Описание научного проекта
Интенсивное развитие информационных технологий, наблюдаемое в настоящее время, ставит новые задачи, связанные с обеспечением безопасности телекоммуникаций и предъявляющие новые требования к эффективности защитных механизмов.
Методы и средства криптографической защиты информации не являются исключением. Новые сценарии передачи информации и взаимодействия пользователей телекоммуникационных систем обуславливают необходимость создания и внедрения в практику новых криптографических протоколов и систем.
В первую очередь, речь идет о квантовом распределении ключей (КРК), которое приобрело особую актуальность в наше время. Данное направление криптографии, появившееся ещё в конце прошлого века, предполагает использование квантовых состояний вместо электрического сигнала в качестве носителей информации. Это обеспечивает одно важнейшее свойство: злоумышленник, даже имея возможность включиться в линию передачи, не может считать значение всех битов ключа, не изменив их. Таким образом, атака «человек посередине», суть которой состоит в том, что злоумышленник ретранслирует передаваемую между сторонами информацию с целью сокрытия своего присутствия, становится практически неосуществимой, так как изменения, внесённые при считывании информации, будут обнаружены принимающей стороной.
В настоящее время уровень развития технологий позволяет создавать квантовые каналы, пригодные для задач распределения ключей. Однако в силу несовершенства аппаратуры, используемой для построения таких каналов, возможности существующих практических реализаций систем квантового распределения ключей (СКРК) ограничены. Одним из основных ограничений является относительно малая длина линий связи, на которых возможно построение устойчивых квантовых каналов, что препятствует массовому внедрению данной технологии.
В МИЭМ НИУ ВШЭ разработана СКРК, основанная на протоколе квантового распределения ключей с фазово-временным кодированием и демонстрирующая работоспособность на линиях связи длиной более 200 км. Дальнейшее повышение расстояния передачи для данной СКРК может быть достигнуто за счет модификации ее алгоритмического обеспечения в части исправления ошибок (так называемой очистки ключа), возникающих при передаче квантовых состояний по оптическому каналу. Для этого необходимо разработать алгоритмы исправления ошибок, обладающие повышенной корректирующей способностью. В результате, приняв исходное значение скорости генерации секретного ключа за константу, можно будет добиться устойчивой передачи ключа на большее расстояние.
Для повышения корректирующей способности алгоритмов исправления ошибок предлагается построить модель квантового канала передачи информации, соответствующего протоколу с фазово-временным кодированием, и получить адаптированные к данному каналу коды с малой плотностью проверок на четность с помощью методов метаэвристической оптимизации. Исследование будет сопровождаться обширными натурными и вычислительными экспериментами. Для вычислительных экспериментов планируется использовать суперкомпьютер НИУ ВШЭ.
Целью исследования является повышение эффективности квантового распределения ключей для магистральных линий сверхбольшой протяжённости за счет разработки новых алгоритмов очистки ключа, отличающихся большей корректирующей способностью.
Достижение данной цели будет обеспечено за счет решения следующих задач:
- обзор и анализ существующих решений в области алгоритмического обеспечения квантовой криптографии;
- разработка имитационной модели квантового канала, учитывающей характеристики физической среды передачи;
- построение модели реального квантового канала передачи, соответствующего протоколу квантового распределения ключей с фазово-временным кодированием;
- разработка алгоритмов очистки ключа, отличающихся повышенной корректирующей способностью за счет адаптации к модели квантового канала передачи и применения метаэвристической оптимизации;
- проведение натурных экспериментов на макете системы квантового распределения ключей для сверхдлинных однопролетных участков (СКРК СОУ) для апробации разработанных алгоритмов очистки ключа;
- модификация протокола квантового распределения ключей с фазово-временным кодированием посредством внедрения разработанных алгоритмов помехоустойчивого кодирования с целью увеличения максимально допустимой протяжённости линии.
Для решения поставленной проблемы планируется применить методы помехоустойчивого кодирования, основанные на кодах с малой плотностью проверок на четность (LDPC-кодах). Эффективность такого подхода непосредственно зависит от структуры используемых проверочных матриц. Для проведения экспериментов по выбору проверочных матриц будет использовано два подхода:
- Построение имитационной модели квантового канала, учитывающей особенности физической среды передачи, а также несовершенство используемого оборудования. Имитационное моделирование позволит, во-первых, многократно производить симуляцию передачи данных по квантовому каналу и исправления ошибок в них, а во-вторых, даст возможность первичной апробации результатов оптимизации без задействования физического макета СКРК.
- Построение модели реального квантового канала передачи, соответствующего протоколу квантового распределения ключей с фазово-временным кодированием. Модель будет построена посредством проведения натурных экспериментов с макетом СКРК СОУ. Результатом таких экспериментов станут оценки уровней битовой ошибки в канале (QBER), в также статистических параметров такой ошибки (отклонение от среднего, зависимость от конкретного передаваемого состояния и способа детектирования, и т.п.). Такие оценки позволят установить важные характеристики канала, такие как симметричность, пакетирование ошибок и т.д. Учёт таких характеристик предоставит возможность конкретизировать задачу построения помехоустойчивого кода и, как следствие, использовать более эффективные узконаправленные решения.
Нахождение матриц, позволяющих максимизировать эффективность исправления ошибок для данного канала передачи информации, можно рассматривать как задачу оптимизации. Для ее решения будут использованы жадные и метаэвристические алгоритмы оптимизации. Помимо использования известных метаэвристик планируется построение их гибридов, обладающих большей эффективностью в решаемой задаче оптимизации.
В результате будут получены оптимизированные проверочные матрицы LDPC-кодов, использование которых позволит применять коды большей скорости для исправления того же уровня ошибок в канале. На практике такие матрицы позволят раскрывать меньше информации о секретном ключе во время исправления ошибок, в результате чего повысится длина результирующего секретного ключа.
Нашли опечатку?
Выделите её, нажмите Ctrl+Enter и отправьте нам уведомление. Спасибо за участие!
Сервис предназначен только для отправки сообщений об орфографических и пунктуационных ошибках.