Проблема защищенности процесса синхронизации от несанкционированного доступа в системе квантового распределения ключа

аПлёнкин А. П.

кандидат технических наук, ассистент кафедры «Информационная безопасность телекоммуникационных систем» Института компьютерных технологий и информационной безопасности ФГАОУ ВО «Южный федеральный университет», г. Таганрог, Российская Федерация

УДК 621.396.624

ПРОБЛЕМА ЗАЩИЩЕННОСТИ ПРОЦЕССА СИНХРОНИЗАЦИИ ОТ НЕСАНКЦИОНИРОВАННОГО ДОСТУПА В СИСТЕМЕ КВАНТОВОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КЛЮЧА

Работа посвящена анализу проблемы обеспечения защищенности от несанкционированного доступа процесса синхронизации автокомпенсационной системы квантового распределения ключа с фазовым кодированием состояний фотонов. Исследована коммерческая система квантового распределения ключа с автоматической компенсацией поляризационных искажений, функционирующая по принципу «plug&play». Проанализирован процесс синхронизации двух входящих в состав системы квантового распределения ключа станций. Приведена структурная схема распространения оптического излучения, функционирующая по одново-локонной автокомпенсационной схеме. Исследованы основные способы атак на квантовый канал связи в процессе синхронизации системы квантового распределения ключа. Приведено описание разработанного алгоритма синхронизации, отличающегося повышенной защищенностью от несанкционированного доступа и снижающего вероятность принятия ошибочного решения в процессе обнаружения фотонного импульса. Алгоритм предполагает поиск сигнального временного интервала, содержащего фотонный импульс. Отличительной особенностью алгоритма является то, что при распространении оптического сигнала в направлении от кодирующей станции к приемо-передающей осуществляется ослабление синхросигнала до фотонного уровня, причем среднее число фотонов в импульсе не превышает 0,1.

Ключевые слова: квантовая криптография, распределение ключа, синхронизация, защищенность, фотонный импульс, секретный ключ, алгоритм.

PROTECTION PROBLEM OF SYNCHRONIZATION FROM UNAUTHORISED ACCESS IN QUANTUM KEY DISTRIBUTION SYSTEM

The paper analyzes the problem of providing security against unauthorized access to synchronization process in autocompensation quantum key distribution system with phase coding states of photons. The commercial quantum key distribution system with automatic compensation of polarization distortions, which operates on the principle of «plug&play» are researched. The process of synchronizing the two stations of quantum key distribution system are analyzed. The block diagram of the propagation of optical radiation, which operates on single fiber autocompensation scheme are showed. The basic methods of attacks on the quantum communication channel during synchronization in quantum key distribution system are proposed. The description of the developed synchronization algorithm with improves protection from unauthorized access and reducing the probability of making a wrong decision in the process of detecting the photons are proposed. The algorithm involves finding a signal time window containing the photon momentum. A distinctive feature of the algorithm is that the propagation direction of the optical signal from the encoding station to the transceiver carried attenuation until photon level, the average number of photons per pulse is not more than 0.1.

Key words: quantum cryptography, key distribution, synchronization, protection, photon impulse, secret key, algorithm.

50 -

Electrical and data processing facilities and systems. № 3, v. 12, 2016

Введение. Защищенность классических криптографических систем ограничена вычислительными мощностями злоумышленника. Основной проблемой при передаче конфиденциальной информации является распределение секретного ключа между легитимными пользователями. В качестве секретного ключа выступает одинаковый у пользователей набор случайных битов. Для обеспечения абсолютной секретности криптографической схемы необходимо выполнение известных условий: абсолютная случайность криптографического ключа, его длина должна быть больше или равна длине кодируемого сообщения, ключ может быть использован только один раз. Защищенность при квантовом распределении ключа (КРК) базируется на принципах квантовой криптографии и предполагает кодирование квантового состояния фотона [1]. Принципы квантовой криптографии основаны на законах квантовой физики и принципиально исключают возможность перехвата передаваемых сообщений. В основе квантового распределения ключа лежат три утверждения: неизвестное квантовое состояние невозможно клонировать, невозможно извлечь информацию о неортогональных квантовых состояниях без возмущения, любое выполняемое измерение приведёт к изменению квантового состояния носителя информации [2].

