Informationssicherheit auf der Übertragungsschicht in Multimode-Faser-Kommunikationssystemen
Optische Netzwerke bilden heutzutage das Rückgrat unseres Internets, da sie als Technologieplattform die stetig steigende Nachfrage nach einer höheren Bandbreite ermöglichen können. Dafür haben sie sich in den letzten Jahren von Singlemode-Systemen mit einer Bandbreite von einigen Megabyte pro Sekunde zu Systemen mit mehreren Petabyte pro Sekunde weiterentwickelt. Des Weiteren werden auch zunehmend viele sensible Daten übertragen, wodurch die Anforderungen an die Informationssicherheit der Datennetze der Zukunft steigt. Ein Ansatz, um dieser Anforderung gerecht zu werden, ist die Nutzung von Quantenverschlüsselung. Diese weist jedoch einen hohen Implementierungsaufwand auf. Aus diesem Grund untersuchen wir die Übertragungseigenschaften von Multimode-Fasern (MMF) näher, um mit diesen eine qualitative gleichwertige Verschlüsselung auf der Ebene der Übertragungsschicht zu erzielen. Hierfür darf die Informationssicherheit nicht auf kryptographischen Algorithmen beruhen, da diese mit hinreichend großer Rechenkapazität gebrochen werden können. Unsere Untersuchung konzentriert sich auf einen informationstheoretisch sicheren Ansatz, der Sicherheit garantiert, unabhängig von den Möglichkeiten und Ressourcen der Angreifer.
Dabei untersuchen wir zunächst eine einzelne MMF-Verbindung zwischen zwei Netzwerkknoten (von Alice zu Bob). Ziel ist es die Übertragungseigenschaften der MMF so auszunutzen, dass den legitimierten Knoten ein Vorteil gegenüber den Angreifern verschafft wird. Hierfür werden an der Professur für Mess- und Sensorsystemtechnik (MST) Messungen der Transmissionsmatrix der MMF durchgeführt, um den Kanal zu charakterisieren. Dabei werden alle von der Faser geführten Moden am Eingang nacheinander angeregt und die Superposition der Moden am Ausgang gemessen. Zusätzlich werden Einflüsse von diversen Parametern (z.B. Biegung der Faser) auf die Transmissionsmatrix untersucht, um die optimalen physikalische Randbedingungen zu ermitteln.
Die Matrizen werden von der Professur für Theoretische Nachrichtentechnik (TNT) anschließend genutzt, um ein Kanalmodell zu erstellen. Allein durch die für die Angreifer unbekannte Kopplung der Moden innerhalb der Faser sollte schon ein Vorteil für Alice und Bob entstehen. Um diesen Vorteil noch weiter auszubauen werden verschiedene „precoding“ und „wiretap codings“ benutzt, um zusammen mit künstlichem Rauschen die Sicherheit weiter zu erhöhen. Die beste Konfiguration wird anschließend in einem Demonstrationsexperiment genutzt, um zu validieren, dass informationstheoretische Sicherheit auf der Übertragungsschicht in MMF Systemen unter Nutzung von Ortsmultiplex möglich ist und verschiedenen Arten von Angriffen standhält. Die Stärke dieses Antrages besteht in der engen Zusammenarbeit zwischen der MST und TNT, welche sich mit ihren Kompetenzen gegenseitig sehr gut ergänzen und eine erfolgreiche Bearbeitung dieses Projektes ermöglichen.
Bearbeiter: S. Rothe, H. Radner, N. Koukourakis, J. Czarske
Zeitraum: 12/18 - 11/21
Partner: Technische Universität Dresden, Communications Theory Chair (TNT),
Prof. E. Jorswieck, M. Sc. A. Lonnstrom
Optisches Netzwerk
J. Czarske, D. Haufe, N. Koukourakis, L. Büttner “Transmission of independent signals through a multimode fiber using digital optical phase conjugation”, Opt. Express 24(13), 15128-15136 (2016).
D. Haufe, N. Koukourakis, L. Büttner, J. Czarske, “Transmission of multiple signals through an optical fiber using wavefront shaping”, Journal of Visualized Experiments, e55407, doi:10.3791/55407, (2017)