Симметричное шифрование квантовыми ключами

Симметричное шифрование квантовыми ключами

А.П. Плёнкин Южный федеральный университет, Таганрог

Аннотация: в статье рассматриваются проблема обеспечения секретности при распределении ключа шифрования. Приведена структура стенда квантово-криптографической сети на основе коммерческой автокомпенсационной системы квантового распределения ключа с фазовым кодированием состояний фотонов. Описан процесс интеграции квантовых ключей в протоколы шифрования данных телекоммуникационной сети. Приведены результаты экспериментальных исследований по использованию квантовых ключей в сети передачи данных.

Ключевые слова: квантовый ключ, криптография, протокол, телекоммуникационная сеть, шифрование.

Проблема обеспечения защищенности при передаче информации формулируется как проблема распределения секретного ключа между двумя удалёнными пользователями [1]. У пользователей формируется одинаковый набор бит, который используется в качестве криптографического ключа. Для реализации абсолютной секретности необходимо соблюдение известных условий: ключ может быть использован только один раз, ключ должен быть случайным, его длина должна быть больше или равна длине кодируемого сообщения [2].

Защищенность классических криптографических методов базируется на математических закономерностях и теоретически ограничивается вычислительными возможностями злоумышленника. Физическим решением проблемы обеспечения секретности при распределении ключа является использование принципов квантовой криптографии [3, 4]. При этом секретность базируется на законах квантовой физики и предполагает кодирование квантового состояния одиночной частицы (фотона). Квантовое распределение ключа (КРК) реализовано в программно-аппаратных комплексах, которые именуются системами квантового распределения ключа (СКРК). Среди реализованных СКРК выделяются коммерческие системы,

:

функционирующие по автокомпенсационной схеме [5, 6]. Конфигурация таких систем базируется на волоконно-оптических компонентах [7].

Формирование ключей в автокомпенсационных системах КРК обеспечивается работой протокола квантовой криптографии. В СКРК применяются симметричные схемы, при этом один ключ используется для шифрования и дешифрования информации [8].

С целью применения квантовых ключей в алгоритмах шифрования данных телекоммуникационной сети, создан экспериментальный стенд (рис.1) [9, 10]. Структура стенда включает в себя: систему КРК, состоящую из двух станций (СКРК В и СКРК А); два аппаратных модуля (IP B, IP A) с программным обеспечением для управления системами КРК и сетью передачи данных. Взаимодействие аппаратных модулей с системами КРК осуществляется по сервисному каналу связи (USB-интерфейс). Доверенный канал связи реализован на основе одноволоконного одномодового оптического волокна. В схеме сеть передачи данных сконфигурирована по топологии «точка-точка» и базируется на стандарте Ethernet.

Рис. 1. - Структурная схема экспериментального стенда Процесс формирования квантовых ключей системой КРК инициируется согласно алгоритму работы протокола квантовой криптографии. Ключи генерируются и накапливаются в буферной зоне программного обеспечения аппаратных модулей в циклическом режиме. На базе Ethernet конфигурируется виртуальный туннель vpn на основе ipsec, который представляет систему протоколов для защиты данных на сетевом

уровне телекоммуникационных сетей. Этапы создания защищенного туннеля включают в себя конфигурирование политик безопасности, задания правил маршрутизации, аутентификации и шифрования. Настройка аутентификации и шифрования производится для каждого создаваемого канала на каждое направление и для каждого из протоколов.

В памяти аппаратных модулей при помощи специализированной программной компоненты формируются файлы с ключевым материалом. Особенность схемы формирования состоит в том, что файлы и их содержимое не передаются по сети, а формируется непосредственно в аппаратных модулях. Файлы идентичны и их содержимое представляет собой массив из ключей и их идентификаторов. На рис.2 приведена выдержка из сформированного файла, содержащего 512-битные ключи и их 128-битные идентификаторы.

