本發(fā)明涉及在通信設(shè)備之間傳輸和接收信息的信息通信系統(tǒng)、信息通信方法和設(shè)備。
背景技術(shù):
在通信設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸中,并非從傳輸側(cè)傳輸?shù)乃行畔⒃诮邮諅?cè)被接收。例如,已知由于網(wǎng)絡(luò)的負載狀態(tài)等而發(fā)生分組丟失,并且此外,存在如下通信系統(tǒng),在該通信系統(tǒng)中僅一部分傳輸?shù)臄?shù)據(jù)到達作為傳輸系統(tǒng)的特性的接收機,該傳輸系統(tǒng)包括發(fā)射機、接收機和連接它們的信道。作為這樣的通信系統(tǒng)的示例,將簡要描述量子密鑰分發(fā)(QKD)系統(tǒng)。
有必要在傳輸端和接收端之間共享作為秘密信息的、對于信息的加密和解密所需的共享密鑰,并且QKD技術(shù)被認為是有望作為生成和共享這樣的秘密信息的技術(shù)。根據(jù)QKD技術(shù),與傳統(tǒng)光通信相反,可以通過傳輸每比特的光子數(shù)等于1或更少的隨機數(shù)來在發(fā)射機和接收機之間生成和共享公共密鑰。QKD技術(shù)具有基于一次觀測的光子不能在觀測之前完全返回到量子態(tài)的量子力學的原理的安全性,而不是基于傳統(tǒng)計算復雜性的安全性。
在QKD技術(shù)中,有必要在生成用于密碼通信的加密密鑰之前執(zhí)行若干步驟。在下文中,將參照圖1來描述典型加密密鑰的生成過程。
如圖1中所示,在單光子傳輸中,如上所述,通過每比特的光子數(shù)等于1或更少的弱光脈沖序列、通過量子信道來傳輸隨機數(shù)。作為QKD方法,例如,使用四量子態(tài)的BB84法是廣為人知的(非專利文獻1)。當發(fā)射機通過單個光子傳輸來傳輸原始隨機數(shù)時,其大部分由于傳輸線的損耗等而丟失;并且可以由接收機接收的比特變?yōu)閭鬏數(shù)谋忍氐姆浅P〉牟糠?,這被稱為原始密鑰。例如,可以由接收器接收的數(shù)據(jù)量大約是傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量的1/1000。
隨后,使用具有正常光強度的通信信道(傳統(tǒng)信道),對接收到的由于量子信道傳輸而已經(jīng)丟失大量所傳輸?shù)碾S機數(shù)的原始密碼執(zhí)行基礎(chǔ)調(diào)和、糾錯和隱私放大處理。在基本調(diào)和、糾錯和隱私放大處理的每個步驟中,執(zhí)行比特消除以消除向另一側(cè)公開的比特和竊聽的可能性。因此,在其中大部分傳輸數(shù)據(jù)在傳輸信道中丟失并且在隨后的過程中執(zhí)行數(shù)據(jù)消除的傳輸系統(tǒng)中,最終獲得的接收的數(shù)據(jù)量與傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量相比變得非常小。
[引用列表]
[非專利文獻]
“QUANTUM CRYPTOGRAPHY,PUBLIC KEY DISTRIBUTION AND COIN TOSSING”IEEE Int.Conf.on Computers,Systems,and Signal Processing,Bangalore,India,1984年12月10-12日,第175-179頁,Bennett,Brassard.
