Criptografia na camada física baseada em codificação espectral implantada por meio de DSP e aplicada a redes ópticas

Abstract

O objetivo desse projeto é propor e avaliar a aplicação de uma nova técnica de criptografia de sinais para sistemas de comunicações ópticas. A técnica consiste em utilizar processamento digital de sinais para: i) dividir um sinal de entrada em várias fatias espectrais, ii) aplicar um desvio de fase a cada fatia, iii) embaralhar essas fatias entre si e iv) multiplexar espectralmente todas as fatias, v) para gerar um sinal banda-base de saída que é uma versão encriptada (distorcida) do sinal de entrada. Essa técnica foi denominada como criptografia de codificação espectral de fase e embaralhamento intracanal por processamento digital de sinais (spectral phase encoding and scrambling cryptography by digital signal processing, DSP-SPE-Scr). O sinal em banda-base criptografado é então modulado em uma portadora óptica e propagado por uma rede óptica transparente. Resultados obtidos sugerem que a técnica é muito segura contra ataques de força bruta. Além disso, apesar do sinal criptografado ter uma distribuição de potência própria que pode excitar ainda mais as não-linearidades do sistema, esses sinais ainda podem ser propagados por redes metropolitanas com diâmetros maiores que 640 km. Isso indica o potencial de utilização da técnica em sistemas comerciais de comunicação óptica. Adicionalmente, mostramos que trabalhar com uma abordagem de chaves dinâmicas torna a DSP-SPE-Scr ainda mais segura porque, com essa abordagem, as propriedades de difusão e confusão de Shannon e a segurança semântica são satisfeitas. No melhor de nosso conhecimento, essa é a primeira vez que chaves dinâmicas são aplicadas a algoritmos de encriptação de sinais, com a avaliação das propriedades de difusão, confusão e segurança semântica.

The objective of this project is to propose and evaluate the application of a new signal encryption technique for optical communications systems. The technique consists of using digital signal processing to: i) divide an input signal into several spectral slices, ii) apply a own phase shift to each slice, iii) to scramble these slices and iv) spectrally multiplex all slices, v) to generate a baseband output signal which is an encrypted (distorted) version of the input signal. This technique was called spectral phase encoding and scrambling cryptography by digital signal processing, DSP-SPE-Scr. The baseband encrypted signal is then modulated on an optical carrier and propagated by a transparent optical network. Results obtained suggest that the technique is safe against brute force attacks. Moreover, although the encrypted signal has a different power distribution that might excites the nonlinearities of the system, these signals can still be propagated by metropolitan networks with a diameter larger than 640 km, which indicates that the technique may be applied to commercial optical communication systems. Additionally, we found that working with the dynamic keys strategy in the DSP-SPE-Scr makes it even safer because, with this approach, Shannon's diffusion and confusion properties and semantic security are satisfied. To the best of our knowledge, this is the first time the dynamic keys are applied to signal encryption algorithm with the evaluation of diffusion and confusion properties and semantic security.