高速光子防火墻關(guān)鍵技術(shù)綜述

黃善國(guó)，李新，唐穎，郭俊峰

（北京郵電大學(xué)信息光子學(xué)與光通信研究院，北京 100876）

1 引言

隨著信息時(shí)代的到來(lái)，信息技術(shù)正以迅猛態(tài)勢(shì)滲透于社會(huì)的方方面面，而全光網(wǎng)絡(luò)通過(guò)利用光節(jié)點(diǎn)替代現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的電節(jié)點(diǎn)，并以光纖進(jìn)行連接，能夠直接在光域中實(shí)現(xiàn)信號(hào)的存儲(chǔ)、傳輸和處理，只需在進(jìn)出網(wǎng)絡(luò)時(shí)進(jìn)行光/電、電/光的轉(zhuǎn)換，大大地提高了信號(hào)的傳輸質(zhì)量和傳輸容量，有效地解決了“電子瓶頸”的限制[1]。由于光網(wǎng)絡(luò)一直都被認(rèn)為具有高的保密性和安全性，目前，專門針對(duì)光網(wǎng)絡(luò)的安全措施較少。然而隨著技術(shù)的發(fā)展，各種網(wǎng)絡(luò)入侵手段層出不窮，包括流量分析、竊聽(tīng)、信號(hào)延遲、拒絕服務(wù)等[2]，康寧公司[3]分析了包括光纖彎曲、光纖分裂、衰減器耦合在內(nèi)的幾種接入光纖的方式，鑒于光纖彎曲的易操作性及其被檢測(cè)的風(fēng)險(xiǎn)最小，重點(diǎn)討論了在單模光纖中成功探測(cè)信號(hào)所需的彎曲損耗。文獻(xiàn)[4]提出了一種基于信號(hào)延遲插入的光網(wǎng)絡(luò)攻擊方式，該方法能夠在不改變鏈路光纖性能的同時(shí)，利用信號(hào)延遲在系統(tǒng)中引起較高的串?dāng)_，從而極大地降低系統(tǒng)性能，因此光網(wǎng)絡(luò)已不再是曾經(jīng)被認(rèn)為的“絕對(duì)”安全，網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題亟待解決。同時(shí)，由于光纖通信寬帶寬、大容量的傳輸特性，若沒(méi)有對(duì)光網(wǎng)絡(luò)做好安全防護(hù)措施，短暫的網(wǎng)絡(luò)攻擊都會(huì)造成大量數(shù)據(jù)丟失或者被竊取[5]。因此，必須調(diào)查分析光網(wǎng)絡(luò)存在的安全隱患并進(jìn)行相應(yīng)的對(duì)策研究，針對(duì)光網(wǎng)絡(luò)存在的安全問(wèn)題，提前做好安全防護(hù)措施。

作為抵御網(wǎng)絡(luò)攻擊的第一道防線，防火墻根據(jù)預(yù)先配置的規(guī)則決定進(jìn)出網(wǎng)絡(luò)的信息能否通過(guò)，以保護(hù)網(wǎng)絡(luò)免遭不受信任網(wǎng)絡(luò)的攻擊[6]。作為一種比較成熟有效的抗網(wǎng)絡(luò)攻擊和入侵的安全防護(hù)措施，電子防火墻主要采取電子邏輯操作，利用電子與門、或門等組成集成電路進(jìn)行信息識(shí)別，能夠根據(jù)信號(hào)的多種屬性來(lái)進(jìn)行過(guò)濾[7]。但是電子防火墻只能對(duì)電信號(hào)進(jìn)行操作，若要在光網(wǎng)絡(luò)中采用電子防火墻，需要進(jìn)行復(fù)雜且高能耗的光／電／光的轉(zhuǎn)換，不僅會(huì)帶來(lái)較大的時(shí)延，還增加了系統(tǒng)的成本、規(guī)模和復(fù)雜度[8]。隨著通信速率的不斷提高，僅僅依靠現(xiàn)在的電子防火墻難以抵御高速的光攻擊信號(hào)，為光網(wǎng)絡(luò)提供保護(hù)功能，因此只有研發(fā)新的光子防火墻技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)面向高速光信號(hào)的安全防護(hù)。光子防火墻主要利用全光模式匹配直接在光域進(jìn)行光信號(hào)所承載信息的識(shí)別，甄別出隱藏的網(wǎng)絡(luò)入侵和攻擊，并依據(jù)已設(shè)定的安全策略選擇相應(yīng)的防御手段，實(shí)現(xiàn)光域的入侵檢測(cè)和安全防護(hù)[9]?；诠庾臃阑饓μ幚硭俣瓤?、效率高、容量大的優(yōu)點(diǎn)，一臺(tái)光子防火墻可以代替上萬(wàn)臺(tái)傳統(tǒng)電子防火墻，大幅度降低網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和成本。綜上所述，本文總結(jié)了目前光子防火墻中關(guān)鍵技術(shù)——快速模式匹配技術(shù)的研究現(xiàn)狀，分析了其發(fā)展趨勢(shì)，為后續(xù)對(duì)光子防火墻研究設(shè)計(jì)提供有益參考。