技術(shù)實現(xiàn)要素:
[技術(shù)問題]
如上所述,在其中大部分傳輸數(shù)據(jù)丟失的傳輸系統(tǒng)中,出現(xiàn)了新的問題,即處理效率下降,這是因為對于在處理傳輸數(shù)據(jù)的傳輸端和處理接收的數(shù)據(jù)的接收端之間要處理器的數(shù)據(jù)量出現(xiàn)了很大的不平衡,以及因為傳輸端的處理負荷變得更大。
本發(fā)明的目的是提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)在執(zhí)行信息傳輸?shù)耐ㄐ旁O(shè)備之間的處理負荷的分散的信息通信系統(tǒng)、信息通信方法和設(shè)備。
根據(jù)本發(fā)明的示例性方面的一種信息通信系統(tǒng),一種用于在通信設(shè)備之間傳輸和接收信息的信息通信系統(tǒng),包括:第一傳輸系統(tǒng),其被配置為在從第一通信設(shè)備向第二通信設(shè)備的方向上傳輸信息;以及第二傳輸系統(tǒng),其被配置為在與第一傳輸系統(tǒng)的該方向相反的方向上傳輸信息,其中傳輸信息的部分被接收作為第一傳輸系統(tǒng)和第二傳輸系統(tǒng)中的每個中的接收的信息。
根據(jù)本發(fā)明的示例性方面的一種通信設(shè)備,一種用于向另一通信設(shè)備傳輸信息和從另一通信設(shè)備接收信息的通信設(shè)備,包括:傳輸裝置,用于通過第一傳輸線向該另一通信設(shè)備傳輸信息;以及接收裝置,用于通過第二傳輸線從該另一通信裝置接收信息,其中傳輸信息的部分被接收作為第一傳輸線和第二傳輸線中的每個中的接收的信息。
根據(jù)本發(fā)明的示例性方面的一種信息通信方法,一種用于在通信設(shè)備之間傳輸和接收信息的信息通信方法,包括:通過使用第一傳輸系統(tǒng)和第二傳輸系統(tǒng),在第一通信設(shè)備和第二通信設(shè)備中的每個處傳輸和接收信息,第一傳輸系統(tǒng)和第二傳輸系統(tǒng)具有彼此相反的傳輸方向;以及接收傳輸信息的部分作為第一傳輸系統(tǒng)和第二傳輸系統(tǒng)中的每個中的接收的信息。
根據(jù)本發(fā)明,可以分散通信設(shè)備之間的處理負荷。
附圖說明
[圖1]圖1是用于圖示量子密鑰分發(fā)(QKD)系統(tǒng)中的信息處理步驟的示意圖。
[圖2]圖2是圖示了根據(jù)本發(fā)明的第一示例實施例的信息通信系統(tǒng)的示意性配置的框圖。
[圖3]圖3是圖示了根據(jù)本發(fā)明的第二示例實施例的信息通信系統(tǒng)的配置示例的框圖。
[圖4]圖4是圖示了根據(jù)本發(fā)明的第三示例實施例的信息通信系統(tǒng)的配置示例的框圖。
具體實施方式
根據(jù)本發(fā)明的示例實施例,當傳輸信息的部分被接收作為被設(shè)置在通信設(shè)備之間的傳輸系統(tǒng)中的接收的信息時,通過提供具有彼此相反的傳輸方向的一對傳輸系統(tǒng),變得可以分散通信設(shè)備之間的處理負荷。在每個通信設(shè)備中,如果使用傳輸信息的預定處理和使用接收信息的預定處理被執(zhí)行,則可以在通信設(shè)備之間實現(xiàn)處理負荷的均衡,并且可以獲得足夠的信息生成效率。由于發(fā)射機和接收器二者被提供在每個通信設(shè)備中,所以傳輸數(shù)據(jù)可以由自身設(shè)備中的接收器接收,并且可以調(diào)整每個通信設(shè)備中的發(fā)射機的參數(shù)。下面將使用附圖詳細描述本發(fā)明的示例實施例。附圖中的箭頭的方向指示作為示例的方向,并且并不限制塊之間的信號的方向。
1.第一示例實施例
