CN102281136A - 用于电动汽车智能充电网络安全通信的量子密钥分配系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于电动汽车智能充电网络安全通信的量子密钥分配系统，基于分级KDC模式实现量子密钥分配，该量子密钥分配系统由密钥分配单元进行分配，密钥分配单元包括：分别位于运营管理中心的密钥管理模块(1)和充电站的密钥管理模块(2)，所述密钥管理模块(1)和所述密钥管理模块(2)之间通过经典信道相互进行通信以及数据、指令的传输；所述密钥管理模块(1)通过量子信道向所述密钥管理模块(2)提供密钥。本发明提供的用于电动汽车智能充电网络安全通信系统的量子密钥分配系统，实现了数据无条件的安全传输，保证网络运行的稳定和安全性。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统安全通信领域，具体讲涉及一种用于电动汽车智能充电网络安全通信的量子密钥分配系统。
背景技术
近年来，石油资源的消耗带来的能源危机以及传统燃油汽车带来的大气环境污染问题，驱使人们去开发更加环保的交通工具。作为一种发展前景广阔的绿色交通工具，电动汽车在一定程度可以解决能源和环境问题，成为当今汽车世界发展的热点之一。
为实现电动汽车商业化，必须设置诸如电动汽车充电站这类必要的服务配套基础设施。为满足用户的需要，电动汽车数量的增加，充电站的覆盖范围必然随之增加。现有的人工充电站管理的方法根本无法满足需要，且效率低下。为实现有效地管理充电站日常运营和维护，建立一个智能充电服务网络并实现电动汽车充电站运行管理的自动化是非常有必要的。
现有的服务网络，一般采用最贴近实用的分区分级管理方式。而其充电网络分散于地方的充电设施、地区一级的子运营管理中心和最高层的总运营管理中心。为满足对充电设施管理维护的需要，充电设施和子运营管理中心之间、子运营管理中心和总运营管理中心之间需要进行一定的数据传输。这些数据各具特点，可分为以下三类：
(1)动态变化运行数据，其中包括充电站工作状态，输出参数的变化，以及工作记录等。(2)总召唤运行数据，其中包括所有状态量，测量量和电能量等。(3)运行维护数据，其中包括充电权限变更控制，，充电电价变更维护，电池运行维护信息等。
上述三种类型数据中，任何一种数据的窃取或者篡改都将影响到整个充电设施运营系统的正常运行。尤其是对第三种类型数据的非法截取，将造成整个充电设施运行管理的失控或者带来充电电价和权限的变更，所带来的经济损失是无法估计的。因此对于智能充电网络来说，无论是日常的正常运行管理信息还是充电电价权限等信息，都是非常重要的，都应采取得当的加密方法保证数据传输的安全性。
专利号为ZL200820199060.0的名称为“电动汽车智能充电网络系统”的实用新型专利披露了一种电动汽车智能充电网络系统，该系统包括充电单元、总控单元和连接单元，总控单元具有通信模块。其中并没公开通信模块对传输数据进行加密的技术措施，所以此种系统传输的数据安全性较差，不能保证网络的安全性和稳定性。
Bennett和Brassard在1984年提出的量子密钥分配的概念，为密码学中的密钥分配难题提供了解决方案，量子力学的基本原理保证了分配密钥的无条件安全。点对点量子密钥分配距离目前已达200公里。从实际应用的角度考虑，多个用户间进行密钥分配时，量子密钥分配技术必然会由点对点发展为量子密钥分配网络，即量子保密通信网络。
充电网络的建设中，目前已经开始探索将数据加密技术用于充电网络的管理中。如尝试使用公网中的加密方式，即在充电设施和子运营管理中心之间、子运营管理中心和总运营管理中心之间的数据交换前，均首先用非对称加密算法加密传输密钥，然后再用此密钥对要交换的数据进行加密或者解密，保证一次一密。但现有方法中，使用的非对称加密算法加密速度较低，这样的加密方法的安全性是基于非对称加密算法的计算复杂度，所以在遇到计算能力强大的窃听者时，其安全性没有保证，所以已有这种加密方法不能保证对称密钥分配的安全性和效率。现有技术中的另一种数据加密方法是基于密钥池管理的方法，此密钥池是在通信双方预先建立相同的密钥池，每次从中抽取若干部分组成数据通信的密钥。一般由运营管理中心产生用于本次传输的密钥池索引文件发送至充电设施，然后双方通过密钥池索引文件来查找和建立密钥。但这种基于密钥池管理方法中，密钥池的更新存在天然的缺陷，所以不能达到一次一密的加密要求。