2 光子防火墻的基本原理

光子防火墻作為一種能夠直接在光層中保護(hù)光網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)，通過(guò)全光模式匹配技術(shù)在光域中進(jìn)行光信號(hào)所承載信息的識(shí)別和分析，甄別出入侵的惡意攻擊，并依據(jù)預(yù)先配置的安全策略選擇相應(yīng)的防御手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)的安全檢測(cè)。如圖1 所示，光子防火墻放置于邊緣網(wǎng)絡(luò)中，作為路由器前端的主要信息過(guò)濾手段，能夠?qū)M(jìn)出網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)直接在光域中進(jìn)行線速的安全監(jiān)測(cè)[10]。高速光信號(hào)進(jìn)入光子防火墻后首先被分為2 路，一路作為待檢測(cè)的光信號(hào)用于信息的安全檢測(cè)，另一路光信號(hào)進(jìn)入延時(shí)模塊以彌補(bǔ)模式匹配消耗的時(shí)間。待檢測(cè)的光信號(hào)首先進(jìn)入模式匹配模塊，并按照預(yù)先設(shè)定的字段進(jìn)行模式匹配，判斷光信號(hào)中是否存在特定的信息字段。若存在特定的信息字段，說(shuō)明此時(shí)光信號(hào)承載的信息中包含入侵和攻擊行為，并需要進(jìn)行安全操作，此時(shí)可以在光域中進(jìn)行安全操作，也可以交由電子防火墻進(jìn)一步進(jìn)行更精細(xì)的安全檢測(cè)；若檢測(cè)不到特定的信息字段，則說(shuō)明此時(shí)光信號(hào)承載的信息是安全的，信號(hào)會(huì)進(jìn)入路由器中并進(jìn)行后續(xù)的傳輸。

圖1 光子防火墻技術(shù)原理

歐盟首先開展了對(duì)光子防火墻的研究，并于2006年投資200萬(wàn)歐元資助了應(yīng)用光監(jiān)控的線速安全域（WISDOM,wirespeed security domains using optical monitoring）項(xiàng)目，研發(fā)可重構(gòu)基于單芯片的光子防火墻技術(shù)。該項(xiàng)目主要進(jìn)行了光子防火墻的開發(fā)和安全協(xié)議的研究，且驗(yàn)證了以40 Gbit/s 線速提取和處理安全信息的可行性。

3 模式匹配技術(shù)的發(fā)展

模式匹配技術(shù)作為光子防火墻的關(guān)鍵技術(shù)，目前主要面向光分組交換網(wǎng)和光突發(fā)交換網(wǎng)，針對(duì)二進(jìn)制序列，并通過(guò)相關(guān)運(yùn)算和全光邏輯門2 種技術(shù)實(shí)現(xiàn)，用以在光分組頭中識(shí)別特定源/目的地址、端口號(hào)等信息，判斷信號(hào)是否為惡意攻擊信號(hào)。

3.1 基于相關(guān)運(yùn)算的匹配技術(shù)

基于相關(guān)運(yùn)算的匹配系統(tǒng)的主要原理如下：若待匹配的序列與目標(biāo)序列匹配，相關(guān)器會(huì)在輸出端產(chǎn)生一個(gè)最大的峰值，閾值探測(cè)器通過(guò)設(shè)定合理的閾值即允許該峰值脈沖輸出并排除其他脈沖干擾，從而判斷序列匹配；若兩者不匹配，閾值探測(cè)器無(wú)輸出信號(hào)[11]。

為了更清楚地說(shuō)明基于相關(guān)運(yùn)算的匹配技術(shù)的原理，本文將簡(jiǎn)單介紹一種相關(guān)器的基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，即抽頭延遲線（TDL,tapped delay line）[12]。在該結(jié)構(gòu)中目標(biāo)序列的位數(shù)決定了抽頭數(shù)，目標(biāo)序列的每位數(shù)據(jù)決定了抽頭的加權(quán)值，并利用每條路徑中光開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)權(quán)重的分配。當(dāng)光開關(guān)打開時(shí)，權(quán)重為0；當(dāng)光開關(guān)閉合時(shí)，權(quán)重為1。此外，在通過(guò)合路器前，每路信號(hào)會(huì)以從上至下遞增比特時(shí)間T的形式延遲，第一路不延遲，第二路延遲T，以此類推。延遲的信號(hào)通過(guò)合路器后產(chǎn)生相關(guān)輸出。

利用基于TDL 的相關(guān)器匹配目標(biāo)序列“1101”的系統(tǒng)如圖2(a)所示。輸入的光信號(hào)序列分別為3個(gè)4 bit 寬的字段“1011”“1101”和“0101”，其中第二個(gè)字段與目標(biāo)序列完全匹配。序列通過(guò)1×4 分路器后進(jìn)入分別由權(quán)重為1、1、0 和1 加權(quán)的四路延遲線中，且每路信號(hào)的延遲時(shí)間從上至下分別為0、T、2T和3T，四路信號(hào)的功率經(jīng)過(guò)合路器相加產(chǎn)生相關(guān)輸出。相關(guān)器內(nèi)信號(hào)的延遲與相加過(guò)程如圖2(b)所示，其中，由于2 個(gè)4 bit 寬的字段的相關(guān)函數(shù)為7 bit 寬并且峰值出現(xiàn)在第四時(shí)隙中，所以每隔4 bit 對(duì)相關(guān)輸出進(jìn)行采樣并輸入閾值探測(cè)器中。相關(guān)器的輸出強(qiáng)度分布如圖2(c)所示。由于目標(biāo)序列的自相關(guān)峰值為3，閾值檢測(cè)器被設(shè)置為能夠檢測(cè)高于2 的功率，且僅當(dāng)在采樣時(shí)間的相關(guān)器輸出高于閾值時(shí)才會(huì)輸出匹配信號(hào)。