如圖2中所示,在根據(jù)本發(fā)明的第一示例實施例的信息通信系統(tǒng)中,第一通信設(shè)備10和第二通信設(shè)備20通過第一傳輸系統(tǒng)31和第二傳輸系統(tǒng)32在彼此相反的方向上執(zhí)行信息傳輸。第一傳輸系統(tǒng)31執(zhí)行從第一通信設(shè)備10到第二通信設(shè)備20的單向傳輸,并且包括第一通信設(shè)備10的發(fā)射機101,第二通信設(shè)備20的接收機201以及連接發(fā)射機101和接收機201的第一傳輸線33。第二傳輸系統(tǒng)32在與第一傳輸系統(tǒng)31的方向相反的方向上執(zhí)行單向傳輸,并且包括第一通信設(shè)備10的接收機102,第二通信設(shè)備20的發(fā)射機202以及連接發(fā)射機202和接收機102的第二傳輸線34。
第一通信設(shè)備10包括發(fā)射機101、接收機102和數(shù)據(jù)處理器103。數(shù)據(jù)處理器103接收在發(fā)射機101上的傳輸信息TD1和由接收機102接收的、來自第二通信設(shè)備20的接收的信息RD2的輸入,并且分別對信息執(zhí)行預定的數(shù)據(jù)處理。第二通信設(shè)備20包括接收機201、發(fā)射機202和數(shù)據(jù)處理器203。數(shù)據(jù)處理器203接收在發(fā)射機202上的傳輸信息TD2和由接收機201接收的、來自第一通信設(shè)備10的接收的信息RD1的輸入,并且分別該信息執(zhí)行預定的數(shù)據(jù)處理。例如,第一通信設(shè)備10的數(shù)據(jù)處理器103和第二通信設(shè)備20的數(shù)據(jù)處理器203可以執(zhí)行相同的信息處理并且生成類似種類的信息。
第一傳輸系統(tǒng)31在從第一通信設(shè)備10向第二通信設(shè)備20的方向上傳輸信息,并且具有接收的信息量變得小于傳輸信息量的特性。也就是說,從發(fā)射機101傳輸?shù)膫鬏斝畔D1在第一傳輸線路33和/或接收機201中部分丟失,并且傳輸信息TD1的僅部分由接收機201接收作為接收的信息RD1。
第二傳輸系統(tǒng)32與第一傳輸系統(tǒng)31相反地在從第二通信設(shè)備20向第一通信設(shè)備10的方向上傳輸信息,并且具有接收的信息量變得小于傳輸信息量的特性,如與第一傳輸系統(tǒng)31的情況相同。也就是說,從發(fā)射機202傳輸?shù)膫鬏斝畔D2通過第二傳輸線34被傳輸并由接收機102接收。在這種情況下,傳輸信息TD2在第二傳輸線路34和/或接收器102中部分丟失,并且傳輸信息TD2的僅部分由接收機102接收作為接收的信息RD2。
因此,數(shù)據(jù)處理器103接收具有大數(shù)據(jù)量的傳輸信息TD1和具有相對小數(shù)據(jù)量的接收的信息RD2的輸入,并且執(zhí)行處理,并且類似地,數(shù)據(jù)處理器203接收具有大數(shù)據(jù)量的傳輸信息TD2和具有相對小數(shù)據(jù)量的接收的信息RD1的輸入,并且執(zhí)行處理。如果第一傳輸系統(tǒng)31和32具有類似的傳輸特性,并且數(shù)據(jù)處理器103和203執(zhí)行相同的信息處理,則變得可以減少關(guān)于第一通信設(shè)備10和第二通信設(shè)備20之間的數(shù)據(jù)處理的負荷的不平衡。
如上所述,根據(jù)本示例實施例,變得可以通過設(shè)置一對傳輸系統(tǒng)31和32來分散通信設(shè)備之間的處理負荷,傳輸系統(tǒng)31和32中的每個傳輸系統(tǒng)在彼此相反的方向上傳輸。也就是說,因為可以在通信設(shè)備之間均衡處理負荷,所以可以有效地利用處理能力。因為每個通信設(shè)備可以通過處理傳輸信息和接收的信息二者來生成信息,所以可以有效地生成期望的信息。
2.第二示例實施例
如圖3中所示,根據(jù)本發(fā)明的第二示例實施例的信息通信系統(tǒng)是其中將上述第一示例實施例應(yīng)用于QKD系統(tǒng)的系統(tǒng)。
