CN103441839B - 一种量子密码在ip安全通信中的使用方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种量子密码在IP安全通信中的使用方法和系统，所述方法基于ISAKMP定义的框架，包括以下步骤：分发量子密钥，建立共享秘密；进行IQKE SA协商；进行IPSec SA协商；生成会话密钥。本发明的方法和系统定义的IQKE协议采用ISAKMP定义的框架，独立于标准的IKE协议，可以避免标准IKE与QKD系统的兼容性问题，从而使得IPSec利用QKD产生的量子密钥增强其安全性成为可能；此外，IQKE协议采用QKD产生的量子密钥作为预共享密钥，无需采用经典密钥交换算法，降低密钥协商的复杂性。QIKE可以和QKD并行运行，对于低速率的QKD系统，采用密钥存储技术，对于高速QKD系统，可以实现OTP加密，实现无条件的安全性。本发明所述应用对于IP通信安全性的提升具有重要意义。
Description
技术领域
本发明属于安全通信领域，具体涉及一种量子密码在IP安全通信中的使用方法和系统。
背景技术
虚拟专用网络（VPN）是一种在公共通信基础网络上通过逻辑方式隔离出来的网络，其效果相当于在广域网络中建立一条虚拟专用线路。VPN采用三种关键技术：加密技术、用户身份认证技术和隧道技术。其中，VPN的加密技术由IP安全协议（IPSec）实现。IPSec是由因特网标准组织的因特网工程任务组（IETF）提出的一组协议，是在因特网上实现安全数据通信的最普遍的方法。
目前，基于IPSec安全协议的VPN技术现在已经非常成熟，几乎在各行各业中都有应用。但是IPSec安全协议仅使用强的密码认证协议和传统的加密算法来保护IP通信的完整性和保密性，而这种保密性随着计算技术和密码分析技术的发展，将面临越来越严峻的安全挑战。另一方面，随着量子密码技术的迅速发展，国际上已经开始研究具有无条件安全的量子密钥分配技术（QKD）与互联网技术的融合问题。
Internet密钥交换（IKE）协议是IPSec中最重要的组成部分。在公共网络中，用IPSec保护一个IP数据包之前，必须先建立一个安全通道，也即安全联盟（SA）。密码学中规定，确保加密系统的安全，会话密钥必须动态更新，而IPSec本身不具备动态更新会话密钥的能力，从而引用了IKE协议,用于动态建立和维护SA，以实现会话密钥的动态更新。
值得注意的是，标准的IKE协议是利用Diffie-Hellman密钥交换算法在IPSec通信双方直接协商安全策略、交换安全参数、验证双方身份以及生成共享的会话密钥。Diffie-Hellman密钥交换算法是一种基于“离散对数问题”的公共密钥算法，其安全性源于在有限域上计算离散对数比计算指数更难的事实，即，安全性局限于当前的计算能力。随着高性能计算技术的发展，尤其是量子计算技术的逐步实用化，破解Diffie-Hellman算法将变得非常容易，这将直接威胁到IPSec VPN的安全性。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种增强IP通信安全性的密钥交换方法和系统，其安全性不依赖于计算复杂性，可以抵御高性能计算攻击。
为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：
一方面，本发明提供一种量子密码在IP安全通信中的使用方法，该方法基于ISAKMP定义的框架；其特征在于，所述方法包括以下步骤：
A.分发量子密钥，建立共享秘密；
B.进行IQKE SA协商；
C.进行IPSec SA协商；
D.生成会话密钥。
优选地，所述步骤B中的IQKE SA为协商双方为保护其通信而使用的共享策略和密钥；所述步骤B包括：
B-1.协商共享策略；
B-2.交换密钥以生成密钥参数；
B-3.认证交换过程。
优选地，所述步骤A中，通过量子密钥分发设备实现所述分发；所述共享秘密为于通信双方之间建立的量子共享秘密QSS；所述分发包括：启动量子密钥分发时，先检验存储器中的密钥量是否满足任务的需要，若满足，则直接调用存储器中的密钥；否则开始所述密钥分发。
优选地，所述步骤B-2采用步骤A建立的所述共享秘密；该步骤包括：发起者发送表示QSS编号的QSS_ID至响应者，响应者回复表示该QSS状态的QSS_Stat值，以协商双方使用的所述共享秘密；
所述步骤B-1包括：发起者通过报文1向响应者提供安全关联负载SAi，该SAi包括算法的提议和变换；响应者选择所述提议和变换生成自己的安全关联负载SAr，并通过报文2返回至发起者确认；所述报文1和报文2的报文头分别包括随机数Ci和Cr；
所述密钥参数包括：SKYEYID、SKEYID_d、SKEYID_a和SKEYID_e；所述SKYEYID为IQKE SA的基本密钥参数；所述SKEYID_a为用于验证IQKE SA消息完整性以及数据源身份的工作密钥；所述SKEYID_e为用来保护IQKE SA消息机密性的工作密钥；所述SKEYID_d用于产生会话密钥；其计算公式如下：