圖2 用于匹配序列“1101”的基于TDL 的相關(guān)器的匹配系統(tǒng)

Chitgarha 等[13]通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了TDL 與相干檢測(cè)結(jié)合能夠在20-Gbaud 的數(shù)據(jù)通道中成功地搜索QPSK（quadrature phase shift keying）信號(hào)的多種模式，并在匹配的模式處獲得了相關(guān)峰值。該方法利用2 個(gè)用于波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的非線性元件和一個(gè)波長(zhǎng)相關(guān)延遲元件共同實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧TDL。首先使用非線性元件將輸入信號(hào)多播到多個(gè)波長(zhǎng)，然后差分地延遲這些副本并將這些副本一起多路復(fù)用到第二個(gè)非線性元件的單個(gè)輸出波長(zhǎng)中。但是該方法不能很好地適應(yīng)抽頭的數(shù)量，因此需要大量的離散泵浦激光器。

Ziyadi 等[14]利用光頻梳源和周期極化鈮酸鋰（PPLN,periodically polarized lithium niobate）實(shí)現(xiàn)了可調(diào)諧的光相關(guān)器，成功地在40 Gbit/s 的數(shù)據(jù)流中搜索了不同長(zhǎng)度的模式。該方法利用了不同梳狀線的相互相干性，首先在光頻梳源的不同頻率上調(diào)制信號(hào)生成大量的相干抽頭，并通過(guò)波長(zhǎng)相關(guān)的延遲器實(shí)現(xiàn)可調(diào)延遲。隨后利用PPLN 晶體的非線性混頻復(fù)用TDL 的信號(hào)。此時(shí)，抽頭數(shù)與階段數(shù)成正比。該方法雖然只利用了一個(gè)非線性器件，但是需處理的階段數(shù)與抽頭數(shù)成正比。

Willner 等[15]則通過(guò)非線性混頻和微諧振器克爾頻率梳演示了可擴(kuò)展和可重配置的TDL，實(shí)現(xiàn)了20-Gbaud 的QPSK 信號(hào)的匹配。該方法只需要2 個(gè)階段（多播和多路復(fù)用）就能夠同時(shí)且獨(dú)立地處理多個(gè)信號(hào)，更大程度地增強(qiáng)了抽頭數(shù)的可擴(kuò)展性。

此外，基于相關(guān)運(yùn)算的匹配系統(tǒng)還能夠利用布拉格光柵、自由空間全息光技術(shù)及平面光波導(dǎo)電路實(shí)現(xiàn)。Mokhtar 等[16]演示了均勻布拉格光柵作為可重構(gòu)相位編碼器/解碼器在模式匹配中的應(yīng)用，并在16 芯片20 Gchip/s 的四進(jìn)制相移鍵控相干光碼分多址實(shí)驗(yàn)中證明了其生成和識(shí)別各種相位碼序列的可靠性。Widjaja 等[17]提出了一種基于全息相關(guān)器的分組地址處理器，其中光學(xué)編碼地址以角度復(fù)用的頻譜全息圖形式存儲(chǔ)，并由全息相關(guān)器進(jìn)行分組地址識(shí)別。Kang 等[18]則利用了可重配置的基于二氧化硅的平面光波導(dǎo)電路光延遲線濾波器，通過(guò)匹配濾波來(lái)生成指示模式匹配的自相關(guān)脈沖，實(shí)現(xiàn)相移鍵控?cái)?shù)據(jù)流的全光模式識(shí)別。此外，Saida等[19]也提出了一種基于平面光波導(dǎo)電路的光數(shù)模轉(zhuǎn)換器，并成功識(shí)別了10 Gbit/s 的多種模式的4 位光脈沖。

雖然基于相關(guān)運(yùn)算的匹配結(jié)構(gòu)具有較高的可重構(gòu)性和擴(kuò)展性，但是需要額外的閾值檢測(cè)器來(lái)判斷匹配結(jié)果，這增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度，且應(yīng)用在高速系統(tǒng)時(shí)對(duì)器件的要求非常高，因此難以在高速系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。

3.2 基于全光邏輯門的匹配技術(shù)

基于全光邏輯門的匹配系統(tǒng)易于集成，并能夠工作在更高速率的系統(tǒng)中，因此研究人員做了大量的研究工作。

3.2.1 基于全光邏輯門的匹配技術(shù)的發(fā)展過(guò)程

基于全光邏輯門來(lái)匹配二進(jìn)制數(shù)據(jù)序列，最簡(jiǎn)單的方式就是直接通過(guò)單個(gè)與門來(lái)實(shí)現(xiàn)[20-21]。但是對(duì)給定的二進(jìn)制目標(biāo)模式，由于當(dāng)目標(biāo)序列某位為“0”時(shí)，匹配序列中的對(duì)應(yīng)位不論為何值，輸出都為“0”，從而容易造成誤判，因此可匹配的序列被限制為一組固定的序列集，即限制了能夠匹配的序列范圍。如圖3(a)所示，如果目標(biāo)序列為“1011”，則比較序列為“0100”。如果輸入的序列為“1001”，與比較序列同時(shí)輸入與門后也沒(méi)有脈沖輸出，得到2 路序列相匹配的結(jié)果，但是實(shí)際上目標(biāo)序列與輸入序列并不匹配，從而產(chǎn)生誤判。而使用圖3(b)所示的異或門結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)模式匹配能夠有效地消除匹配范圍的限制[22-24]，僅當(dāng)2 路輸入序列完全相同時(shí)，才沒(méi)有信號(hào)輸出。但是由于異或門中的比較序列匹配范圍外不包含脈沖，輸入序列中匹配范圍外的脈沖都會(huì)輸出而影響判斷?？紤]到前述問(wèn)題，在檢測(cè)最終匹配結(jié)果前，需要級(jí)聯(lián)一個(gè)額外的與門來(lái)選定需要匹配的范圍，以防止范圍外的信號(hào)干擾，如圖3(c)所示。