发明内容
本发明人针对现有技术中智能充电网络中数据加密存在的问题，提出一种用于电动汽车智能充电网络安全通信的量子密钥分配系统，利用密钥分配单元分配所述量子密钥，实现了数据无条件的安全传输，保证网络运行的稳定和安全性。
为实现上述目的，本发明提供一种用于电动汽车智能充电网络安全通信的量子密钥分配系统，所述系统包括运营管理中心，所述运营管理中心包括子运营管理中心和总部运营管理中心；所述总部运营管理中心包括总部级密钥分配中心(KDC)；所述子运营管理中心包括地区级KDC；所述系统还包括充电站；依次用经典信道和量子信道连接所述各级；其改进之处在于，所述系统基于分级KDC模式实现量子密钥分配。
本发明提供的优选技术方案中，所述系统中的上一级对下一级用密钥分配单元分配量子密钥；所述密钥分配单元包括：所述运营管理中心的密钥管理模块(1)和所述充电站的密钥管理模块(2)；所述密钥管理模块(1)和所述密钥管理模块(2)之间通过经典信道相互进行通信以及数据、指令的传输；所述密钥管理模块(1)通过量子信道向所述密钥管理模块(2)提供密钥。
本发明提供的第二优选技术方案中，在所述子运营管理中心之间、所述子运营管理中心和所述总部运营管理中心之间以波分复用的方式在量子信道中完成用于数据加密的密钥分配。
本发明提供的第三优选技术方案中，所述子运营管理中心中的所述地区级KDC分别向所述充电站分配量子密钥：在所述充电站之间分配密钥K，则地区级KDC使用量子密钥对所述密钥K加密，得到加密后的密钥K’；加密后的密钥K’通过经典信道分别发送给所述充电站；在得到加密后的密钥K’后，所述充电站使用分配到的所述量子密钥对加密后的密钥K’进行解密，得到所述密钥K。
本发明提供的第四优选技术方案中，所述总部级KDC分别向所述子运营管理中心分配量子密钥：在所述子运营管理中心之间分配密钥K，则总部级KDC分别使用量子密钥对所述密钥K加密，得到加密后的密钥K’；加密后的密钥K’通过经典信道分别发送给所述子运营管理中心；在得到加密后的密钥K’后，所述子运营管理中心使用分配到的所述量子密钥对加密后的密钥K’进行解密，得到所述密钥K。
本发明提供的第五优选技术方案中，所述密钥管理模块(1)通过量子信道向所述密钥管理模块(2)提供密钥的具体过程为：所述密钥管理模块(1)从4个量子态中随机选择一个，并且通过量子信道发送给所述密钥管理模块(2)；所述密钥管理模块(2)随机选择一个测量基来测量，并且得到一个结果；所述密钥管理模块(1)和所述密钥管理模块(2)分别记录自己选择的和测量的结果，并通过经典信道相互比对，最后删除那些选错了测量基的结果，以在所述密钥管理模块(1)和所述密钥管理模块(2)之间建立起最终的密钥。
本发明提供的第六优选技术方案中，所述密钥管理模块(1)和所述密钥管理模块(2)分别包括处理器、密钥池、加密/解密模块以及光源或光探测器；所述密钥管理模块(1)和所述密钥管理模块(2)中的所述处理器、所述密钥池、所述加密/解密模块以及所述光源或光探测器均通过各自的内部总线相互连接。
本发明提供的较优选技术方案中，所述处理器负责功能模块的管理，包括接受密钥分配请求，建立密钥分配连接及对密钥池的调度；密钥池用来存储密钥，包括在相邻节点之间分配的量子密钥以及在非相邻节点之间分配的密钥；加密/解密模块使用相应的加密密钥对要传输的信息进行加密或者解密处理；所述光源或光探测器用于产生所述密钥分配单元使用的光量子信号。
与现有技术比，本发明提供的一种用于电动汽车智能充电网络安全通信的量子密钥分配系统，将密钥分配单元引入到智能充电网络的数据安全通信，利用量子力学的基本原理，在量子信道中使用波分复用的方式进行密钥的分配保证了数据加密过程的一次一密，确保了根据实际数据传输安全需要、稳定地分配密钥，提高了密钥的分配速率，满足了数据加密时的密钥分配请求有效提高了数据通信的安全性和可靠性，保证了网络中的相邻节点之间密钥分配的安全性和效率，克服了传统数据加密方法中密钥分配时安全性低且密钥池无法更新的缺陷。
附图说明
图1是本发明中的密钥分配单元的组成示意图。
图2是本发明中的电动汽车智能充电网络安全通信系统的模型图。