Принципы квантовой криптографии реализованы в системах квантового распределения ключей (СКРК). Среди коммерческих СКРК выделяются своей отказоустойчивостью автокомпенсационные двухпроходные волоконно-оптические системы КРК с фазовым кодированием состояний фотонов, функционирующие по квантовому протоколу BB84 [3, 4]. Такие системы реализованы по технологии «plug&play», что сводит к минимуму конфигурирование и настройку СКРК. Важнейшей составляющей работы комплекса для передачи конфиденциальной информации с квантовым распределением является синхронизация передатчика и фотоприемника. Экспериментальные исследования квантово-криптографической сети на базе коммерческой автокомпенсационной СКРК доказывают, что процесс синхрониза-

ции осуществляется в многофотонном режиме. Анализ стратегий отвода оптического излучения в квантовых системах посредством атак типа «Троянский конь» и «Атака в лоб» показывает, что реализация многофотонного режима в процессе синхронизации потенциально упрощает злоумышленнику организацию несанкционированного доступа к информации. Последнее определяет актуальность исследования проблемы защищенности процесса синхронизации автокомпенсационных СКРК от несанкционированного доступа и разработки методов синхронизации, обеспечивающих повышенную защищённость процесса от несанкционированного доступа при атаках типа «Троянский конь» и «Атака в лоб».

Коммерческая система квантового распределения ключа с автоматической компенсацией поляризационных искажений. В системах КРК распространены симметричные криптографические схемы, где один ключ используется для шифрования и дешифрования информации. Отметим, что сгенерированный секретный ключ требует периодического обновления одновременно у отправителя и получателя. В автокомпенсационных системах КРК функции отправителя и получателя соответственно выполняют при-ёмо-передающая станция Боб (англ. Bob) и кодирующая станция Алиса (англ. Alice). Между собой Алиса и Боб связаны квантовым каналом связи, в качестве которого используется одномодовое оптическое волокно. Станции имеют управляющие входы и выходы для синхронизации своей работы, контроля параметров системы и управления защищенным каналом связи. Конфигурирование и настройка системы производится под управлением программного обеспечения. При работе протокола квантовой криптографии по незащищённому каналу связи осуществляется согласование ключа и выполнение сервисных операций системы КРК.

Существует несколько протоколов КРК, основанных на передаче информации посредством кодирования состояний одиночных фотонов [5]. Однако наиболее применяемым в коммерческих системах КРК является протокол BB84 (англ. Bennett-Brassard-84).

Важнейшей составляющей в работе системы КРК является процесс синхронизации разнесённых в пространстве приёмопередающей и кодирующей станций. Синхронизация заключается в регистрации момента поступления оптического сигнала на фотодетекторы приёмо-передающей станции путем высокоточного измерения длины пути распространения синхроимпульса [6]. Точность обнаружения синхроимпульса составляет десятки пикосекунд.

На рисунке 1 представлена схема распространения синхроимпульса по волоконно-оптическому пути автокомпенсационной системы КРК. Синхроимпульсы излучаются в приёмо-передающей станции, следуют по оптическому пути через квантовый канал связи к кодирующей станции, где отражаются, и по тому же оптическому пути направляются на фотодетекторы приёмо-передающей станции. Интерференция и компенсация фазы импульсов обеспечивается применением волоконно-оптического интерферометра.