在圖3中,通信設(shè)備A和通信設(shè)備B使用量子信道傳輸系統(tǒng)Q1和量子信道傳輸系統(tǒng)Q2來在彼此相反的方向上傳輸由隨機數(shù)信息調(diào)制的單個光子脈沖序列。量子信道傳輸系統(tǒng)Q1包括通信設(shè)備A的發(fā)射機301,通信設(shè)備B的接收機401,連接發(fā)射機301和接收機401的傳輸線(量子信道)。量子信道傳輸系統(tǒng)Q2包括通信設(shè)備B的發(fā)射機402,通信設(shè)備A的接收機302以及連接發(fā)射機402和接收機302的傳輸線(量子信道)。在本示例實施例中,量子信道傳輸系統(tǒng)Q1和Q2的相應(yīng)的傳輸線可以由物理上彼此不同的光纖構(gòu)成,或者可以在同一光纖中被波長復用。
通信設(shè)備A和通信設(shè)備B使用傳統(tǒng)信道傳輸系統(tǒng)C以具有正常水平的光強度執(zhí)行光通信。傳統(tǒng)信道傳輸系統(tǒng)C包括通信設(shè)備A的光通信單元304,通信設(shè)備B的光通信單元404和連接光通信單元304和光通信單元404的傳輸線(傳統(tǒng)信道)。除了同步處理之外,通信設(shè)備A和通信設(shè)備B還使用傳統(tǒng)信道傳輸系統(tǒng)C來執(zhí)行如上所述的與其他通信設(shè)備的基礎(chǔ)調(diào)和、糾錯和隱私放大處理。傳統(tǒng)信道傳輸系統(tǒng)C中的傳統(tǒng)信道可以通過在與包括量子信道傳輸系統(tǒng)Q1和Q2的相同的光纖中的波長復用而被提供。備選地,可以在另一光纖中提供用于同步處理的同步信道。
傳統(tǒng)信道傳輸系統(tǒng)C的傳統(tǒng)信道可以是通過電信號的電通信路徑,而不是光通信。在這種情況下,僅必須用傳輸和接收電信號的通信單元來替換光通信單元304和404。
通信設(shè)備A包括發(fā)射機301、接收機302、加密密鑰生成單元303、光通信單元304和控制單元305。加密密鑰生成單元303對應(yīng)于第一示例實施例中的數(shù)據(jù)處理器103。加密密鑰生成單元303接收發(fā)射機301上的傳輸信息(原始隨機數(shù))TD1和由接收機302從通信設(shè)備B接收的接收的信息RD2的輸入。然后,加密密鑰生成單元303通過執(zhí)行通過光通信單元304與通信設(shè)備B的基礎(chǔ)調(diào)和、糾錯和隱私放大處理來生成加密密鑰,如上所述??刂茊卧?05控制通信設(shè)備A的整體操作。
通信設(shè)備B的基本配置類似于通信設(shè)備A的基本配置。也就是說,通信設(shè)備B包括接收機401、發(fā)射機402、加密密鑰生成單元403、光通信單元404和控制單元405。加密密鑰生成單元403對應(yīng)于第一示例實施例中的數(shù)據(jù)處理器203。加密密鑰生成單元403接收發(fā)射機402上的傳輸信息(原始隨機數(shù))TD2和由接收機401從通信設(shè)備A接收的接收的信息RD1的輸入。然后,加密密鑰生成單元403通過執(zhí)行通過光通信單元404與通信設(shè)備A的基礎(chǔ)調(diào)和、糾錯和隱私放大處理來生成加密密鑰,如上所述??刂茊卧?05控制通信設(shè)備B的整體操作。
在量子信道傳輸系統(tǒng)Q1中,通信設(shè)備A的發(fā)射機301將傳輸信息(原始隨機數(shù)比特信息)TD1放置在每比特的光子數(shù)等于1或更少的非常弱的光脈沖序列上,并且通過量子信道將其傳輸給通信設(shè)備B的接收機401。傳輸中的弱光脈沖序列在傳輸線的中間丟失,并且僅有它的部分到達接收機401。接收機401將檢測到的數(shù)據(jù)輸出給加密密鑰生成單元403作為接收的信息RD1。如上所述,例如,接收的信息RD1的信息量降低到傳輸信息TD1的信息量的大約1/1000。
在量子信道傳輸系統(tǒng)Q2中,通信設(shè)備B的發(fā)射機402將傳輸信息(原始隨機數(shù)比特信息)TD2放置在每比特的光子數(shù)等于1或更少的非常弱的光脈沖序列上,并且通過量子信道將其傳輸給通信設(shè)備A的接收機302。在這種情況下,其傳輸方向與量子信道傳輸系統(tǒng)Q1的傳輸方向相反。傳輸中的弱光脈沖序列在傳輸線的中間丟失,并且僅有它的部分到達接收機302。接收機302將檢測到的數(shù)據(jù)輸出給加密密鑰生成單元303作為接收的信息RD2。假設(shè)與量子信道傳輸系統(tǒng)Q1的情況一樣,接收的信息RD2的信息量也降低到與傳輸信息TD2的信息量相同的水平(大約1/1000)。