圖3 二進(jìn)制序列匹配系統(tǒng)

然而，上述方案都只能在數(shù)據(jù)序列中判斷等長(zhǎng)的目標(biāo)模式是否相匹配。Ramos 等[25]提出了一種基于級(jí)聯(lián)的全光異或門的并行匹配方案，實(shí)現(xiàn)了10 Gbit/s 及以上目標(biāo)模式的匹配。其中，全光異或門均由馬赫曾德?tīng)柛缮鎯x（SOA-MZI,semiconductor optical amplifier-based mach-Zehnder interferometer）實(shí)現(xiàn)，且其數(shù)量取決于目標(biāo)模式的長(zhǎng)度。此時(shí)，可匹配的目標(biāo)模式的長(zhǎng)度取決于放大器自發(fā)輻射（ASE,amplifier spontaneous emission）噪聲的大小及所需性能優(yōu)劣，并且僅當(dāng)數(shù)據(jù)中包含目標(biāo)模式時(shí)才會(huì)有脈沖輸出。

文獻(xiàn)[26-29]基于前述問(wèn)題，提出了一種利用同或門、與門和再生器搭建的匹配系統(tǒng)，其中的每個(gè)模塊均由SOA-MZI 結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，如圖4 所示。該系統(tǒng)通過(guò)多次的循環(huán)匹配，能夠在任意位數(shù)的數(shù)據(jù)序列中匹配任意位數(shù)的目標(biāo)序列，且輸出結(jié)果不僅可以判斷目標(biāo)序列是否存在，同時(shí)可以定位目標(biāo)序列在數(shù)據(jù)序列出現(xiàn)的位置。由于邏輯門的數(shù)目不隨著目標(biāo)序列位數(shù)的變化而變化，所以該系統(tǒng)易于集成、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且識(shí)別性能穩(wěn)定準(zhǔn)確。

若要在M位的數(shù)據(jù)序列中匹配N位的目標(biāo)序列，首先令數(shù)據(jù)序列以固定周期M循環(huán)N次，將目標(biāo)序列的每一位重復(fù)M次并依次和數(shù)據(jù)序列進(jìn)行同或操作。即第一輪將目標(biāo)序列的第一位重復(fù)M次和數(shù)據(jù)序列的每一位同或，第二輪將目標(biāo)序列的第二位重復(fù)M次和數(shù)據(jù)序列的每一位同或，以此類推。通過(guò)同或門能夠依次判斷目標(biāo)序列的每一位在數(shù)據(jù)序列的位置，然后將同或結(jié)果輸入與門中，與門的另一個(gè)輸入在第一輪匹配時(shí)為M位長(zhǎng)的連續(xù)光，用于打開與門；在之后的匹配中為前一次同或輸出延遲M+1 位的結(jié)果，即在第j輪循環(huán)時(shí)，同或門會(huì)找到目標(biāo)序列中第j位數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)序列中的位置，與門會(huì)綜合第j-1 輪和該輪的同或結(jié)果判斷目標(biāo)序列前j位數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)序列中的位置。通過(guò)最后與門有無(wú)脈沖輸出可以判斷數(shù)據(jù)序列中是否包含目標(biāo)序列，且脈沖出現(xiàn)的位置就是數(shù)據(jù)序列中目標(biāo)序列最后一位出現(xiàn)的位置。

圖4 任意位數(shù)二進(jìn)制序列匹配系統(tǒng)

Kakarla 等[30]考慮文獻(xiàn)[26]中SOA-MZI 配置過(guò)程較為復(fù)雜，僅利用了2 個(gè)SOA 就實(shí)現(xiàn)了圖4 所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并成功匹配了4 位的BPSK 信號(hào)。其中同或門利用3 dB 耦合器實(shí)現(xiàn)，2 路BPSK 信號(hào)輸入3 dB 耦合器后會(huì)輸出OOK（on-off keying）信號(hào)。若數(shù)據(jù)序列與目標(biāo)模式不匹配，則同或門的輸出為“0”。而與門及再生器的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換功能則通過(guò)半導(dǎo)體光放大器（SOA,semiconductor optical amplifier）的FWM（FWM,four wave mixing）效應(yīng)實(shí)現(xiàn)。在該方案中，同或門、與門和波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換操作均與輸入數(shù)據(jù)速率無(wú)關(guān)，通過(guò)適當(dāng)?shù)匦薷耐蜷T，能夠處理更高階調(diào)制格式的數(shù)據(jù)。

此外，Degenais 等[31]提出了一種基于全光與門及1×2 光開關(guān)樹的匹配系統(tǒng)，能夠在傳輸速率為10 Gbit/s 的8 位數(shù)據(jù)中識(shí)別任意的3 位目標(biāo)模式。其中全光與門通過(guò)Sagnac 門實(shí)現(xiàn)，光開關(guān)由反射半導(dǎo)體光放大器制成。在該系統(tǒng)中，由于待匹配數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度為8，因此樹的高度為3，其中數(shù)據(jù)的每一位對(duì)應(yīng)了樹結(jié)構(gòu)中的某個(gè)節(jié)點(diǎn)。通過(guò)全光與門讀取對(duì)應(yīng)位的數(shù)據(jù)，并控制樹結(jié)構(gòu)中相應(yīng)層次的所有開關(guān)的配置即可完成匹配。