Приёмо-передающая станция предназначена для формирования и приёма оптических

3 4

Рисунок 1. Структурная схема оптического пути распространения синхроимпульса

импульсов в процессе синхронизации. В состав станции входят передающий оптический модуль (1), волоконно-оптический цир-кулятор (2), два приёмных оптических модуля (3, 4), волоконно-оптический делитель мощности Х-типа (5), линия задержки оптического излучения (6), волоконно-оптический поляризационный мультиплексор/ демультиплексор (7). Станции соединены одноволоконной линией связи (КК). Кодирующая станция Алиса предназначена для кодирования фазовых состояний фотонов. В её состав входят волоконно-оптический делитель мощности Y-типа (8), перестраиваемый волоконно-оптический аттенюатор (9), линия задержки оптического излучения (10), зеркало Фарадея, изменяю-

щее поляризацию оптического излучения на ортогональную. Функциональные блоки внутри станций соединяются оптическими волокнами, сохраняющими поляризацию оптического излучения (фотонов).

В коммерческих системах КРК для синхронизации используется периодическая последовательность оптических импульсов. Временными маркерами при этом являются сами импульсы. Для обеспечения синхронизации с высокой точностью измеряется общая длина оптического пути распространения синхроимпульса как в квантовом канале между двумя станциями, так и во всех функциональных волоконно-оптических узлах внутри СКРК. Подробное описание временных параметров процесса синхронизации системы КРК в литературе отсутствует. Отмечается лишь, что передача сигналов синхронизации в направлении от приёмопередающей станции к кодирующей всегда должна осуществляться в многофотонном режиме.

В результате экспериментальных испытаний коммерческой системы КРК id3110 Сlavis2 в режиме синхронизации было установлено, что процесс синхронизации при распространении синхросигналов в направлении от кодирующей станции к приёмопередающей осуществляется в многофотонном режиме. Это согласуется с результатами исследований в [7], где показано, что в процессе синхронизации фотодетекторы работают в линейном режиме.

В таблице 1 приведены результаты натурных измерений параметров оптических импульсов на трёх этапах синхронизации СКРК С1а^2.

Реализация многофотонного режима в процессе синхронизации потенциально упрощает злоумышленнику организацию несанкционированного доступа к информации. Задачей несанкционированного доступа может быть не только возможность съёма информации в процессе формирования квантовых ключей, но и внесение помех при работе СКРК. В работах [8, 9] приведены основные виды атак на волоконно-оптические системы связи. Однако описанные способы атак направлены на дестабилизацию

Таблица 1. Параметры оптического импульса

Параметр Этап синхронизации

Первый Второй Третий**

Измерения на выходе передающего модуля

Длительность импульса* ~ 1 нс ~ 1 нс ~ 1 нс

Частота следования импульсов 800 Гц 800 Гц 5 МГц

Амплитуда электрического импульса 140 мВ 40 мВ 40 мВ

Измерения вквантовом канале между станциями СКРК

Амплитуда первогоэлектрического импульса 48 мВ 13 мВ 13 мВ

Амплитуда второгоэлектрического импульса 21 мВ 6 мВ 6 мВ

*Длительность оптического импульса на осциллограммах имеет размытость, вызванную погрешностью при преобразованиях из оптического сигнала в электрический. **Результаты измерений амплитуд усреднены.

протоколов квантовой криптографии. При этом вопросы синхронизации не рассматривались или считалось, что на момент совершения атаки система КРК синхронизирована.

На рисунке 2 приведена структурная схема наиболее удачной с точки зрения практической реализации атаки надвухпроводную схему СКРК. При использовании двухпроводной схемы синхросигналы распространяются по одному оптическому волокну в направлении от приёмо-передающей станции к кодирующей, а в противоположном направлении от кодирующей станции к приёмо-передающей — по другому оптическому волокну. Злоумышленнику достаточно обеспечить себе доступ к каналу прямого прохождения оптического синхросигнала. При этом злоумышленник имитирует работу станций Боб и Алиса. От станции Боб злоумышленник принимает оптические импульсы и после анализа параметров принимаемых сигналов направляет к станции Алиса свои имитационные синхросигналы. Сигналы обрабатываются в кодирующей станции и следуют к станции Боб в обратном направлении через нетронутое злоумышленником оптическое волокно.