加密密鑰生成單元303接收具有大數(shù)據(jù)量的傳輸信息TD1和具有非常小的數(shù)據(jù)量的接收的信息RD2的輸入。加密密鑰生成單元303可以通過經(jīng)由傳統(tǒng)信道傳輸系統(tǒng)C對另一通信設(shè)備B中的傳輸信息TD1和接收的信息RD1執(zhí)行基礎(chǔ)調(diào)和、糾錯和隱私放大處理來生成第一加密密鑰。類似地,加密密鑰生成單元403也接收具有大數(shù)據(jù)量的傳輸信息TD2和具有非常小的數(shù)據(jù)量的接收的信息RD1的輸入。加密密鑰生成單元403可以通過經(jīng)由傳統(tǒng)信道傳輸系統(tǒng)C對另一通信設(shè)備A中的傳輸信息TD2和接收的信息RD2執(zhí)行基礎(chǔ)調(diào)和、糾錯和隱私放大處理來生成第二加密密鑰。因為信息量衰減在具有彼此相反的傳輸方向的一對量子信道傳輸系統(tǒng)Q1和Q2中的每個中均等地出現(xiàn),所以相同水平的信息量被處理;因此,可以在加密密鑰生成單元303和403之間實現(xiàn)處理負荷的均衡。
3.第三示例實施例
根據(jù)本發(fā)明第三示例實施例的信息通信系統(tǒng)是通過向根據(jù)上述第二示例實施例的每個通信設(shè)備添加自診斷功能而被獲得的系統(tǒng)。具體地,增加了改變傳輸光的路徑的光路由切換功能和傳輸參數(shù)調(diào)整功能以便在參數(shù)調(diào)整模式時將傳輸光輸入到自身的設(shè)備中的接收器中。
通常,為了調(diào)整諸如傳輸上述弱光脈沖的發(fā)射機的傳輸光強度等參數(shù),需要接收弱光脈沖的接收機。由于弱光是每比特一個或更少光子的非常弱的光,所以需要能夠檢測單個光子的檢測器;因此,通常使用雪崩光電二極管。因此,使用其它通信設(shè)備中的接收機來執(zhí)行參數(shù)調(diào)整。
然而,在傳輸路徑上可能存在竊聽器,并且如果在參數(shù)調(diào)整期間竊聽器干預,則存在損害QKD的安全性的威脅。另外,由于單個光子檢測器非常昂貴,因此僅僅為了參數(shù)調(diào)整而安裝接收機是不合理的。
根據(jù)本示例實施例,因為提供了用于在相反方向上傳輸?shù)囊粚α孔有诺纻鬏斚到y(tǒng)Q1和Q2,所以每個通信設(shè)備具有用于量子信道的發(fā)射機和接收機。因此,可以將這一接收機用作用于參數(shù)調(diào)整的單個光子接收機。下面將參照圖4來描述本示例實施例。在圖4中,未示出被包括在根據(jù)上述第二示例實施例的通信設(shè)備中的加密密鑰生成單元和光通信單元。
如圖4中所示,根據(jù)本示例實施例的通信設(shè)備A包括分別在發(fā)射機301的輸出側(cè)的光開關(guān)311和在接收機302的接收側(cè)的光開關(guān)312。此外,通信設(shè)備A包括使用接收機302的檢測到的數(shù)據(jù)來調(diào)整諸如發(fā)射機301的傳輸光強度的參數(shù)的參數(shù)調(diào)整單元313。控制單元305控制光開關(guān)311和312的切換操作以及參數(shù)調(diào)整單元313的調(diào)整操作。類似地,根據(jù)本示例實施例的通信設(shè)備B包括分別在發(fā)射機402的輸出側(cè)的光開關(guān)412和在接收機401的接收側(cè)的光開關(guān)411。此外,通信設(shè)備B包括使用接收機401的檢測到的數(shù)據(jù)來調(diào)整諸如發(fā)射機402的傳輸光強度的參數(shù)的參數(shù)調(diào)整單元413??刂茊卧?05控制光開關(guān)411和412的切換操作和參數(shù)調(diào)整單元413的調(diào)整操作。