14:28:46 DEBUG • Uip г Setting Up UDP client. to connect to IB.16.131.39:5323

ie:zs:4G debug - The hex key io is : е&еееэееевев9ЬТ2

14: 28: 46 DEBUG  The HEX key is : 67763T9c3f S17eS7<i0bl)lcbfe37i] l lccf 4174932<i4baiSb9c<:e2<ijtf255&6ljS2<:

ie:2£:4? DEBUG - udp: Setting up UDP client to connect to IB-¡31-19:Ягэ

16:28:47 DEBUG - The HEX key ID Is : АОСиШбоОИеОЯЬ 70

ie:2i:4i DEBUG - The hex key is : H:afiSil?7J9?(ib7bb6f77<ic3^9fie39d5bt>T31i:31^b2?aae331cSf7tU4e8tSd6i

14:28:47 DEBUG  Utfp; StttlltJ up UDP ilteilt to conflict to 10 . 14, 131, M: S3i J

14:28:47 DEBUG  The HEX key Is ; SBI4SS46b274t>ndtabc34c л.'В9с9ес23Э7д5 dbcfrfsidjc'isbt^^cca&af Zali

Рис. 2. - Сформированный файл с ключами шифрования Поиск необходимых ключей в файлах осуществляется по их идентификаторам. Длина ключа задается при формировании файлов в пределах от 32 до 512 бит. Ключи интегрируются в конфигурацию протокола ipsec одновременно на удаленных аппаратных модулях. Скорость формирования ключей системой КРК в эксперименте составляет порядка 500 бит/с. Для интеграции квантовых ключей в алгоритмы шифрования vpn туннеля, ключи необходимой длины копируются в соответствующие области конфигурации протокола ipsec. На рис.3 приведена работоспособная типовая конфигурация vpn туннеля с интегрированными 256-битными квантовыми

ключами для каждого из четырех направлений шифрования.

«¡/sbin/ietkey -/ Hush; 5 pd flush;

№ AH

add IB.10.131.39 10,10.131.32 ah 1&7QB -A hnac ShiZbt " bfe3aa6b4b37373872i7tf 3b6aal4ii6d1 add 16.10.13L.3Z 16.16.131.39 ah 24SSB -A hnac-shaZ54j "726fB27SafecaZ7efei241dB249d9a5fi"

e ESP

add 10.10.131.39 10.10.131.32 esp 15701 -E aes-cbc "462d4e002ae306736et3B36aaf35e7f7";

add 10,10.131.32 10,10.131.39 esp 24531 -E ees-cbe "fc2 380HeaiMb032514a&fГ4002 5ее39|";

spdadd 10.10,111.32 10.10.131.39 any -P out tpsec isp/transport//require ah/transport//require;

spdadd 10.IB.131.39 10.IB,131.32 any -P In ipsec esp/transport//require ah/transport//require:

Для проверки работоспособности стенда, применяется метод анализа трафика телекоммуникационной сети. Рис.4 демонстрирует результат применения команды «tcpdumb», которая позволяет проводить анализ всех передаваемых пакетов данных по сети Ethernet между аппаратными модулями. Из рисунка видно, что все передаваемые по телекоммуникационной сети данные зашифрованы с применением квантовых

10: S2; 19,797461 ГР 10.18.131.3» S 10.10.131.3Z: АН<*р 1=0409993d54,Sfq=0XlSi ; Е5РС5р1=0Х0000Э-(15.1,*«Ч=0т>, length 184

lii 52:49,ГР 10.19-131.32 > 19.10.131,39: AH<tpl=0n59995flH ,Sfq=ej(lSl: EiP[5]>l = 9x9090if Ь5,Я(1=0!т>, length 104

59'. ТОТвМ IP 10. 19-191. 3J > 19.10. 131, 9Z: AH( spi =0*0999 3d 54 .itq-exlO; E5P(5fW9x0e909d«,5Cq=0*19>, Wngth 104

ie:H:-*9-7?7«9 IP 10. 19-191, jj > la.io. ];). 33: дн(0*09095fbi ,*fq=0xi$) : E5P( spl"9*90905^,icq ='0*19>, length

10:52)51,7973^4 IP 10-19-131.59 > ia . 10. IS!. 3i : MI(lplaftKMM3№4,f*4aftt]T) ; £SP( jpl^HnHaee3ij5S1,5cq"0iO>. length 104

10: ii:ll. 79UD19 IP IO.IB.131.JS > 1». ID. 131.39: AH<ipl OsDDOOifbJ Licq 0x17): tbP( spbBvaaailif S4l r} , length 1M

IP 10.10.131.5» > Id. 10. l3l.3i : AH(spl-0*ibi>dSdS4 ,srq-0xl4) : £4P( mUSxddd0idii,it^-0i4 6), length 104

1O:»:S2.7MI90 IP 10.10.131,33 > 10.10.131.39: M(|pl<№HMSfb4,UI)-(l(U): ESPffpLHltMWfll^lHI-AU), leit-Jth 104

Таким образом, разработанный стенд обеспечивает применение квантовых ключей для шифрования данных в телекоммуникационной сети.

Возможности конфигурации протокола шифрования позволяют применять ключи длиной от 32 до 512 бит с управляемым параметром «время жизни ключа».

