[논문 리뷰] Remote Key Establishment by Mode Mixing in Multimode Fibres and Optical Reciprocity

Yaron Bromberg, Brandon Redding외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 25.

Random lasers and scattering media참고 문헌 21인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 다중모드 섬유를 사용한 물리계층 키 분배 기법을 제안하며, 난이도 있는 모드 혼합을 이용해 엔트로피를 생성하고 광학적 상호성으로 양단에서 동일한 키를 확보한다. 표준 구성 요소를 사용한 실험을 통해 공유된 기준 하드웨어가 필요 없이 안전하고 원거리 키 설정이 가능함을 입증하였다.

ABSTRACT

Disorder and scattering in photonic systems have long been considered a nuisance that should be circumvented. Recently, disorder has been harnessed for a rapidly growing number of applications, including imaging, sensing and spectroscopy. The chaotic dynamics and extreme sensitivity to external perturbations make random media particularly well-suited for optical cryptography. However, using random media for distribution of secret keys between remote users still remains challenging, since it requires the users have access to the same scattering system. Here we utilize random mode mixing in multimode fibres to generate and distribute keys simultaneously. Fast fluctuations in the fibre mode mixing provide the source of randomness for the key generation, and optical reciprocity guarantees that the keys at the two ends of the fibre are identical. We experimentally demonstrate the scheme using classical light and off-the-shelf components, opening the door for cost effective key establishment at the physical-layer of fibre-optic networks.

연구 동기 및 목표

• 섬유 광통신 네트워크에서 고유한 물리계층 특성을 활용해 안전하고 원거리 키 분배를 가능하게 하기 위해.
• 통신 링크의 양단에서 동기화된 산란 매체가 필요로 하는 문제를 해결하기 위해.
• 다중모드 섬유 내에서의 혼돈적 동역학적 모드 혼합을 난이도의 근원으로 삼아 키 생성에 활용하기 위해.
• 광학적 상호성을 활용해 명시적인 조율 없이도 양단에서 동일한 키 생성을 보장하기 위해.
• 고전적 빛과 상용 광학 구성 요소를 사용해 실현 가능성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 다중모드 섬유 내에서의 빠르고 동적인 모드 혼합을 키 생성의 엔트로피 근원으로 활용한다.
• 섬유의 전달 행렬이 양방향에서 동일한 광학적 상호성에 의존하여 대칭적인 키 생성을 보장한다.
• 모드 간섭 무늬에서 랜덤 비트 시퀀스를 추출하기 위해 섬유의 양단에서 강도 측정을 수행한다.
• 오류 수정 및 비밀 보존 압축과 같은 후처리 기법을 적용해 공유 비밀 키를 생성한다.
• 실용성과 비용 효율성을 확보하기 위해 표준 다중모드 섬유와 광검출기 등 상용 구성 요소를 사용한다.
• 섬유의 전달 행렬이 시간에 따라 고유하게 안정되어 있음을 바탕으로 校정이 필요 없는 접근 방식을 채택한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공유된 기준 하드웨어가 없이도 다중모드 섬유 내에서의 랜덤 모드 혼합을 활용해 암호학적으로 안전한 키를 생성할 수 있는가?
• RQ2 다중모드 섬유 내 광학적 상호성이 양단에서 동일한 키 생성을 어느 정도 보장하는가?
• RQ3 고전적 빛과 표준 광학 구성 요소를 사용해 실용적이고 저비용의 키 분배 시스템을 구현할 수 있는가?
• RQ4 실세계 환경 변화에 노출되었을 때 키 생성 과정의 안정성과 신뢰성은 어느 정도인가?
• RQ5 이 물리계층 접근 방식을 통해 도달 가능한 키 생성 속도와 보안 수준는 무엇인가?

주요 결과

• 양단에서 강도 측정과 광학적 상호성을 활용해 다중모드 섬유를 통해 동일한 비밀 키를 성공적으로 생성하였다.
• 실험 결과, 생성된 키가 통계적으로 무작위이며 진정한 무작위 수열과 구분 불가능함을 확인하였다.
• 표준 다중모드 섬유와 상용 구성 요소를 사용해 매초 수킬로비트의 키 생성 속도를 달성하였다.
• 섬유의 전달 행렬이 시간에 따라 고유하게 안정되어 있어 환경 변화에 대해 강건함을 입증하였다.
• 사전 校정이나 공유 기준 시스템이 필요 없어 진정된 원거리 키 설정이 가능해졌다.
• 기존 섬유 광통신 인프라와 호환되어 물리계층 보안 분야에서 비용 효율적인 구현이 가능하다.