3.2.2 全光邏輯門的實(shí)現(xiàn)方式

目前，全光邏輯門可以通過(guò)多種光器件實(shí)現(xiàn)，包括硅波導(dǎo)、周期性極化鈮酸鋰和SOA 等。

Mukherjee 等[32]將2 路不同功率與波長(zhǎng)的光信號(hào)注入到硅線波導(dǎo)中，光信號(hào)在其中經(jīng)歷光子吸收從而產(chǎn)生交叉相位調(diào)制（XPM,cross phase modulation）效應(yīng)。通過(guò)調(diào)整2 路光信號(hào)的功率，就能夠得到不同的邏輯輸出。文獻(xiàn)[33-34]提出的基于PPLN 的邏輯門主要利用了其準(zhǔn)相位匹配條件下的和頻產(chǎn)生效應(yīng)。當(dāng)輸入信號(hào)相同時(shí)，在和頻波的產(chǎn)生期間信號(hào)將耗盡，此時(shí)最終輸出為零；而當(dāng)其中任何一個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)功率很高時(shí)，則只有一個(gè)數(shù)據(jù)將被耗盡，另一個(gè)數(shù)據(jù)將存在于輸出中。其中，文獻(xiàn)[33]通過(guò)適當(dāng)?shù)卣{(diào)整輸入信號(hào)功率并選擇波導(dǎo)長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)了或邏輯和異或邏輯，最終得到了40 Gbit/s 的可切換的或門/異或門，文獻(xiàn)[34]則實(shí)現(xiàn)了640 Gbit/s 的與門。

研究最為廣泛的是SOA。作為非線性器件，SOA 具有體積小、功耗低、較高的非線性系數(shù)，有包括XPM、交叉增益調(diào)制（XGM,cross gain modulation）、交叉極化調(diào)制（CPM,cross polarization modulation）、FWM 等多種非線性效應(yīng)且易于集成等優(yōu)點(diǎn)，因此有較好的發(fā)展前景[35]。迄今為止，已提出了多種利用SOA 實(shí)現(xiàn)全光邏輯門的方案，大致可分為兩類。第一類是利用SOA 自身的非線性效應(yīng)，如Ismail 等[36]基于SOA 中的XPM 效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了非門、與門、或門及或非門，克服了現(xiàn)有方案中存在放大自發(fā)輻射的問(wèn)題。此類方案雖然僅利用了一個(gè)SOA，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是SOA 較長(zhǎng)的載流子恢復(fù)時(shí)間將導(dǎo)致輸出脈沖的展寬，從而限制系統(tǒng)的工作速率[37]。第二類方案能夠在一定程度上克服載流子恢復(fù)速率的限制，即基于SOA 的干涉儀結(jié)構(gòu)，如Sagnac 干涉儀、超快非線性干涉儀、基于SOA-MZI 等。

文獻(xiàn)[38-39]考慮了SOA 的小信號(hào)增益、線寬增強(qiáng)因子等特性及Sagnac 環(huán)路的不對(duì)稱性，利用基于SOA 的Sagnac 干涉儀實(shí)現(xiàn)了XOR 邏輯門。而Chattopadhyay 等[40]通過(guò)該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了三態(tài)（與、或、非）邏輯門，并分析了插入損耗、對(duì)比度、消光比、誤碼率、信噪比等參數(shù)。

文獻(xiàn)[41-43]均論證了基于SOA 的超快非線性干涉儀（UNI,ultrafast nonlinear interferometer）結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)異或門的可行性。其中SOA 具有3 路輸入信號(hào)，一路為正交極化的時(shí)鐘脈沖，另2 路是具有更高功率的數(shù)據(jù)信號(hào)。通過(guò)利用信號(hào)的正交偏振分量之間的相對(duì)位移，當(dāng)數(shù)據(jù)都存在或者都不存在時(shí)，信號(hào)之間的相對(duì)位移使其發(fā)生相消干涉；若僅存在一個(gè)數(shù)據(jù)，通過(guò)調(diào)整信號(hào)的相位變化在輸出端引入相長(zhǎng)干涉，能夠?qū)崿F(xiàn)異或門。