Злоумышленник способен генерировать копии оптических синхроимпульсов, пере-

Приёмопередающая станция

Квантовый канал

м-

1

Злоумышленник

Кодирующая станция

хватываемых от станции Боб и направлять их к кодирующей станции. Установлено, что при атаке по данной схеме процент квантовых ошибок (англ. QBER) в присутствии злоумышленника не превышает процент ошибок при отсутствии злоумышленника в квантовом канале и, как следствие, легитимные пользователи не способны распознать присутствие злоумышленника в канале связи системы КРК.

Реализация одноволоконной автокомпенсационной схемы КРК значительно усложняет, но не исключает возможность несанкционированного доступа злоумышленника к квантовому каналу (рисунок 3). Злоумышленник встраивается в квантовый канал между станциями СКРК, имитируя работу приёмо-пере-дающей и кодирующей станций. Перехватывая сигналы от приёмо-передающей станции, злоумышленник направляет имитационные синхросигналы по направлению к кодирующей станции, где импульсы кодируются и после отражения от зеркала Фарадея направляются по тому же оптическому пути к злоумышленнику. Перехватив импульс от кодирующей станции, злоумышленник посылает на фотодетектор станции Боб свои оптические сигналы.

Для реализации атаки злоумышленнику требуется обладать информацией о точном

Рисунок 2. Структурная схема атаки на двухпроводную СКРК

Рисунок 3. Структурная схема отвода оптического излучения при одноволоконной схеме

Data processing facilities and systems

времени стробирования однофотонных лавинных фотодиодов приёмо-передающей станции. В режиме синхронизации задача злоумышленника сводится к отводу части энергии оптического импульса из квантового канала. Так как в процессе синхронизации не функционируют алгоритмы контроля передаваемых сигналов, следовательно, незначительная потеря энергии оптического импульса не нарушает работу системы, исключая обнаружение присутствия злоумышленника. Отвод части оптической мощности может быть осуществлен без особых усилий, при помощи двух направленных волоконно-оптических оптических ответви-телей У-типа (см. рисунок 3) или специальных бесконтактных «прищепок».

Момент перехвата оптического импульса при прямом прохождении не даст достаточной информации злоумышленнику о работе системы КРК (как в случае использования двухпроводной схемы). Определяющим является момент появления оптического синхроимпульса при обратном распространении в квантовом канале. Отводя часть энергии многофотонного импульса в двух временных моментах (при прямом и обратном распространении импульса, как показано на рисунке 3), злоумышленник способен рассчитать задержку отражённого сигнала для дальнейшей имитации кодирующей станции. Данные о времени переотражения позволят в нужный момент осуществлять посылку имитационных сигналов на лавинные фотодиоды приёмо-передающей станции.

Таким образом, оставаясь незамеченным в процессе синхронизации и обладая необходимыми сведениями о квантовом канале и времени стробирования фотодиодов, злоумышленник способен успешно реализовать вышеописанные атаки на этапе работы протокола формирования квантовых ключей. Последнее определяет актуальность разработки и исследования методов синхронизации систем КРК с автоматической компенсацией поляризационных искажений, обеспечивающих повышенную защищённость процесса от несанкционированного доступа при атаках типа «Троянский конь».

Принцип вхождения в синхронизм с повышенной защищённостью от несанкционированного доступа. Для повышения защищённости процесса синхронизации от несанкционированного доступа разработан и исследован алгоритм вхождения в синхронизм с использованием в качестве синхронизирующих сигналов фотонных импульсов

[10]. Отличительной особенностью алгоритма является то, что среднее число фотонов в синхроимпульсе не превышает 0,1. Отметим, что ослабление оптического импульса до фотонного уровня обеспечивается при обратном распространении синхросигнала от кодирующей станции к приёмо-передающей и реализуется посредством управляемого оптического аттенюатора в кодирующей станции.