SKEYID＝prf(PSK，Ni|Nr)；
SKEYID_d＝prf(SKEYID,QSS|Ci|Cr|0)；
SKEYID_a＝prf(SKEYID,SKEYID_d|Ci|Cr|1)；
SKEYID_e＝prf(SKEYID,SKEYID_a|Ci|Cr|2)；
式中，prf是伪随机函数,Ni和Nr是用于防止重放攻击的随机数；PSK为预共享密钥，其包括量子共享秘密QSS。
优选地，所述步骤B-3中的所述认证通过对称密码算法加密，且密钥使用SKEYID_e；所述步骤B-3交换的消息中包括发起者计算的散列值HASHi和响应者计算的散列值HASHr。
优选地，所述步骤C中，所述IPSec SA于所述IQKE SA的保护下建立，其包括：IPSec协议、加密和认证算法、会话密钥、安全索引参数SPI以及随机函数nonce；所述IPSec协议包括：ESP、AH；所述IPSec SA协商包括双方交换保护需求，该步骤包括：发起者发送QSS的编号QSS_ID和数目N，响应者收到后回复表示目前密钥存储器的状态信息的QSS_Stat值。
优选地，所述生成会话密钥用下式表达：
KEYMAT=prf(SKEYID_d，QSS|protocol|SPI|Ni|Nr)；
式中，protocol和SPI从协商得到的ISAKMP建议载荷中选取；会话密钥按照算法要求的长度从KEYMAT中依次选取，所述会话密钥包括：用于加密的会话密钥和用于完整性校验的会话密钥。
优选地，所述共享策略包括是否使用OTP算法。
另一方面，本发明提供一种量子密码在IP安全通信中的使用系统，其特征在于，所述系统包括QKD系统层和IPSec网关层；
所述QKD系统层包括：
QKD子系统，用于生成量子密钥，包括QKD协议单元和QKD器件单元；
QKD密钥存储器，用于存储量子共享秘密并对其编号；
密钥管理单元，用于防止非授权用户非法接入和修改QKD密钥存储器；
所述IPSec网关层包括：
IQKE软件模块，用于进行IQKE SA协商和IPSec SA协商；
SA数据库，用于管理协商生成的IPSec SA。
优选地，所述QKD协议单元为一组用于实施保密放大、误码校验的软件和硬件实体；所述QKD器件单元为用于实施量子通信的光学和电子学装置。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明提出的于IP安全通信中使用量子密码的方法，其安全性不依赖于计算复杂性，可以抵御高性能计算攻击。该方法定义的IQKE协议采用ISAKMP定义的框架，独立于标准的IKE协议，可以避免标准IKE与QKD系统的兼容性问题，从而使得IPSec利用QKD产生的量子密钥增强其安全性成为可能。此外，IQKE协议采用QKD产生的量子密钥作为预共享密钥，无需采用经典密钥交换算法，降低密钥协商的复杂性。QIKE可以和QKD并行运行，对于低速率的QKD系统，采用密钥存储技术，对于高速QKD系统，可以实现OTP加密，实现无条件的安全性。本发明所述应用对于IP通信安全性的提升具有重要意义。
附图说明
图1是本发明方法的实现环境示意图；
图2是本发明第2阶段（IQKE SA）消息协商过程流程图；
图3是本发明第3阶段（IPSec SA）消息协商过程流程图；
图4是本发明中IQKE系统结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明提出了一种增强IP通信安全性的密钥交换方法，其安全性不依赖于计算复杂性，可以抵御高性能计算攻击。该方法采用ISAKMP定义的框架，建立因特网量子密钥交换协议（简称IQKE），该协议独立于标准的IKE协议，可以避免IKE与QKD的兼容性，从而使得IPSec利用QKD产生的量子密钥增强其安全性成为可能。本发明所述方法的实现需要至少建立两条物理分离的通道：一条是连接IPSec网关之间的经典通道，另一条是连接QKD系统的量子通道。此外，QKD设备需要通过经典通道进行身份认证，以防止中间人攻击。QKD系统生成的量子密钥通过本地连接注入到IPSec网关，该密钥可用于IPSec网关之间的身份认证、会话密钥协商保护、数据报文的加密和完整性保护以及OTP加密等。
如图1所示，实现本发明方法的实现环境至少包括以下几个组件：QKD系统、QKD网络、IPSec网关和IP网络。
所述QKD系统，是指用于实现量子密钥分发的终端设备、协议软件以及数据库管理单元，里面集成了光源、探测器、编解码器、存储器、处理器等基本单元，实现量子信号的制备、探测与成码，最终产生可用的安全密钥。这些密钥通过网线实时的直接提供给应用程序，或者暂时存储在服务器的密钥管理存储单元中，待需要使用时，在从存储单元中调去，实现对突发应用数据的处理。
所述QKD网络，是指用于传输量子信号的专用信道，可以是光纤信道也可以是自由空间信道，随着距离的增加，这里还应该包含为了延长量子密钥分配的距离是采用的量子中继，可信中继，量子路由等中间设备。
