云计算背景下网络安全技术实现路径分析

◆朱湘宝 黄宇

（1.桂林信通科技有限公司 广西 541004；2.南宁理工学院 广西 541000）

量子保密通信是一种具有无条件安全性特征的网络安全技术路径，此项网络安全技术路径的实现需要依托于MDI-QKD 技术的应用，即量子密钥分发技术的应用。实现MDI-QKD 这一网络安全技术路径，在理论上可规避云计算开放性特质带来的网络安全问题。基于此，对上述网络安全技术实现路径展开验证分析，探讨MDI-QKD 的可行性、有效性，为云计算网络安全建设提供依据。

1 云计算背景下网络安全技术实现路径分析背景

在互联网环境下，云计算的应用让普通的用户，得以在无须付出大量计算成本的情况下，获取质量更高的计算资源，因此，一直以来，云计算技术都是信息技术领域的热点技术。但事实上，云计算强大的开放性，使得网络环境中存在严重的安全缺陷，影响了该技术的应用效果。在此背景下，人们提出了QKD，即量子密钥分发的典型协议，其可以被定义为，一种通过通信双方一起协商，来实现共享密钥构建的过程，而该过程已经被证实为是一种无条件安全的过程，从而能够被有效运用到云计算网络安全技术实现上。但由于实际应用时，所用的探测设备、信号源，均存在不完善性，导致该协议的应用效果难以达到双方绝对安全的水平，而且其中的单光探测器，还容易遭受各类攻击。此外，信号源的不完善也会成为攻击的切入点，导致密钥难以顺利生成。为此，人们提出了MDI-QKD 协议，其能够有效规避上述探测设备、信号源的不完善性问题，提高了网络安全技术实施路径的建设效果。由此，本文拟对基于MDI-QKD 的云计算网络安全技术实施路径展开分析，以归纳总结出更好的云计算网络安全建设方案，希望能够为云计算技术的普及应用提供参考。

2 云计算背景下网络安全技术实现路径分析过程

2.1 网络安全技术路径系统架构

MDI-QKD 系统的架构，如图1 所示，主要是由三个部分组成，即Alice 端、BOb 端、Charie 端。其中，前两个部分是编码端，而最后一部分为探测端，这种结构让该系统具有即插即用的特点，可以对系统应用中存在的双折射效应进行自动补偿，因此，该系统不需要工作者另外设置偏振校准系统，进行双折射偏振调整，这是使得该系统在量子密钥的生成中具有更大的应用优势。

图1 MDI-QKD 系统架构

2.2 技术路径实现流程

在云计算背景下，进行网络安全技术实现时，MDI-QKD 系统的工作过程如下：

第一，生成光脉冲，在此过程中，IM1 会将Charlie 端发出的连续信号光予以强度调制处理，让其转化为脉冲信号光，然后BS1 会将该信号光分为两路，并分别通过CIR2、CIR1 同时输送对称的Alice、Bob 端；第二，调制、监测，上述程序完成后，Alice 端的F，即滤波器，会将信号光中无用的光学成分去除，再运用BS3，使其被分为两路，一路输送到编码模块，再经过CIR3、PM1、IM2 的处理，完成诱骗态的调制，而另一路输送到ID1 估计信号脉冲的PND，以用于监测、应对特洛伊木马攻击；第三，脉冲编码，待脉冲调制完毕后，脉冲会经过CIR4、FM1 的预处理，到达编码模块。在编码模块中，不等臂干涉仪会将一个光脉冲，转化为两个既定时间间隔的脉冲，然后相位调制器，则会设定这两个脉冲的相对相位参数，完成相位编码。此后，脉冲还会被强度调制器予以通光、消光处理，由此完成时间编码操作；第四，探测，待上述编码操作完毕后，Att 则会对脉冲予以衰减处理，使其保持单光子水平，再将其输送到Charie 端，然后该探测端的BS2，会干涉脉冲，使分别来自Bob 端、Alice 端的脉冲，保持相互对齐的状态。此后，探测器再对被输送来的脉冲予以探测处理，得到脉冲的贝尔态测量结果。然后，再用采集卡将测量输出数据予以归集，最后，探测端会根据实际情况，将所需的数据予以记录，并使用公共信道，公示其选择的编码基；第五，筛选，待编码基被公示后，若Bob 与Alice 端所选择的编码基为同一个，则需对该编码基的比特位进行翻转处理。在此情况下，若QBER，即平均量子误码率＜阈值，那么剩下的比特脉冲就是初始密钥；第五，最终密钥生成。运用两个编码端，对密钥予以纠错以及隐私放大处理，由此评估外界威胁能够为密钥带来的影响，然后基于此，进行初始密钥的最后处理，形成最终密钥，用以保证云计算背景下的网络安全。