Уникальный стенд квантово-криптографической сети с интегрированной системой квантового распределения ключа позволяет проводить всесторонние экспериментальные исследования алгоритмов

Рис. 3. - Листинг конфигурации туннеля

ключей.

Рис. 4. - Анализ передаваемых данных

работы [11, 12] СКРК и анализ функциональных возможностей программного обеспечения оборудования квантовой криптографии [13].

Благодарности

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

Литература

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

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

3. Lydersen L., Wiechers C., Wittmann C., Elser D., Skaar J., Makarov V. «Hacking commercial quantum cryptography systems by tailored bright illumination», Nat. Phot., vol. 4, no. 686, p. 5, 2010.

4. Makarov V. Quantum cryptography and quantum cryptanalysis, doktor ingenior thesis, Norwegian University of Science and Technology. - 2007. - 158 p.

5. Gisin N., Ribordy G., Tittel W., Zbinden H., «Quantum cryptography», Rev. Mod. Phys., vol. 74, no. 1, pp. 145-195, 2002.

6. Stucki D., Gisin N., Guinnard O., Ribordy G., Zbinden H., «Quantum Key Distribution over 67 km with a plug & play system», Quantum Phys., p. 8, 2002.

7. Clavis. Plug & play quantum cryptography // id3000. Specifications. id Quantique SA. - Ver. 2.1. - January 2005. - 2 p.

8. 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.

9. Румянцев К.Е., Плёнкин А.П. Экспериментальные испытания телекоммуникационной сети с интегрированной системой квантового распределения ключей // Телекоммуникации. - 2014. - № 10. - С. 11-16.

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. Pljonkin A.P., Rumyantsev K.Y. Single-photon Synchronization Mode of Quantum Key Distribution System. India, New Delhi, 2016, pp.531534. DOI: 10.1109/ICCTICT.2016.7514637.

12. Мациборко В.В., Будко А.Ю., Береснев А.Л., Мациборко М.А. Исследование устройств регистрации ионного тока в камере сгорания // Инженерный вестник Дона, 2014, №4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2014/2611/.

13. Шурховецкий А.Н. Многоканальная частотно-избирательная система СВЧ диапазона основе направленных фильтров бегущей волны// Инженерный вестник Дона, 2010, №4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2010/292.

Gratitude

The reported study was funded by RFBR according to the research project No.16-37-00003 mol_a.

References

1. Rumyantsev K.E. Sistemy kvantovogo raspredeleniya klyucha: Monografiya [Quantum key distribution systems: Monograph]. Taganrog: Izdatelstvo TTI YuFU, 2011. 264 p.

2. Babash A.V., Shankin G.P. Kriptografiya [Cryptography]. M.: SOLON-R, 2002. 512 p.

3. Lydersen L., Wiechers C., Wittmann C., Elser D., Skaar J., Makarov V. «Hacking commercial quantum cryptography systems by tailored bright illumination», Nat. Phot., vol. 4, no. 686, p. 5, 2010.

4. Makarov V. Quantum cryptography and quantum cryptanalysis, doktor ingenior thesis, Norwegian University of Science and Technology. 2007. 158 p.

5. Gisin N., Ribordy G., Tittel W., Zbinden H., «Quantum cryptography», Rev. Mod. Phys., vol. 74, no. 1, pp. 145-195, 2002.

6. Stucki D., Gisin N., Guinnard O., Ribordy G., Zbinden H., «Quantum Key Distribution over 67 km with a plug & play system», Quantum Phys., p. 8, 2002.

7. Clavis. Plug & play quantum cryptography. id3000. Specifications. idQuantique SA. Ver. 2.1. January 2005. 2 p.

8. Rumyantsev K.E., Pljonkin A.P., Radiotekhnika. 2015. № 2. pp. 125-134.

9. Rumyantsev K.E., Pljonkin A.P. Telekommunikatsii. 2014. № 10. pp. 11-16.

10. Rumyantsev K.E., Pljonkin A.P. Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki. 2014. № 8. pp. 81-96.

11. Pljonkin A.P., Rumyantsev K.Y. Single-photon Synchronization Mode of Quantum Key Distribution System. India, New Delhi, 2016, pp. 531534. DOI: 10.1109/ICCTICT.2016.7514637.

12. Matsiborko V.V., Budko A.Yu., Beresnev A.L., Matsiborko M.A. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2014, №4, URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2014/2611/.

13. Shurkhovetskiy A.N. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2010, №4, URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2010/292.