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专利号: 2020108316807
申请人: 中南大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-12-01
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种离散量子密钥分发中针对器件缺陷的攻击检测方法,包括如下步骤:

S1.搭建以InGaAs-based SPAD为单光子探测器件的离散量子密钥分发系统;

S2.在步骤S1搭建的离散量子密钥分发系统中,进行正常情况下的量子密钥分发,从而获取正样本数据;

S3.在与步骤S2相同的量子密钥分发条件下,引入针对InGaAs-based SPAD器件缺陷的攻击,并进行量子密钥分发,从而获取负样本数据;

S4.根据步骤S2获取的正样本数据和步骤S3获取的负样本数据,制作训练数据集;

S5.采用步骤S4获取的训练数据集对攻击检测模型进行训练,从而得到攻击检测分类器;

S6.采用步骤S5得到的攻击检测分类器,对正常通信的离散量子密钥分发进行监测,从而完成离散量子密钥分发中针对器件缺陷的攻击检测。

2.根据权利要求1所述的离散量子密钥分发中针对器件缺陷的攻击检测方法,其特征在于步骤S2所述的在步骤S1搭建的离散量子密钥分发系统中,进行正常情况下的量子密钥分发,从而获取正样本数据,具体为采用如下规则获取正样本数据:离散变量量子密钥分发系统采用BB84协议,编码方式为偏振编码,以光纤为传输信道,工作波长为1550nm;

在通信过程中,以一个门模式工作周期T为计量单位;每经过时间T,将单光子探测器i探测到的n个光子写入矩阵[n11,n12,...,n1m;n21,n22,...,n2m;n31,n32,...,n3m;n41,n42,...,n4m],从而得到正样本数据;其中n为自然数,m为采样的历史时刻数且为任意正整数。

3.根据权利要求2述的离散量子密钥分发中针对器件缺陷的攻击检测方法,其特征在于步骤S3所述的在与步骤S2相同的量子密钥分发条件下,引入针对InGaAs-based SPAD器件缺陷的攻击,并进行量子密钥分发,从而获取负样本数据,具体为采用如下规则获取负样本数据:在通信过程中,保证在与步骤S2相同的量子密钥分发条件下,引入针对InGaAs-based SPAD器件缺陷的攻击;同时,以一个门模式工作周期T为计量单位;每经过时间T,将单光子探测器i探测到的n个光子写入矩阵[n'11,n'12,...,n'1m;n'21,n'22,...,n'2m;n'31,n'32,...,n'3m;n'41,n'42,...,n'4m],从而得到负样本数据;其中n为自然数,m为采样的历史时刻数且为任意正整数;

针对InGaAs-based SPAD器件缺陷的攻击,具体包括致盲攻击,门后攻击和时移攻击;

致盲攻击:攻击端发送一束强光使得接收方的单光子探测器工作在线性模式,而后攻击端发送具有定制光功率的明亮脉冲至接收端,当接收端所选基与攻击端相同时,单光子探测器响应,相反时则不发生响应;

门后攻击:通过正确获取检测时间周期之外单光子探测器的线性模式,攻击端调整亮脉冲强度,将其发送在检测窗口之后,使得当接收端所选基与攻击端相同时,单光子探测器响应,相反时则不发生响应;

时移攻击:攻击端通过电动可调光学延迟线,将来自发送端的脉冲随机移位,使该光子更容易被某一特定单光子探测器检测,从而获取通信信息;在具体实施时,使用电动可调光学延迟线,使得单光子到达时间延迟或者加快几百皮秒。

4.根据权利要求1~3之一所述的离散量子密钥分发中针对器件缺陷的攻击检测方法,其特征在于步骤S5所述的采用步骤S4获取的训练数据集对攻击检测模型进行训练,从而得到攻击检测分类器,具体为采用如下步骤得到攻击检测分类器:A.采用小波变换处理步骤S4得到的训练数据集;

B.采用长短期记忆卷积神经网络作为初始分类器;初始分类器包括输入门、遗忘门和输出门;输入门采用正切函数和sigmoid激活函数实现;遗忘门采用sigmoid激活函数实现;

输出门采用relu激活函数实现;

C.将处理后的训练数据集输入初始分类器,得到输出结果,并将输出结果输入到初始分类器外接的Batch Normalization层,再将输出结果通过池化层,全连接层和softmax层,得到最终的输出结果。

5.根据权利要求4所述的离散量子密钥分发中针对器件缺陷的攻击检测方法,其特征在于所述的采用小波变换处理步骤S4得到的训练数据集,具体为小波变换采用Coiflets小波基函数,同时使用ddencmp函数获取序列在降噪过程中的默认阈值,并将此默认此阈值作为全局软阈值。

6.根据权利要求5所述的离散量子密钥分发中针对器件缺陷的攻击检测方法,其特征在于所述的将处理后的训练数据集输入初始分类器,得到输出结果,具体为采用如下步骤得到输出结果:a.对于状态Ct,遗忘门读取前一状态的信息ht-1和当前状态的输入信息xt,采用如下算式得到一个在0~1之间的数值,用于表示细胞状态Ct-1中信息保留的百分比:ft=σ(Wf*[ht-1,xt]+bf)

式中Wf为遗忘门的权重矩阵;bf为遗忘门的偏差权重向量;ht-1为前一时刻的细胞状态;

xt为当前时刻输入信息;ft为遗忘门的最终输出;σ为sigmoid函数且

b.令ht-1和xt通过输入门的操作,采用如下算式得到更新内容:

it=σ(Wi*[ht-1,xt]+bi)

式中Wi为输入门的权重矩阵;bi为输入门的偏差权重向量;ht-1为前一时刻的细胞状态;

xt为当前时刻样本;it为当前时刻输入门的输出参数;

c.令ht-1和xt通过tanh层,采用如下算式得到新的候选细胞信息:

式中bC为偏置权重向量; 为当前时刻输入门的候选记忆;φ为双曲线正切函数tanh且d.通过遗忘门选择忘记旧细胞的信息,并通过输入门选择添加候选细胞信息 的一部分,采用如下算式得到新的细胞信息Ct:e.将得到的数据信息,采用如下算式通过输出门的sigmoid层得到判断条件ot=σ(Wo*[ht-1,xt]+bo),再将细胞状态通过relu层得到向量,该向量与输出门得到的判断条件,采用如下算式相乘得到最终的RNN单元的输出ht:ht=ot*ψ(Ct);其中Wo为输出门的权重矩阵;bo为输出门的偏差权重向量;ht-1为前一时刻的细胞状态;xt为当前时刻样本;ot为当前时刻输出门的输出参数;Ct为当前时刻的细胞状态;ht为当前状态的信息;ψ为relu函数且ψ(x)=max(0,x)。

7.根据权利要求6所述的离散量子密钥分发中针对器件缺陷的攻击检测方法,其特征在于所述的池化层采用平均池化。

8.根据权利要求7所述的离散量子密钥分发中针对器件缺陷的攻击检测方法,其特征在于所述的全连接层的损失函数为adam函数。

9.根据权利要求8所述的离散量子密钥分发中针对器件缺陷的攻击检测方法,其特征在于所述的Batch Normalization层,具体为根据输出结果对应的均值和方差,将输出结果进行归一化处理;再将归一化处理得到的结果,根据缩放系数和偏移系数进行线性变换,从而得到Batch Normalization层的处理结果。