2.3 技术路径中同步单元的设计和实现

在技术路径实现过程中，为了确保MDI-QKD 系统内的单光子探测器可以保持精准的运行状态，需要把发射端的信号，准确地同步传输到接收端，同时让探测器检测到的信号呈同步状态，由此才能去除更多的暗计数，压低误码率。由此可见，双方信息的同步是MDI-QKD系统有效运行的基础，而且同步信号准确性越高，该技术的使用性能就越好。为此，在技术实现过程中，需重点关注同步单元的设计和实现，以提高同步信号的准确性，增强云计算网络安全技术路径的建设效果。

在同步方案设计中，本文将信号激光器、同步激光器，均设置在了Charlie 处。在此背景下，BS 会将同步脉冲光转化为两路脉冲光，然后将脉冲光分别送入Bob、Alice 端，期间为了确保同步光和信号光所走过的路径长度相同，还要运用波分复用器，将这两种光导入同一根光纤中，同时，还要考虑两种光的相互干扰问题，选用不同的波段进行光导入，并在两个信号光脉冲之间，用同步光脉冲隔开。此外，考虑到两个编码端，都在FPGA 的控制下，所以，在同步光到达两个编码端处时，需要使用光电转化器，将光转化为电脉冲，再送到FPGA 处，使其能够顺利落实脉冲编码操作。待编码完毕后，还要对脉冲予以延时处理，让两个编码端的信号光能够在探测端实现完美干涉。此后，再将电脉冲重新转化为光脉冲，并进行二次编码，然后借助CWDM 将其与信号光传输到探测端。但由于探测端的探测器仅支持电信号，所以，应使用转换器将光信号转换为电信号，再用探测器探测。此后再使用采集卡，归集探测器输出的信号，由此完成同步[1]。

在同步设计的实现上，根据上述设计，首先，应当先生成同步脉冲信号。通常来说，使用电信号，进行窄脉冲驱动激光二极管，即可形成同步脉冲信号。人们通过将正向电流输送到激光二极管中，并让电流超出二极管的电流阈值，就能够使活性层中出现粒子反转的情况，由此赋予活性层物质一定的辐射能力，再借助该物质生成激光[2]。在此过程中，为了顺利、完整地在激光上加载窄脉冲，需要先让小于二极管阈值的电流流过二极管，待窄脉冲加载后，即可形成相应的光功率。在同步脉冲信号的生成上，考虑到根据上述设计，需要用波分复用器，将信号光、同步光传输到同一根光纤中，因此，为了降低相互干扰，可以使用1570nm 的波段传输同步光，并使用1550nm 的波段传输信号光[3]。从脉冲的宽度上来看，探测端的探测器门宽，不会限制同步激光器。但为了避免信号光对同步光产生干扰，需确保同步光在无泄漏的情况下，宽度尽量减小。为此，可以将信号光宽度设置为2.5ns、同步光设置为20ns。

其次，需要做好同步脉冲延时调节实现操作。在技术路径设计的实现中，此项操作环节的主要目的是，确保两个编码端的第i 个脉冲，可以同时到达探测端，完成干涉[4]。其中，i 为正整数。但实际上，云计算场景中，经常会出现两个编码端到探测端的距离存在差异的情况，这使得i 个脉冲到达探测端的时间也不同，因此，为了确保两个i 脉冲能够一同到达探测端，则应先测量两个脉冲达到探测端的时间，测量时间差，再基于此，进行脉冲延时调节操作，即可保证两个脉冲的同步到达。但在此过程中，所用激光器的发射功率对测量存在限制，而且在一定时间内，能够积累的光计数也比较少，这使得系统无法在短时间内，计算出脉冲延迟所需的精度为皮秒的延迟位置。为此，可以同时使用精测量、粗测量两种测量方式，以获得较高的延时差测量结果，满足技术路径的实现需求[5]。