Алгоритм предполагает деление периода следования оптических импульсов на временные окна и обнаружение сигнального окна с фотонным синхроимпульсом. Для доказательства эффективности разработанного алгоритма проведено имитационное моделирование процесса синхронизации

[11]. По результатам компьютерного моделирования получено оптимальное соотношение, устанавливающее связь между длительностью временного окна и длительностью фотонного синхроимпульса:

т =2т,

м в7 4 у

где тм — длительность временного окна; — длительность фотонного синхроимпульса.

При этом обеспечивается снижение более чем в 4 раза вероятности принятия ошибочного решения [12]. Доказана возможность использования для расчёта вероятности правильного обнаружения сигнального временного окна аналитического выражения, учитывающего случайный момент появления синхроимпульса во временном окне:

Р0 = ехр{—  ЩЛ + ЩЦ) (п^Л  ехр{-п^) + + [1-ехр(-щ:;;)-п^ -^(-п^к 1+п^Л,"'"1>, (2) где щ-Ц — среднее количество регистрируемых фотоэлектронов и импульсов темнового тока в сигнальном временном окне за выборку; Nw— количество временных окон во временном кадре; п— среднее число регистрируемых импульсов темнового тока в сигнальном временном окне за выборку.

Результаты имитационного моделирования разработанного алгоритма и результаты расчетов по полученным аналитическим выражениям имеют расхождение не более 2 %.

Таким образом, можно говорить о новом принципе синхронизации автокомпенсационной волоконно-оптической системы квантового распределения ключа с повышенной защищённостью от несанкционированного доступа, в основу которого положено использование фотонных импульсов в качестве сигналов синхронизации.

Выводы. Проведены исследования автокомпенсационной волоконно-оптической системы КРК с фазовым кодированием состояний фотонов, функционирующей по квантовому протоколу BB84 и реализованной по технологии «plug&play». В результате натурных испытаний системы id3110 Clavis2 установлено, что передача сигналов синхронизации в направлении от приёмо-передаю-щей к кодирующей станции и обратно осуществляется в многофотонном режиме.

Список литературы

1. Румянцев К.Е. Системы квантового распределения ключа. Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2011. 264 с.

2. Бабаш А.В., Шанкин Г.П. Криптография. М.: СОЛОН-Р, 2002. 512 с.

3. Stucki D., Gisin N., Guinnard O., Ribordy G., Zbinden H. Quantum Key Distribution over 67 km with a Plug & Play System // New J. Phys. 2002. V. 4. P. 41.

4. Clavis. Plug & Play Quantum Cryptography // id3000. Specifications. idQuantiqueSA. Ver. 2.1. January 2005. 2 p.

5. Gisin N., Ribordy G., Tittel W., Zbinden H. Quantum Cryptography // Rev. Mod. Phys. 2002. Vol. 74. No. 1. pp. 145-195.

6. Румянцев К.Е., Плёнкин А.П. Синхронизация системы квантового распределения ключа в режиме однофотонной регистрации импульсов для повышения защищенности // Радиотехника. 2015. № 2. C. 125-134.

7. Курочкин В.Л., Курочкин Ю.В., Зверев А.В., Рябцев И.И., Неизвестный И.Г. Экспериментальные исследования в области

Показано, что реализация многофотонного режима в процессе синхронизации потенциально упрощает злоумышленнику организацию несанкционированного доступа к квантовому каналу связи. Особой уязвимостью к атакам типа «Троянский конь» обладают СКРК, функционирующие по двухпроводной схеме. Приведено описание нового принципа синхронизации автокомпенсационной системы КРК с повышенной защищенностью от несанкционированного доступа к квантовому каналу связи. Доказано, что использование в качестве синхросигналов фотонных импульсов, где среднее число фотонов в синхроимпульсе не превышает 0,1, обеспечивает повышенную защищенность процесса синхронизации системы КРК при атаках типа «Троянский конь» от несанкционированного доступа.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16-37-00003 мол а.

