一种基于信道互易性和误码率估计的密钥分发系统及方法

本发明属于但不限于光学密钥分发，尤其涉及一种基于信道互易性和误码率估计的密钥分发系统及方法。

背景技术：

1、随着通信技术的进步和全球通信流量的不断增大，现代社会对信息传输安全性的需求也逐渐提高。密钥分发是实现安全传输的关键技术之一。传统密钥分发算法依赖计算复杂度保证安全性，由此也密钥分发速率受限，此外，传统密钥分发算法还面临量子计算机等新技术的发展的挑战。量子密钥分发提供了绝对安全性，但由于其分发速率受限以及器件成本较高，难以在通信网络中大规模部署。

2、物理层密钥分发通过物理随机源进行密钥分发，这类方法具有高密钥分发速率、部署成本相对可控的特点。其中，基于混沌同步的密钥分发通过耦合两个参数相近的混沌系统来完成，该方案利用了混沌信号大带宽的优势实现高速密钥分发，但混沌同步恢复时间限制了密钥产生效率，此外，混沌系统的参数匹配要求使得这类方案的硬件成本仍然较高。基于光纤信道互易性的密钥分发系统利用了光纤信道的动态或静态互易的特性，采用包括混沌偏振扰动、误码率、偏振模色散、动态stokes参数等物理量作为随机源进行密钥分发。其中，基于动态互易性进行密钥分发的方案可以改变整个信道的特征，使得窃听方监测信道的难度加大，但同时通常需要系统为双向传输系统，由此容易向系统中引入非互易因素，限制密钥分发的速率和距离。而基于静态互易性的密钥分发方案结构简单、保证密钥分发的一致性，但静态信道易被监听，安全性受限。

3、鉴于上述分析，现有技术存在的急需解决的技术问题为：传统密钥分发算法依赖计算复杂度保证安全性，由此也密钥分发速率受限；量子密钥分发提供了绝对安全性，但由于其分发速率受限以及器件成本较高，难以在通信网络中大规模部署。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于信道互易性和误码率估计的密钥分发系统及方法，以解决现有密钥分发方案系统结构复杂，成本较高的问题，并进一步提高安全性。

2、本发明是这样实现的，一种基于信道互易性和误码率估计的密钥分发系统，包括：

3、第一信号发射模块，用于实现信息比特序列的循环冗余编码以及纠错码编码，为的重传要求存储处理完成的编码序列，以及实现信号的调制以及发射。第一信号发射模块包括第一信息比特寄存器、第一循环冗余校验码编码器、第一纠错码编码器与缓存、第一激光器、第一马赫-曾德尔调制器；

4、第二信号发射模块，用于实现信息比特序列的循环冗余编码以及纠错码编码，为的重传要求存储处理完成的编码序列，以及实现信号的调制以及发射。第二信号发射模块包括第二信息比特寄存器、第二循环冗余校验码编码器、第二纠错码编码器与缓存、第二激光器、第二马赫-曾德尔调制器；

5、信道传输模块，用于对第一信号发射模块和第二信号发射模块产生的光信号进行传输，利用其时变误码率信道特征进行密钥分发。光纤传输模块包括波动互易信道；

6、第一信号接收模块，用于对经过信道传输的信号进行接收与处理，以及要求信号帧的重新传输。第一信号接收模块包括第一光探测器、第一纠错码解码器、第一循环冗余校验码解码器、第一自动重传需求与编码控制器；

7、第二信号接收模块，用于对经过信道传输的信号进行接收与处理，以及要求信号帧的重新传输。第二信号接收模块包括第二光探测器、第二纠错码解码器、第二循环冗余校验码解码器、第二自动重传需求与编码控制器；

8、进一步，在第一信号发生模块中，第一信息比特寄存器中的信息比特序列被第一循环冗余校验码编码器进行循环冗余校验码编码，编码后的序列被第一纠错码编码器与缓存进行纠错码编码，经纠错码编码后的序列被存储在缓存中，组成信号帧。第一激光器发出直流光信号，此后在第一马赫-曾德尔调制器处被调制，信号帧被加载到第一马赫-曾德尔调制器上。调制后的光信号被发射至波动互易信道中。

9、进一步，在第二信号发生模块中，第二信息比特寄存器中的信息比特序列被第二循环冗余校验码编码器进行循环冗余校验码编码，编码后的序列被第二纠错码编码器与缓存以同样的纠错码编码参数进行纠错码编码，经纠错码编码后的序列被存储在缓存中，组成信号帧。第二信息比特寄存器中的信息比特序列可以与第一信息比特寄存器中的信息比特序列不同。第二激光器发出直流光信号，此后在第二马赫-曾德尔调制器处被调制，信号帧被加载到第二马赫-曾德尔调制器上。调制后的光信号被发射至波动互易信道中。

10、进一步，信道传输模块中，波动互易信道的信噪比特征具有时变的特性。时变的信噪比特征将导致接收信号帧的误码率变动。为利用信道互易性，将第一信号发射模块和第二信号发射模块产生的光信号在邻近或相同的时隙对向传输通过波动互易信道。