在测量过程中，相应的示意图如图2。一般来说，时间差应当包括，BS，即光分数器到两个SPD，即探测器的时间差，以及两个编码端，即Alice、Bob 到BS 的时间差。其中，BS 到SPD 的时间差为，Δt1=(t1+t2) -(t1+t3)(t2＞t3)。而两个编码端到BS 的时间差为，Δt1=(t1+t2) -(t1+t4)(t1＞t4)，然后采用精测量、粗测量两种方式，按照上述两个公式，分别测出时间差，再按照该时间差，进行延时调整，以保证脉冲的同步到达。此后，还要构建出配套的延时电路，并选择精密延时发生器，且要保证该发生器，支持数字编程控制，以更精准地实现对脉冲的延迟调节。

图2 测量示意图

最后，在同步单元实现中，还要构建出同步脉冲出发单光子探测器工作体系，以及采集卡工作体系，让密钥得以顺利生成。在此过程中，需要待脉冲到达探测端之后，用光电转化器对其进行处理，使其成为电脉冲，再将其放大，转变成为TTL 标准电平。此后，将标准电平划分为三路，分别送入SPD1、SPD2 这两个探测器，以及采集卡处。但为了确保信号光被送达时，探测门能够及时开启，还要在放大器与探测器、采集卡之间，设置延迟芯片，以确保探测器能够精准地探测到脉冲。考虑到探测器得出的探测结果是以模拟信号的形式呈现的，而计算机只能识别和处理数字信号，所以，当探测器完成输出后，还要将输出的信号转化为数字信号。为此，需要使用采集卡，作为信号转化装置。在此过程中，为了保证采集卡能够精准、完整地采集探测器的输出数据，应在时阈上，保持采样信号、数据信号的一致性，而且还要让采样脉冲稍窄、数据脉冲稍宽，以便于能够将采样位置定位在数据信号的终点附近，由此得到更为完整的数据信号，促进密钥的顺利生成，保证云计算应用过程中的网络安全，落实网络安全技术路径。

2.4 技术实现路径的试验验证结果与分析

为了验证上述网络安全技术实现路径的可行性，研究者在实验室搭设了相应的试验平台，对上述技术实现路径进行了建设和运行。运行结果显示，MDI-QKD 系统在进行同步单元通信期间，借助精准的时延调节，在探测端，成功地让两个编码端的信号脉冲，呈现出了贝尔泰干涉现象，而且经过干涉处理后，探测器所输出的测量结果，被采集卡精准采集，然后探测端又结合采集卡内数据的现状，筛选出了成功的结果，并将该结果通过公共信道，加以公布，最后，被公布的结果经过后处理环节，成功形成了最终密钥，达到了MDI-QKD 这一网络安全技术路径的预期实现效果。由此可见，上述技术实现路径可行，能够有效保证云计算背景下的网络信息安全。此外，经过试验观察，研究者发现，当温度变化时，干涉仪中的脉冲可能会引入新的相位差，提高误码率，影响干涉效果，同时，两个编码端的干涉仪不同，也会让技术的实现面临路径不一致的问题，增加误码率，因此，在技术实现路径建设中，应当关注环境温度，并采取有效措施保持环境温度的稳定性，而且也要为两个编码端，即Alice、Bob 端，选用相同的干涉仪，由此，深入优化技术实现路径的运行效果，保证网络安全技术的使用性能水平能够达到预期。

3 讨论

在云计算背景下，MDI-QKD 技术是一种无条件安全的网络安全技术，而根据上文关于该技术实现路径的论述可知，该技术具有有效的技术实现路径，可行性满足推广使用需求。因此，为了推动云计算技术的发展，提升各领域的信息化建设水平，可以将此项技术作为一项重点推广的网络安全技术，并结合现有的云计算技术应用场景情况，不断完善配套的技术实现路径方案，让此项技术具备更强的可行性优势，由此充分发挥此项网络安全技术的效能，推动大数据时代的发展。

综上所述，顺利实现网络安全技术实现路径，能够为云计算的推广应用提供良好条件。经过上述技术实现路径分析，可以看出，MDI-QKD 技术具有良好的适用性，通过对该技术进行合理的应用设计和实践操作，能够顺利落实云计算网络安全技术实现路径建设，保证数据通信传输的安全性，深入优化云计算技术的使用性能。