图3是本发明中的地区级KDC向充电站进行密钥分配的示意图。
图4是本发明中的总部KDC向子运营管理中心进行密钥分配的示意图。
具体实施方式
基于量子力学的基本原理的量子密钥分配，无条件安全地在直接相连的两点之间分配密钥。以最为经典的BB84协议为例，该协议共享到4个量子态，构成两组正交基，同时每组正交基也是一组测量基。只有用同组的测量基去测量量子态才能得到正确结果。具体的通信过程是这样的：密钥的发送者从4个量子态中随机选择一个，并且通过量子信道发送给接收者，接收者随机选择一个测量基来测量，并且得到一个结果，双方记录自己的选择和测量结果，并通过经典信道相互比对，删除那些选错了测量基的结果。如果有需要，在最后剩余的随机序列经过“保密放大”等步骤后，便可在发送者和接收者之间建立起最终的密钥。
量子力学的基本原理保证了量子线路中存在的任何窃听行为可以被收发双发检测到，进而保证了密钥的安全分配。同时诱骗态方法的引入以及光器件性能的提高，使密钥分配的速率得到了极大的提高，相隔100公里的两点之间密钥分配速率可达到1.85Mbit/s，并且随着距离的减小，密钥分配速率成倍增加。基于以上特点，使用量子密钥分配的数据加密方法可以有效率地和安全地分配加密密钥。
本发明提供的量子密钥分配系统中，在电动汽车智能充电网络中的相邻节点之间使用此量子密钥分配系统中的密钥分配单元来分配加密密钥。如图1所示，密钥分配单元中的运营管理中心和充电站的密钥管理模块如图所示，分别包括处理器，密钥池，加密/解密模块和光源或光探测器等。处理器是密钥管理模块的核心，负责其他功能模块的管理，包括接受密钥分配请求，建立密钥分配连接及对密钥池的调度等；密钥池是用来存储密钥，包括相邻节点之间分配的量子密钥以及非相邻节点之间分配的密钥；加密/解密模块使用相应的加密密钥对要传输的信息进行加密或者解密处理；光源或光探测器用于产生所述密钥分配单元使用的光量子信号。
除了在相邻节点之间建立量子密钥的分配外，根据电动汽车智能充电网络的实际情况，在该发明的技术方案中建立具有多级密钥分配中心的电动汽车智能充电网络安全通信系统。如图2所示，所述电动汽车智能充电网络安全通信系统分为总部级KDC、地区级KDC和充电站三级，在充电站与子运营管理中心之间、以及子运营管理中心与总部运营管理中心之间都有量子信道和经典信道连接。直接相连的节点之间可以分配量子密钥，并存储在密钥池中。非直接相邻节点之间密钥的分配主要依靠各级密钥分配中心KDC来协同完成。
为方便进行管理，总部级KDC和地区级KDC分别位于总部运营管理中心和子运营管理中心内。在各个子运营管理中心之间，子运营管理中心和总部运营管理中心之间，数据传输量较大，为保证数据加密过程的一次一密，所需的密钥分配速率也较高。通过在量子信道中使用波分复用等方法可以有效提高密钥的分配速率，满足数据加密的密钥分配请求。
同一区域内不同充电站之间的密钥分配、充电站和子运营管理中心之间的密钥分配均由本地的地区级KDC完成。充电站和子运营管理中心的密钥分配可由本地的地区级KDC发起，通过量子信道的连接直接建立。同一区域内不同的充电站，由于没有量子信道的连接，不能直接分配量子密钥，密钥的分配主要依靠本地的地区级KDC产生加密密钥并中继完成。同理，不同地区的运营管理中心之间以及某个地区的运营管理中心与总运营管理中心的密钥分配均由总部级KDC来完成。
如图3所示，在地区1中，充电站1和充电站2之间没有直接的量子信道连接。两者要进行数据的安全传输，则首先要分配安全的加密密钥。此任务主要依赖本地区的地区级KDC来完成。充电站1和充电站2通过量子信道分别和本地区的地区级KDC连接，且分别分配量子密钥K1和K2。要在充电站1和充电站2之间分配密钥K，则地区级KDC分别使用量子密钥K1和K2对K加密，得到加密后的密钥K’1和K’2，所述K’1和所述K’2分别由
和
得出，并通过经典信道分别发送给充电站1和充电站2。充电站1可以使用量子密钥K1解密出密钥K，充电站2使用量子密钥K2解密出密钥K，这样充电站1和充电站2在没有量子信道连接的情况下分配了安全密钥K。
如图4所示，子运营管理中心和总部运营管理中心之间进行管理控制信息通信。子运营管理中心1和子运营管理中心2通过量子信道分别和总部级KDC连接，且分别分配量子密钥K1和K2。要在子运营管理中心1和子运营管理中心2之间分配密钥K，则总部级KDC分别使用量子密钥K1和K2对K加密，得到加密后的密钥K’1和K’2，所述K’1和所述K’2分别由
