

優(yōu)選地，所述光纖的發(fā)送端設(shè)置有波分復(fù)用器，光纖的接收端設(shè)置有解波分復(fù)用器。

優(yōu)選地，所述光纖的發(fā)送端設(shè)置有時分復(fù)用模塊，光纖的接收端設(shè)置有解時分復(fù)用模塊。

本發(fā)明還公開了一種信道復(fù)用的量子密鑰分發(fā)方法，包括以下步驟：

1)認證數(shù)據(jù)打包：接收端與發(fā)送端的傳輸協(xié)議采用標準以太網(wǎng)協(xié)議，發(fā)送端的身份認證、對基、糾錯、保密放大的認證數(shù)據(jù)信息通過以太網(wǎng)模塊打包成以太網(wǎng)包，送至8b/10b編碼模塊；

2)同步時鐘嵌入認證數(shù)據(jù)：將以太網(wǎng)包內(nèi)的認證數(shù)據(jù)采用8b/10b編碼模塊進行編碼，編碼后將同步時鐘信息內(nèi)嵌至認證信息中；

3)信息傳輸方式轉(zhuǎn)換：內(nèi)嵌有同步時鐘信息的認證數(shù)據(jù)信息通過串行器由并行的低速信號轉(zhuǎn)換為高速的串行信號；

4)信號傳輸：高速的串行信號通過發(fā)送端sfp光模塊由電信號轉(zhuǎn)換為光信號通過光纖傳輸至接收端sfp光模塊，同時信號激光器發(fā)射信號光經(jīng)過光纖傳輸至接收端的單光子探測器進行探測；

5)同步時鐘恢復(fù)：接收端sfp光模塊中的時鐘恢復(fù)單元從內(nèi)嵌有同步時鐘信息的認證數(shù)據(jù)信息中恢復(fù)出嵌入的同步時鐘信息，同時該同步時鐘信息傳輸中單光子探測器用于單光子探測；

6)接收端的8b/10b解碼模塊解碼：接收端的8b/10b解碼模塊對認證數(shù)據(jù)進行解碼；

7)接收端以太網(wǎng)模塊拆包：接收端以太網(wǎng)模塊通過拆以太網(wǎng)包接收相應(yīng)的身份認證、量子密鑰后處理中的對基、糾錯、保密放大的認證信息。

優(yōu)選地，所述內(nèi)嵌有同步時鐘信息的認證數(shù)據(jù)與信號光通過波分復(fù)用的方式由發(fā)送端傳輸至接收端。

優(yōu)選地，所述內(nèi)嵌有同步時鐘信息的認證數(shù)據(jù)與信號光通過時分復(fù)用的方式由發(fā)送端傳輸至接收端。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有以下有益效果：

本發(fā)明的信道復(fù)用的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)及方法，通過將同步時鐘信號嵌入經(jīng)過8b/10b編碼后的認證信息中，并采用光纖從系統(tǒng)的發(fā)送端傳輸至接收端，摒棄了經(jīng)典信道的使用，另外，通過波分復(fù)用或是時分復(fù)用的方式該光纖也可同時傳輸信號光脈沖，即：同步時鐘信號內(nèi)嵌到經(jīng)典光通信數(shù)據(jù)里面，而經(jīng)典光通信和信號光采用時分復(fù)用或是波分復(fù)用的方式傳輸。身份認證、量子密鑰后處理中的對基、糾錯、保密放大等認證信息在專用的光纖中進行傳輸?shù)脑?，不僅降低了系統(tǒng)運營的成本，量子密鑰生成速率也能得到了保證。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)中的一種量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)原理圖；

圖2為現(xiàn)有技術(shù)中的量子密鑰分發(fā)基于波分復(fù)用的原理圖；

圖3為本發(fā)明信道復(fù)用的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的原理框圖；

圖4為本發(fā)明信道復(fù)用的量子密鑰分發(fā)方法的流程圖；

圖5為本發(fā)明基于時分復(fù)用的信號序列時序圖。

圖中：發(fā)送端100、信號激光器101、發(fā)送端以太網(wǎng)模塊102、8b/10b編碼模塊103、串行器104、發(fā)送端sfp光模塊105、時分復(fù)用模塊106、接收端200、單光子探測器201、接收端sfp光模塊202、8b/10b解碼模塊203、解串器204、接收端以太網(wǎng)模塊205、解時分復(fù)用模塊206、光纖300。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明進行清楚、完整地描述。