11、进一步，在第一信号接收模块中，由第二信号发射模块产生的光信号经过信道传输模块之后，经过第一光探测器后转变为电信号，该电信号经过解调后得到接收比特序列，该比特序列在第一纠错码解码器处进行纠错解码，得到纠错后比特序列通过第一循环冗余校验码解码器判定误码是否被完全纠正，若误码未被完全纠正，发送控制信号至第一重传需求与编码控制器，要求对方进行该信号帧的重传，并要求使用更低的编码码率以增大冗余，提高纠错码纠错能力。将纠错后比特序列与接收比特序列中的信息位进行比对以提取基于纠错码估计的误码率值；

12、进一步，在第二信号接收模块中，由第一信号发射模块产生的光信号经过信道传输模块之后，经过第二光探测器后转变为电信号，该电信号经过解调后得到接收比特序列，该比特序列在第二纠错码解码器处进行纠错解码，得到纠错后比特序列通过第二循环冗余校验码解码器判定误码是否被完全纠正，若误码未被完全纠正，发送控制信号至第二重传需求与编码控制器，要求对方进行该信号帧的重传，并要求使用更低的编码码率以增大冗余，提高纠错码纠错能力。将纠错后比特序列与接收比特序列中的信息位进行比对以提取基于纠错码估计的误码率值。由第一信号接收模块与第二信号接收模块产生的误码率序列进行密钥的提取。

13、本发明的另一目的在于提供一种实现基于信道互易性和误码率估计的密钥分发系统的基于信道互易性和误码率估计的密钥分发方法，包括：

14、s1，第一信号发射模块实现信息比特序列的循环冗余编码以及纠错码编码，为的重传要求存储处理完成的编码序列，以及实现信号的调制以及发射。

15、s2，第二信号发射模块实现信息比特序列的循环冗余编码以及纠错码编码，为的重传要求存储处理完成的编码序列，以及实现信号的调制以及发射。

16、s3，信道传输模块对第一信号发射模块和第二信号发射模块产生的光信号进行传输，利用其时变误码率信道特征进行密钥分发。

17、s4，第一信号接收模块对经过信道传输的信号进行接收与处理，以及要求信号帧的重新传输。

18、s5，第二信号接收模块对经过信道传输的信号进行接收与处理，以及要求信号帧的重新传输。

19、本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，计算机设备包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行所述的基于信道互易性和误码率估计的密钥分发方法的步骤。

20、本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行所述的基于信道互易性和误码率估计的密钥分发方法的步骤。

21、本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，信息数据处理终端包括所述的基于信道互易性和误码率估计的密钥分发系统。

22、结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

23、第一、本发明提出了一种基于信道信噪比随机变化特性和信道互易性的密钥分发方案。通过进行纠错码编码，可以使得信号只需要在信道中传播一次就可以估算出信道在某时隙的误码率特征，由信道的互易性保证信道两侧的合法通信双方获取一致密钥，通过随机选择纠错码编码参数可以保证方案的安全性。在未知纠错码编码参数的情况下，非法监听方无法进行纠错码解码，而由于信号仅在信道中传递一次，因此非法监听方无法获得合法通信方测定的误码率序列，进而也就无法获得一致密钥。

24、与传统的基于混沌同步或信道互易性的密钥分发方案相比，该密钥分发方案可以与传统通信系统兼容，无需向信道或系统中添加额外的器件，使得结构相对简单，在保证了传统通信系统的正常传输的同时，降低了密钥分发系统部署的成本，同时可以将系统应用在包括光纤、自由空间光信道等不同类型的波动信道之中。

25、第二，本发明描述了一种基于信道互易性和误码率估计的密钥分发系统，该系统主要由两个信号发射模块、一个信道传输模块以及两个信号接收模块构成。每个信号发射模块都具备信息比特序列的循环冗余编码和纠错码编码功能，并能为的重传需求存储编码序列，同时实现信号的调制与发射。信道传输模块则负责光信号的传输，并利用其时变误码率信道特征进行密钥分发。

26、在第一信号发射模块中，信息比特序列经过循环冗余校验码编码和纠错码编码后，被存储在缓存中组成信号帧。随后，激光器发出直流光信号，在第一马赫-曾德尔调制器处被调制，信号帧被加载到调制器上，调制后的光信号被发射至波动互易信道中。第二信号发射模块的工作流程与此类似。接收端则负责接收并处理这些信号，同时在必要时要求信号帧的重新传输。

27、本发明针对现有技术中存在的问题，提出了一种创新的密钥分发系统。该系统通过利用信道互易性和误码率估计，实现了更为安全、高效的密钥分发。它解决了传统密钥分发系统中存在的安全性不足、效率低下等问题，为密钥分发提供了一种新的、更为可靠的技术方案。

28、本发明的提出，标志着在密钥分发技术领域取得了显著的进步。它不仅提高了密钥分发的安全性和效率，还为未来的密钥分发技术发展提供了新的思路和方向。该系统的创新之处在于其结合了信道互易性和误码率估计，这一独特的设计使得该系统在实际应用中具有更高的实用价值和更广泛的应用前景。