通信設(shè)備A中的光開關(guān)311包括輸入端口Pi、輸出端口Pol和Po2,并且光開關(guān)312包括輸入端口Pil、Pi2和輸出端口Po。分別地,光開關(guān)311的輸入端口Pi被光學連接到發(fā)射機301的輸出,輸出端口Pol被光學連接到上述量子信道傳輸系統(tǒng)Q1,并且輸出端口Po2被光學連接到光開關(guān)312的輸入端口Pi2。分別地,光開關(guān)312的輸出端口Po被光學連接到接收機302的輸入,輸入端口Pil被光學連接到上述量子信道傳輸系統(tǒng)Q2,并且輸入端口Pi2被光學連接到光開關(guān)311的輸出端口Po2。
在正常操作狀態(tài)下,控制單元305設(shè)置光開關(guān)311和光開關(guān)312,從而使得光開關(guān)311的輸入端口Pi和輸出端口Pol可以被連接,并且光開關(guān)312的輸入端口Pil和輸出端口Po可以被連接。因此,如上所述,通過量子信道傳輸系統(tǒng)Q1和Q2來執(zhí)行用于加密密鑰生成的操作。
在參數(shù)調(diào)整時,控制單元305設(shè)置光開關(guān)311和光開關(guān)312,從而使得光開關(guān)311的輸入端口Pi和輸出端口Po2可以被連接,并且光開關(guān)312的輸入端口Pi2和輸出端口Po可以被連接。因此,從發(fā)射機301輸出的弱光信號通過光開關(guān)311的輸出端口Po2以及光開關(guān)312的輸入端口Pi2和輸出端口Po被輸入到接收機302中。這使得參數(shù)調(diào)整單元313能夠使用接收機302的檢測到的數(shù)據(jù)來調(diào)整諸如發(fā)射機301的傳輸光強度的參數(shù)。在通信設(shè)備B中,光開關(guān)411和412被配置和操作如上;因此,省略對它們的描述。
如上所述,根據(jù)本示例實施例,在每個通信設(shè)備中包括光開關(guān)作為用于在自身的設(shè)備中將傳輸光從發(fā)射機返回到接收機的光路由切換裝置。在參數(shù)調(diào)整模式時,控制單元可以通過切換光開關(guān)來完成自身的設(shè)備中的參數(shù)調(diào)整,從而使得傳輸光可以被輸入到自身的設(shè)備中的接收機中;因此,可以在不損害QKD的安全性的情況下執(zhí)行發(fā)射機的參數(shù)調(diào)整。
在上述第一至第三示例實施例中,已經(jīng)示出了具有彼此相反的傳輸方向的一對傳輸系統(tǒng),但是本發(fā)明不限于這些示例實施例,并且可以使用具有多對傳輸系統(tǒng)的通信系統(tǒng)。
已經(jīng)使用上述示例性實施例作為示例性示例而描述了本發(fā)明。然而,本發(fā)明不限于上述示例性實施例。也就是說,在本發(fā)明中,本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的各種方面可以在本發(fā)明的范圍內(nèi)被應(yīng)用。
本申請基于并要求于2014年8月25日提交的日本專利申請No.2004-170087的優(yōu)先權(quán),其公開內(nèi)容通過引用整體并入本文。
[工業(yè)適用性]
本發(fā)明一般地適用于其中通過各自具有預定傳輸方向的多個傳輸系統(tǒng)執(zhí)行信息傳輸?shù)男畔⑼ㄐ畔到y(tǒng)。
[標號列表]
10 第一通信設(shè)備
20 第二通信設(shè)備
31 第一傳輸系統(tǒng)
32 第二傳輸系統(tǒng)
33 第一傳輸線
34 第二傳輸線
101 發(fā)射機
102 接收機
103 數(shù)據(jù)處理器
201 接收機
202 發(fā)射機
203 數(shù)據(jù)處理器
301 發(fā)射機
302 接收機
303 加密密鑰生成單元
304 光通信單元
305 控制單元
311、312 光開關(guān)
313 參數(shù)調(diào)整單元
401 接收機
402 發(fā)射機
403 加密密鑰生成單元
404 光通信單元
405 控制單元
411、412 光開關(guān)
413 參數(shù)調(diào)整單元