如圖3所示，一種信道復(fù)用的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，包括發(fā)送端100與接收端200，所述發(fā)送端100包括信號激光器101、發(fā)送端以太網(wǎng)模塊102、8b/10b編碼模塊103、串行器104以及發(fā)送端sfp光模塊105，所述接收端200對應(yīng)的設(shè)置有單光子探測器201、接收端sfp光模塊202、8b/10b解碼模塊203、解串器204以及接收端以太網(wǎng)模塊205，所述發(fā)送端以太網(wǎng)模塊102、8b/10b編碼模塊103、串行器104以及發(fā)送端sfp光模105塊依次連接，所述接收端sfp光模塊202、8b/10b解碼模塊203、解串器204以及接收端以太網(wǎng)模塊205依次連接，所述發(fā)送端sfp光模塊105通過光纖300與接收端sfp光模塊202連接，所述信號激光器101通過光纖300與單光子探測器201連接。所述發(fā)送端sfp光模塊105與信號激光器101采用同一光纖300分別對應(yīng)連接接收端sfp光模塊202與單光子探測器201，即將原有的三個信道復(fù)用成一道信道。所述光纖300的發(fā)送端100設(shè)置有波分復(fù)用器，光纖300的接收端200設(shè)置有解波分復(fù)用器，采用波分復(fù)用器與解波分復(fù)用器將兩路光信號復(fù)用，可保證光信號偏振的穩(wěn)定性。另一種方式中，所述光纖300的發(fā)送端100設(shè)置有時分復(fù)用模塊106，光纖300的接收端200設(shè)置有解時分復(fù)用模塊206，所述時分復(fù)用模塊106僅僅是將不同信號光分時傳輸至接收端200，本發(fā)明的以太網(wǎng)模塊，8b/10b編解碼模塊，串行器/解串器模塊可采用fpga實現(xiàn)，本發(fā)明中采用的8b/10b編碼是高速串行通信中的一種編碼方式，其目的就是通過將一個8bit寬度的數(shù)據(jù)經(jīng)過映射機制轉(zhuǎn)化為10bit寬度的字符，來平衡位流中0與1的個數(shù)，8b/10b編碼方式可以在數(shù)據(jù)線上傳送相等數(shù)目的0和1，從而減少碼間干擾，并提供足夠多的數(shù)據(jù)邊沿，把時鐘信息內(nèi)嵌在數(shù)據(jù)中，如圖5所示，經(jīng)過8b/10b編碼后數(shù)據(jù)為1010001011和單光子在光纖傳輸中的時序情況，其中圓點代表信號光單光子，信號光之間為嵌入同步時鐘信號的認證信息信號。

如圖4所示，本發(fā)明還公開了一種信道復(fù)用的量子密鑰分發(fā)方法，包括以下步驟：

1)認證數(shù)據(jù)打包：接收端與發(fā)送端的傳輸協(xié)議采用標準以太網(wǎng)協(xié)議，發(fā)送端的身份認證、對基、糾錯、保密放大的認證數(shù)據(jù)信息通過以太網(wǎng)模塊打包成以太網(wǎng)包，送至8b/10b編碼模塊；

2)同步時鐘嵌入認證數(shù)據(jù)：將以太網(wǎng)包內(nèi)的認證數(shù)據(jù)采用8b/10b編碼模塊進行編碼，編碼后將同步時鐘信息內(nèi)嵌至認證信息中；

3)信息傳輸方式轉(zhuǎn)換：內(nèi)嵌有同步時鐘信息的認證數(shù)據(jù)信息通過串行器由并行的低速信號轉(zhuǎn)換為高速的串行信號；

4)信號傳輸：高速的串行信號通過發(fā)送端sfp光模塊由電信號轉(zhuǎn)換為光信號通過光纖傳輸至接收端sfp光模塊，同時信號激光器發(fā)射信號光經(jīng)過光纖傳輸至接收端的單光子探測器進行探測；

5)同步時鐘恢復(fù)：接收端sfp光模塊中的時鐘恢復(fù)單元從內(nèi)嵌有同步時鐘信息的認證數(shù)據(jù)信息中恢復(fù)出嵌入的同步時鐘信息，接收端sfp光模塊根據(jù)數(shù)據(jù)中足夠多的數(shù)據(jù)邊中恢復(fù)出嵌入的時鐘，即從數(shù)據(jù)信號的交換中獲取時鐘；同時該同步時鐘信息傳輸中單光子探測器用于單光子探測；

6)接收端的8b/10b解碼模塊解碼：接收端的8b/10b解碼模塊對認證數(shù)據(jù)進行解碼，其中接收端8b/10b解碼是發(fā)送端8b/10b編碼的逆過程；

7)接收端以太網(wǎng)模塊拆包：接收端以太網(wǎng)模塊通過拆以太網(wǎng)包接收相應(yīng)的身份認證、量子密鑰后處理中的對基、糾錯、保密放大的認證信息。

所述內(nèi)嵌有同步時鐘信息的認證數(shù)據(jù)與信號光通過波分復(fù)用的方式由發(fā)送端傳輸至接收端。

所述內(nèi)嵌有同步時鐘信息的認證數(shù)據(jù)與信號光通過時分復(fù)用的方式由發(fā)送端傳輸至接收端。

綜合本發(fā)明的結(jié)構(gòu)與實現(xiàn)方法可知，本發(fā)明的信道復(fù)用的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)及方法，通過將同步時鐘信號嵌入經(jīng)過8b/10b編碼后的認證信息中，并采用光纖從系統(tǒng)的發(fā)送端傳輸至接收端，摒棄了經(jīng)典信道的使用，另外，通過波分復(fù)用或是時分復(fù)用的方式該光纖也可同時傳輸信號光脈沖，即：同步時鐘信號內(nèi)嵌到經(jīng)典光通信數(shù)據(jù)里面，而經(jīng)典光通信和信號光采用時分復(fù)用或是波分復(fù)用的方式傳輸。身份認證、量子密鑰后處理中的對基、糾錯、保密放大等認證信息在專用的光纖中進行傳輸?shù)脑挘粌H降低了系統(tǒng)運營的成本，量子密鑰生成速率也能得到了保證。