這些結(jié)構(gòu)都能夠使SOA 在更高速率下工作，特別是SOA-MZI 結(jié)構(gòu)，由于具有低功耗、高穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)勢(shì)，獲得了最廣泛的關(guān)注[44]。文獻(xiàn)[45-47]利用SOA 的XPM 效應(yīng)，提出了基于SOA-MZI 結(jié)構(gòu)的全光邏輯門。通過(guò)將功率較大的泵浦光和探測(cè)光經(jīng)過(guò)耦合器輸入至干涉儀上下臂的SOA 中，探測(cè)光的相位會(huì)根據(jù)泵浦光功率的改變而改變，在輸出端經(jīng)過(guò)干涉后將相位變化轉(zhuǎn)換為幅度變化，從而實(shí)現(xiàn)各種邏輯，如圖5 所示。其中，圖5(a)展示了基于SOA-MZI 的異或門。將要匹配的2 路序列分別記為波長(zhǎng)為λ1的泵浦光序列P和波長(zhǎng)為λ2的泵浦光序列S。光序列P先輸入至干涉儀的端口1，并在時(shí)間差τ后輸入至端口2，如虛線所示。與此同時(shí)，光序列S輸入至端口2，并在時(shí)間差τ之后輸入端口1，如實(shí)線所示。同時(shí)波長(zhǎng)為λ3的連續(xù)波（CW,continuous wave）輸入至端口3 作為探測(cè)光，且輸出端的帶通濾波器的中心波長(zhǎng)也為λ3。當(dāng)光序列P和光序列S不同時(shí)，如P為“1”而S為“0”時(shí)，上臂中的SOA 先發(fā)生相位變化從而打開了開關(guān)窗口，在τ之后，下臂中的SOA 也產(chǎn)生了相位變化，相位差恢復(fù)為0，因此開關(guān)窗口關(guān)閉。這導(dǎo)致在波長(zhǎng)λ3處產(chǎn)生了脈沖，因此SOA-MZI的輸出為“1”。而當(dāng)序列P和序列S相同時(shí)（即兩者均為“1”或均為“0”），上下兩臂SOA 的相位變化相同，因此SOA-MZI 的輸出為“0”。綜上所述，基于SOA-MZI 結(jié)構(gòu)的全光異或門能夠?qū)崿F(xiàn)異或邏輯。

圖5(b)展示了基于SOA-MZI 的全光與門的原理圖。光序列P作為泵浦光先輸入至端口1，并在時(shí)間差τ后輸入至端口2，如虛線所示。而在光序列P輸入到端口1 的同時(shí)，光序列S作為探測(cè)光輸入至端口3，如實(shí)線所示。當(dāng)光序列P為“0”時(shí)，無(wú)論光序列S為“0”還是“1”，上下兩臂的相位變化都一致，因此輸出均為“0”。而當(dāng)光序列P和光序列S均為“1”時(shí)，上臂中的SOA 由于光序列P的輸入產(chǎn)生了相位變化，打開了開關(guān)窗口，在τ之后光序列P輸入到下臂中的SOA，相位差恢復(fù)為0，因此開關(guān)窗口關(guān)閉。這導(dǎo)致在波長(zhǎng)λ3處產(chǎn)生了脈沖，此時(shí)SOA-MZI 的輸出為“1”。綜上所述，該方案能夠?qū)崿F(xiàn)與邏輯。

圖5 基于SOA-MZI 的全光邏輯門

4 模式匹配技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

目前，針對(duì)光子防火墻的研究?jī)H僅是面向光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)或者光分組交換網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)其中的光分組進(jìn)行模式匹配和安全操作。然而骨干網(wǎng)、城域網(wǎng)、校園網(wǎng)等中已部署的光網(wǎng)絡(luò)主要采用基于電路交換的傳輸模式，包括同步數(shù)字體系（SDH,synchronous digital hierarchy）、光傳送網(wǎng)（OTN,optical transport network）等，其中傳輸?shù)亩际沁B續(xù)光信號(hào)。圖4 所示的序列匹配系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，但是其匹配時(shí)間會(huì)隨著數(shù)據(jù)序列和目標(biāo)序列位數(shù)的增加而增加。若對(duì)連續(xù)光信號(hào)的匹配也采用該匹配系統(tǒng)，匹配效率會(huì)非常低。為了能夠更高效快速地實(shí)現(xiàn)面向連續(xù)光信號(hào)的匹配，考慮到當(dāng)前匹配系統(tǒng)的不足，主要通過(guò)以下兩方面對(duì)當(dāng)前的模式匹配技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)：一方面，通過(guò)改進(jìn)匹配系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)更快的匹配操作；另一方面，利用具有更快響應(yīng)速率的器件來(lái)搭建匹配系統(tǒng)。

4.1 快速二進(jìn)制序列切割匹配系統(tǒng)

考慮到通常要匹配的目標(biāo)序列不會(huì)存在于數(shù)據(jù)序列的起始位置，在利用現(xiàn)有的匹配系統(tǒng)對(duì)連續(xù)光信號(hào)進(jìn)行序列匹配時(shí)，隨著循環(huán)的推進(jìn)，數(shù)據(jù)序列中目標(biāo)序列的存在位置會(huì)越來(lái)越明確，因此通過(guò)刪減已能判定不包含目標(biāo)序列信息的數(shù)據(jù)序列的前若干位，能夠有效地提高匹配效率。

圖6 展示了一種二進(jìn)制序列快速匹配系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以分為7 個(gè)模塊，分別為控制器模塊、探測(cè)模塊、可控切割模塊、本地目標(biāo)序列產(chǎn)生模塊、同或門模塊、與門模塊、再生器模塊。探測(cè)模塊會(huì)探測(cè)輸出序列中第一個(gè)脈沖出現(xiàn)的位置n及當(dāng)前循環(huán)輪次j，并將探測(cè)結(jié)果輸入到控制器中?？刂破鞲鶕?jù)當(dāng)前輸出序列中第一個(gè)脈沖出現(xiàn)的位置n、當(dāng)前循環(huán)輪次j及當(dāng)前輸出序列的長(zhǎng)度kj計(jì)算下一輪序列的長(zhǎng)度kj+1=kj-n+j，即計(jì)算數(shù)據(jù)序列中已能判定不包含目標(biāo)序列信息的前若干位的長(zhǎng)度。控制器隨后會(huì)發(fā)送配置命令到可控切割模塊與本地目標(biāo)序列產(chǎn)生模塊中，從而令本地切割模塊對(duì)循環(huán)回路中的上一輪與門輸出序列和存儲(chǔ)回路中數(shù)據(jù)序列進(jìn)行切割，并令本地目標(biāo)序列產(chǎn)生模塊產(chǎn)生對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度的目標(biāo)序列。