квантовой криптографии // Фотоника. 2012. № 5. С. 54-66.

8. Makarov V. Quantum Cryptography and Quantum Cryptanalysis: Doktor. Engin. Thesis. Norwegian University of Science and Technology. 2007.

9. Lydersen L., Wiechers C., Wittmann C., Elser D., Skaar J., Makarov V. Hacking Commercial Quantum Cryptography Systems by tailored Bright Illumination // Nat. Phot. 2010. Vol. 4. No. 686. P. 5.

10. Румянцев К.Е., Плёнкин А.П. Синхронизация системы квантового распределения ключа при использовании фотонных импульсов для повышения защищённости // Известия ЮФУ. Технические науки. 2014. № 8. С. 81-96.

11. Румянцев К.Е., Плёнкин А.П. Моделирование процесса синхронизации системы квантового распределения ключа при использовании фотонных импульсов для повышения защищённости. Ростов-на-Дону, 2015. 9 с.

12. Pljonkin A.P., Rumyantsev K.Y. SinglePhoton Synchronization Mode of Quantum Key

Distribution System. India, New Delhi, 2016. P. 531-534. DOI:10.1109/ICCnCr 2016.7514637.

References

1. Rumjancev K.E. Sistemy kvantovogo raspredelenija kljucha. Taganrog: Izdatel'stvo TTI JuFU, 2011. 264 s.

2. Babash A.V., Shankin G.P. Kriptografija. M.: SOLON-R, 2002. 512 c.

3. Stucki D., Gisin N., Guinnard O., Ribordy G., Zbinden H. Quantum Key Distribution over 67 km with a Plug & Play System // New J. Phys. 2002. V. 4. P. 41.

4. Clavis. Plug & Play Quantum Cryptography // id3000. Specifications. idQuantiqueSA. Ver. 2.1. January 2005. 2 p.

5. Gisin N., Ribordy G., Tittel W., Zbinden H. Quantum Cryptography // Rev. Mod. Phys. 2002. Vol. 74. No. 1. P. 145-195.

6. Rumjancev K.E., Pljonkin A.P. Sinhronizacija sistemy kvantovogo raspredelenija kljucha v rezhime odnofotonnoj registracii impul'so vdlja povyshenija zashhishhennosti. 2015. № 2. S. 125-134.

7. Kurochkin V.L., Kurochkin Ju.V., Zverev A.V., Rjabcev I.I., Neizvestnyj I.G.

Jeksperimental'nye issledovanija v oblasti kvantovoj kriptografii // Fotonika. 2012. № 5. S. 54-66.

8. Makarov V. Quantum Cryptography and Quantum Cryptanalysis: Doctor. Engineering Thesis. Norwegian University of Science and Technology, 2007.

9. Lydersen L., Wiechers C., Wittmann C., Elser D., Skaar J., Makarov V. Hacking Commercial Quantum Cryptography Systems by Tailored Bright Illumination // Nat. Phot. 2010. Vol. 4. No. 686. P. 5.

10. Rumjancev K.E., Pljonkin A.P. Sinhronizacija sistemy kvantovogo raspredelenija kljucha pri ispol'zovanii fotonnyh impul'sov dlja povyshenija zashhishhjonnosti // Izvestija JuFU. Tehnicheskie nauki. 2014. № 8. S. 81-96.

11. Rumjancev K.E., Pljonkin A.P. Modelirovanie processa sinhronizacii sistemy kvantovogo raspredelenija kljucha pri ispol'zovanii fotonnyh impul'sov dlja povyshenija zashhishhjonnosti. Rostov-na-Donu, 2015. 9 s.

12. Pljonkin A.P., Rumyantsev K.Y. SinglePhoton Synchronization Mode of Quantum Key Distribution System. India, New Delhi, 2016. p. 531-534. DOI: 10.1109/ICCTICT.2016.7514637.