和
得出，并通过经典信道分别发送给子运营管理中心1和子运营管理中心2。子运营管理中心1使用量子密钥K1解密出密钥K，子运营管理中心2使用量子密钥K2解密出密钥K，这样在没有量子信道连接的两点之间分配了安全密钥K。
需要声明的是，本发明内容及具体实施方式意在证明本发明所提供技术方案的实际应用，不应解释为对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在阅读本申请说明书后，在其精神和原理启发下，可作各种修改、等同替换、或改进。但这些变更或修改均在申请待批的保护范围内。
Claims (8)
1.一种用于电动汽车智能充电网络安全通信的量子密钥分配系统，所述系统包括运营管理中心，所述运营管理中心包括子运营管理中心和总部运营管理中心；所述总部运营管理中心包括总部级密钥分配中心(KDC)；所述子运营管理中心包括地区级KDC；所述系统还包括充电站；依次用经典信道和量子信道连接所述各级管理中心；其特征在于，所述系统基于分级KDC模式实现量子密钥分配。
2.根据权利要求1的所述量子密钥分配系统，其特征在于，所述系统中的上一级对下一级用密钥分配单元分配量子密钥；所述密钥分配单元包括：所述运营管理中心的密钥管理模块(1)和所述充电站的密钥管理模块(2)；所述密钥管理模块(1)和所述密钥管理模块(2)之间通过经典信道相互进行通信以及数据、指令的传输；所述密钥管理模块(1)通过量子信道向所述密钥管理模块(2)提供密钥。
3.如权利要求1所述的量子密钥分配系统，其特征在于，在所述子运营管理中心之间、所述子运营管理中心和所述总部运营管理中心之间以波分复用的方式在量子信道中完成用于数据加密的密钥分配。
4.如权利要求3所述的量子密钥分配系统，其特征在于，所述子运营管理中心中的所述地区级KDC分别向所述充电站分配量子密钥：在所述充电站之间分配密钥K，则地区级KDC使用量子密钥对所述密钥K加密，得到加密后的密钥K’；加密后的密钥K’通过经典信道分别发送给所述充电站；在得到加密后的密钥K’后，所述充电站使用分配到的所述量子密钥对加密后的密钥K’进行解密，得到所述密钥K。
5.如权利要求3所述的量子密钥分配系统，其特征在于，所述总部级KDC分别向所述子运营管理中心分配量子密钥：在所述子运营管理中心之间分配密钥K，则总部级KDC分别使用量子密钥对所述密钥K加密，得到加密后的密钥K’；加密后的密钥K’通过经典信道分别发送给所述子运营管理中心；在得到加密后的密钥K’后，所述子运营管理中心使用分配到的所述量子密钥对加密后的密钥K’进行解密，得到所述密钥K。
6.如权利要求2所述的量子密钥分配系统，其特征在于，所述密钥管理模块(1)通过量子信道向所述密钥管理模块(2)提供密钥的具体过程为：所述密钥管理模块(1)从4个量子态中随机选择一个，并且通过量子信道发送给所述密钥管理模块(2)；所述密钥管理模块(2)随机选择一个测量基来测量，并且得到一个结果；所述密钥管理模块(1)和所述密钥管理模块(2)分别记录自己选择的和测量的结果，并通过经典信道相互比对，最后删除那些选错了测量基的结果，以在所述密钥管理模块(1)和所述密钥管理模块(2)之间建立起最终的密钥。
7.如权利要求2所述的量子密钥分配系统，其特征在于，所述密钥管理模块(1)和所述密钥管理模块(2)分别包括处理器、密钥池、加密/解密模块以及光源或光探测器；所述密钥管理模块(1)和所述密钥管理模块(2)中的所述处理器、所述密钥池、所述加密/解密模块以及所述光源或光探测器均通过各自的内部总线相互连接。
8.如权利要求7的所述的量子密钥分配系统，其特征在于，所述处理器负责功能模块的管理，包括接受密钥分配请求，建立密钥分配连接及对密钥池的调度；密钥池用来存储密钥，包括在相邻节点之间分配的量子密钥以及在非相邻节点之间分配的密钥；加密/解密模块使用相应的加密密钥对要传输的信息进行加密或者解密处理；所述光源或光探测器用于产生所述密钥分配单元使用的光量子信号。
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