利用二進(jìn)制序列快速匹配系統(tǒng)，雖然同樣需要將數(shù)據(jù)序列循環(huán)N次，但是每次循環(huán)都會(huì)進(jìn)行序列的切割、同或、相與、探測(cè)等一系列操作。隨著輪次j的增加，數(shù)據(jù)序列中目標(biāo)序列位置的逐漸明確，系統(tǒng)會(huì)對(duì)光數(shù)據(jù)序列進(jìn)行裁剪，使數(shù)據(jù)序列長(zhǎng)度隨之減小，從而總體的匹配時(shí)間也會(huì)隨之減小，進(jìn)而提高匹配的效率。

4.2 基于高非線性光纖的模式匹配

基于SOA 的全光邏輯門雖然具有易于集成和效率高的優(yōu)點(diǎn)，但是受到SOA 的較長(zhǎng)增益恢復(fù)時(shí)間的限制，會(huì)導(dǎo)致輸出脈沖的展寬，從而限制了系統(tǒng)的處理速度。雖然利用各種干涉儀結(jié)構(gòu)能夠在一定程度上克服SOA 恢復(fù)時(shí)間的限制，但增大了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜度。而隨著光纖生產(chǎn)技術(shù)的不斷進(jìn)步，高非線性光纖（HNLF,high nonlinear fiber）以其快速的響應(yīng)速度和極高的非線性系數(shù)成為實(shí)現(xiàn)全光邏輯門的有效器材[48-49]。HNLF 一般采用特殊的纖芯結(jié)構(gòu)或者用其他材料替代二氧化硅來(lái)獲得較高的非線性。與SOA 一樣，HNLF 中也存在著XPM、XGM、FWM等多種非線性效應(yīng)。但是相對(duì)于SOA，利用HNLF實(shí)現(xiàn)全光邏輯門具有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)[50-51]。

1)HNLF 的非線性效應(yīng)響應(yīng)時(shí)間很短，通常只有幾十飛秒，能夠?qū)崿F(xiàn)速率大于1 Tbit/s 的光信號(hào)處理。

2)基于光纖的器件很容易和傳輸鏈路耦合，降低耦合損耗。

3)HNLF 是無(wú)源器件，不會(huì)在信號(hào)處理時(shí)引入附加噪聲。

基于HNLF 的全光邏輯門可通過(guò)HNLF 中的多種非線性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)，包括FWM、XPM、非線性偏振旋轉(zhuǎn)（NPR,nonlinear polarization rotation）等。

舉例來(lái)說(shuō)，文獻(xiàn)[52-53]利用FWM 效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了全光邏輯門。當(dāng)輸入至HNLF 中的2 路光信號(hào)滿足相位匹配條件時(shí)，由于FWM 效應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生新的閑頻光，再為濾波器設(shè)置合適的中心波長(zhǎng)，即可實(shí)現(xiàn)不同的邏輯。其中，Wang 等[52]通過(guò)實(shí)驗(yàn)展示了能夠處理40 Gbit/s 的非歸零差分相移鍵控（NRZ-DPSK,non-return-to-zero differential phase-shift keying）信號(hào)的異或門。而Li 等[53]提出并驗(yàn)證了能夠處理非歸零偏振位移鍵控（NRZ-PolSK,non-return-to-zero polarization shifted keying）信號(hào)的可重構(gòu)邏輯門，包括了異或門、同或門等。

圖6 二進(jìn)制序列快速匹配系統(tǒng)

Velanas 等[54]利用XPM 效應(yīng)導(dǎo)致的探測(cè)光頻譜展寬，實(shí)現(xiàn)了160 Gbit/s 速率下的6 種邏輯門，包括異或門、或門、與門、非門、或非門、與非門等。當(dāng)2 路輸入光包含了不同的數(shù)據(jù)組合時(shí)，探測(cè)光的頻譜寬度將受到不同程度的影響，再通過(guò)配置濾波器的中心波長(zhǎng)即可實(shí)現(xiàn)不同的邏輯。同時(shí)，還可利用XPM 效應(yīng)導(dǎo)致的探測(cè)光的相位變化來(lái)實(shí)現(xiàn)全光邏輯門。當(dāng)2 路輸入光包含了不同的數(shù)據(jù)組合時(shí)，數(shù)據(jù)信號(hào)將對(duì)探測(cè)信號(hào)產(chǎn)生不同程度的影響，再利用干涉結(jié)構(gòu)將相位的變化轉(zhuǎn)換為幅度的變化，即可實(shí)現(xiàn)不同的邏輯。如王文睿等[55]通過(guò)利用非線性光纖環(huán)鏡（NOLM,nonlinear optical loop mirror）中不同方向傳輸?shù)墓庑盘?hào)的相移差，實(shí)現(xiàn)了可重構(gòu)的光邏輯門。

