Schutz der Lichtkommunikation mit zufälligen Objekten

17. Juli 2023

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von KW Wesselink, Universität Twente

Forscher der Gruppe Complex Photonic Systems (COPS) verwendeten zwei Schichten zufälliger Materialien, um eine über Lichtkommunikation gesendete Nachricht zu verschlüsseln und zu entschlüsseln. Damit verbargen sie gleichzeitig den Sender und den Empfänger, und erst als das Licht beide Schichten durchdrang, wurde die Nachricht empfangen.

Das Forschungsteam veröffentlichte seine Ergebnisse in der Fachzeitschrift Optics Express und glaubt, dass dieser Proof of Concept Anwendung in Kommunikationssystemen mit sichtbarem Licht, Lichttreue (LiFi) und Glasfaserkommunikation finden kann.

In einer Zeit, in der digitale Informationen das Lebenselixier unserer vernetzten Welt sind, ist die Gewährleistung ihrer Sicherheit von größter Bedeutung. Die Verschlüsselung spielt eine entscheidende Rolle beim Schutz unserer Daten, indem sie eine einfache Nachricht in ein komplexes Muster umwandelt und es dann wieder zurückkonvertiert, sodass sie nicht mehr entzifferbar ist, wenn die Nachricht mittendrin abgefangen wird.

Da die Technologie in beispiellosem Tempo voranschreitet, liegt die Zukunft der Kommunikation im Bereich des sichtbaren Lichts. Doch wie kann die Sicherheit dieser hochmodernen Kommunikationsform gewährleistet werden?

Überraschenderweise kann die Lösung in Alltagsgegenständen gefunden werden. Forscher der Universität Twente haben in Zusammenarbeit mit Experten der Technischen Universität Eindhoven und dem innovativen Unternehmen Signify (früher bekannt als Philips Lighting) gezeigt, dass zufällige Materialien – wie eine Farbschicht, ein Stück Papier usw Glasdiffusor – erhöhen Sie die Geheimhaltung der Lichtkommunikation, indem Sie die Botschaft verschlüsseln.

Wenn Licht diese zufälligen Materialien durchdringt, wird es in mehrere Richtungen gestreut und erzeugt ein kompliziertes Muster, das als Speckle-Muster bekannt ist. Dieses Muster bildet die Grundlage für die Verschlüsselung.

Diese Verschlüsselung folgt dem Konzept der Physical Unclonable Function (PUF). Ein PUF ist ein Objekt, das so komplex ist, dass es mit aktuellen Technologien nicht kopiert werden kann. Wenn ein PUF als Verschlüsselungsschlüssel verwendet wird, kann nur der richtige Schlüssel – der nicht klonbar ist – auf die Informationen zugreifen. In diesem Fall ist der Schlüssel das Zufallsobjekt und die Information das Speckle-Muster.

Forscher der Gruppe Complex Photonic Systems (COPS) führten dieses Konzept sogar noch weiter aus. Anstatt einen einzelnen Schlüssel zum Verschlüsseln der Nachricht zu verwenden, verwenden sie zwei Schichten zufälliger Medien als Doppelschlüssel. Damit verbergen sie gleichzeitig den Sender und den Empfänger, und erst wenn das Licht durch beide Schlüssel geht, wird die Nachricht empfangen. Jeder böswillige Abhörer, der versucht, die Nachricht während der Übertragung abzufangen, würde mit einer bedeutungslosen Mischung zufälliger Muster konfrontiert werden, die keinerlei Bezug zur ursprünglichen Nachricht haben.

Darüber hinaus wird die Geheimhaltung durch die Redundanz des Systems erhöht. Das vorgeschlagene System basiert auf der Modulation des einfallenden Lichts mithilfe eines Geräts, das einem Leinwandprojektor (oder Beamer) am Sender ähnelt. Da die Zufallsmaterialien so komplex sind, gibt es tausende verschiedene Möglichkeiten, das Licht zu modulieren, was zu derselben Botschaft führt und gleichzeitig das Zufallsmuster zwischen den beiden Tasten verändert. Wenn der Sender ständig zwischen den verschiedenen Modulationen wechselt, wird ein Angreifer in der Mitte mit zufälligen Mustern überhäuft, während der Empfänger davon unberührt bleibt.

Der Artikel „Enhanced secrecy in Optical Communication using Speckle from Multiple Scattering Layers“ von Alfredo Rates, Joris Vrehen, Bert Mulder, Wilbert L. Ijzerman und Willem L. Vos erscheint in Optics Express. Die für die Veröffentlichung verwendeten Daten sind in der Zenodo-Datenbank verfügbar

Mehr Informationen: Alfredo Rates et al., Erhöhte Geheimhaltung in der optischen Kommunikation durch Speckle aus mehreren Streuschichten, Optics Express (2023). DOI: 10.1364/OE.493479

Preise Alfredo et al, From Noise to Signal: Multi-layer Speckle Correlation with Applications in Visible Light Communication, Zenodo (2022). DOI: 10.5281/zenodo.6397330

Zeitschrifteninformationen:Optik-Express

Zur Verfügung gestellt von der Universität Twente