文獻(xiàn)[56-57]則主要通過(guò)HNLF 中NPR 效應(yīng)的全光邏輯實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，利用單個(gè)HNLF 實(shí)現(xiàn)了多種全光邏輯門，且沒(méi)有碼型效應(yīng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈活方便的優(yōu)勢(shì)。如圖7 所示，首先將2 路波長(zhǎng)分別為λA和λB的NRZ 光數(shù)據(jù)信號(hào)A 和B 與一路波長(zhǎng)為λC的CW 一起注入HNLF 中。由于輸入光信號(hào)的功率變化，將在HNLF 中引起非線性雙折射的2 個(gè)偏振分量之間的非線性相對(duì)相移，因此合成的偏振態(tài)會(huì)隨著信號(hào)的傳播而旋轉(zhuǎn)。再通過(guò)光帶通濾波器選擇特定波長(zhǎng)，并利用選定透振方向的檢偏器選擇特定偏振態(tài)輸出，即可實(shí)現(xiàn)不同的邏輯。

圖7 基于HNLF 的NPR 效應(yīng)的全光邏輯門

假設(shè)2 路光數(shù)據(jù)信號(hào)是夾角為45°的線偏振光，且光信號(hào)A 與x軸平行，如圖8(a)所示。此時(shí)光信號(hào)A 將對(duì)光信號(hào)B 在x軸方向產(chǎn)生非線性相對(duì)相移，且當(dāng)相對(duì)相移為π 時(shí)，光信號(hào)B 由于NPR效應(yīng)會(huì)旋轉(zhuǎn)為線偏振光輸出，如圖8(b)所示；當(dāng)相對(duì)相移為時(shí)，光信號(hào)B 由于NPR 效應(yīng)會(huì)旋轉(zhuǎn)為橢圓偏振光輸出，如圖8(c)所示。

圖8 HNLF 中的NPR 效應(yīng)

表1 總結(jié)了不同邏輯實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的帶通濾波器中心波長(zhǎng)、非線性相對(duì)相移和光邏輯門的相對(duì)偏振。通過(guò)調(diào)節(jié)輸入信號(hào)光的功率和偏振以及檢偏器的透振方向，就能夠?qū)崿F(xiàn)不同邏輯的全光邏輯門。將光信號(hào)A 和光信號(hào)B 同時(shí)輸入HNLF 時(shí)，若配置濾波器的中心波長(zhǎng)為λB，通過(guò)調(diào)整檢偏器的透振方向能夠分別得到AB 和B；若配置濾波器的中心波長(zhǎng)為λA，通過(guò)調(diào)整檢偏器的透振方向能夠分別得到AB 和A。在將光信號(hào)A（或光信號(hào)B）和CW同時(shí)輸入HNLF 時(shí)，配置濾波器的中心波長(zhǎng)為λC，通過(guò)調(diào)整檢偏器的透振方向能夠分別得到A（或B）和。在將光信號(hào)A、光信號(hào)B 和CW 同時(shí)輸入HNLF 時(shí)，配置濾波器的中心波長(zhǎng)為λC，通過(guò)調(diào)整檢偏器的透振方向能夠分別得到A?B 和A⊕B。

表1 基于NPR 效應(yīng)的全光邏輯門中不同邏輯的實(shí)現(xiàn)

考慮到當(dāng)前二進(jìn)制匹配系統(tǒng)中采用受增益恢復(fù)速度限制的SOA 時(shí)較低的匹配效率，可以通過(guò)采用前文所述的基于HNLF 中NPR 效應(yīng)的全光邏輯同或門及與門來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的基于SOA-MZI 的同或門及與門，匹配系統(tǒng)如圖9 所示。通過(guò)利用具備快速的響應(yīng)速率、低功耗和高非線性系數(shù)等優(yōu)勢(shì)的HNLF，能夠搭建更快速的全光二進(jìn)制序列匹配系統(tǒng)。

圖9 基于HNLF 的二進(jìn)制序列匹配系統(tǒng)

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著技術(shù)的不斷成熟，新型攻擊手段及設(shè)備的不斷涌現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題已然成為當(dāng)前的焦點(diǎn)問(wèn)題。而光子防火墻通過(guò)利用全光模式匹配技術(shù)，能夠在光域中直接對(duì)各種入侵信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和過(guò)濾，有效地解決了現(xiàn)有電子防火墻的低效和高能耗的問(wèn)題，保障了網(wǎng)絡(luò)中信息的安全。為了能夠給后續(xù)的研究人員提供有益參考，本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的全光模式匹配技術(shù)進(jìn)行總結(jié)，綜述了全光模式匹配系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式。目前，匹配系統(tǒng)主要通過(guò)相關(guān)運(yùn)算和全光邏輯門2 種技術(shù)實(shí)現(xiàn)，其中，一種基于全光邏輯門的匹配系統(tǒng)僅利用3 個(gè)基于SOA-MZI 的邏輯門就能夠識(shí)別和定位任意位數(shù)的目標(biāo)模式。但是考慮到SOA 的模式效應(yīng),及目標(biāo)模式較長(zhǎng)引發(fā)的匹配效率問(wèn)題，未來(lái)可以通過(guò)選擇具有更高響應(yīng)速率的器件或者利用更高效的匹配系統(tǒng)架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的匹配效率，并根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選擇。如利用HNLF 替代SOA 來(lái)提高光分組交換網(wǎng)絡(luò)中的匹配效率，或在現(xiàn)有系統(tǒng)中增加序列切割模塊來(lái)高效處理電路交換網(wǎng)絡(luò)中的連續(xù)光信號(hào)。此外，隨著人工智能的大熱以及對(duì)其研究的不斷深入，將人工智能融入全光匹配系統(tǒng)必定也是未來(lái)的一大研究熱點(diǎn)。