所述IPSec网关，是指支持IPSec协议的网间连接设备。特别说明的是，本发明所述的IPSec网关能够提供QKD接口，支持QIKE软件的集成。
所述IP网络，是指支持TCP/IP协议的通信网络,是IP数据包的传输通道,同时也是为QKD设备进行密钥协商提供经典身份认证通道。
传统的IPSec采用经典密码技术保护IP通信安全，本发明提出采用量子密码技术替代IPSec中的经典密码算法，实现密钥的安全分发。为实现上述目的，本发明基于ISAKMP框架定义了新的协议IQKE。IQKE的运行包含3个阶段：第1阶段进行量子密钥交换；第2阶段进行IQKE SA的协商；第3阶段进行IPSec SA协商。IQKE的运行包含3种模式：量子模式，主模式和快速模式。其中，第1阶段运行在量子模式下,第2阶段和第3阶段分别运行于主模式和快速模式。IQKE的具体实现过程如下：
A.第1阶段：量子密钥交换，是使用QKD设备在通信双方之间建立共享秘密。该阶段运行于量子模式。如果不使用存储技术，那么每次启动量子密钥分发过程时，都需要实时的进行密钥分发处理，等到所需密钥量到达上层协议所需要求时才能停止。若是使用了存储技术，那么在每次启动量子密钥分发过程时，需先检验存储器中的密钥量是否满足任务的需要，若是满足需要，则直接调用存储器中的密钥，否则需要开始密钥分发过程。本发明使用的量子密钥分发过程，重点考虑了使用存储器的情况，对于没有存储器时的情况相当于存储器中存储量恒等于零的情况。该过程完成之后，通信双方将建立量子共享秘密(QSS:Quantum Share Secret）。QSS进行编号之后,分别放置在双方的存储器中,为后续阶段SA协商提供密钥材料。
B.第2阶段:IQKE SA协商，主要用于为通信双方建立一个IQKE SA。该SA是协商双方为保护它们之间的通信而使用的共享策略和密钥。该阶段与标准IKE不同的地方在于，IQKE在该阶段采用了第1阶段产生的量子共享秘密，因此在该阶段无需定义DH群组，也可以不使用数字签名和数字证书。
第2阶段的实现包含3个步骤，共交换6条消息，如图2所示。
B.1第1步：包含消息1和2。主要用于协商策略，如何使用何种加密认证算法。其过程是，发送方通过消息1向响应方提供安全关联负载SAi（包含各种算法的提议和变换），响应方从中选择合适的提议和变换构成SAr,并通过消息2向发送方确认，从而完成策略协商。另外，在报文头中还包含了通信双方的随机数cookie,用Ci和Cr表示。Cookie主要用作通信双方的“上场”证据，提供有限的抵抗“拒绝服务攻击”的能力。
进一步为了实现无条件的安全性要求，我们在加密算法集合中引入OTP算法，增加了加密算法的选择性。因此还需要协商是否使用OTP算法等信息。
B.2第2步：包含消息3和4。主要生成通信双方基本密钥参数SKYEYID。在该步骤，与IKE不同的是，IQKE不需要采用DH算法交换公开值以生成共享密钥，而是采用第1阶段生成的量子密钥作为通信双方的共享秘密。其中,QSS_ID是发起方向响应方发送的QKD密钥存储器中的QSS编号，双方约定使用哪一个（组）共享秘密，响应方返回一个值QSS_Stat，表示当前密钥存储器中指定编号的QSS的状态。通过该消息的协商，双方提取共同的QSS，进行以下密钥的计算。
第2步结束时候，共生成4种秘密：SKYEYID、SKEYID_d、SKEYID_a和SKEYID_e，其中后3种秘密都建立在SKEYID的基础上。SKEYID_e是IQKE SA用来保护其消息机密性所使用的工作密钥。SKEYID_a是IQKE SA用来验证其消息完整性以及数据源身份所使用的工作密钥。SKEYID_d用于会话密钥的产生。计算公式如下：
SKEYID＝prf(PSK，Ni|Nr);
SKEYID_d＝prf(SKEYID,QSS|Ci|Cr|0);
SKEYID_a＝prf(SKEYID,SKEYID_d|Ci|Cr|1);
SKEYID_e＝prf(SKEYID,SKEYID_a|Ci|Cr|2);
上述计算公式中，prf是伪随机函数,Ni和Nr是交换用来防“重放攻击”的随机数。PSK为预共享密钥。本发明中的预共享密钥可以是QKD密钥存储装置中的QSS。
B.3第3步：包含消息5和6。通信双方认证前面的交换过程。这两个消息中传递的信息使用对称密码算法加密。对称加密算法和Hash算法均由消息1和消息2确定，密钥使用SKEYID_e。交换的消息中包括双方各自计算的散列值HASHi和HASHr，只有当这两个值通过双方的验证之后，IQKE的第2阶段交换才算完成。HDR*表示IQKE后面的载荷是加密的。
第2阶段完成后，通信双方交换得到如下基本信息：（1）共享密钥，该密钥由第1阶段的量子密钥交换过程产生，该密钥用于第2阶段的身份认证和加密数据。（2）加密算法，该加密算法用于第3阶段SA参数的协商。该算法包括3DES,DES,AES等，此外还包括OTP。（3）HASH函数，该函数用于通信双方校验消息完整性和对方身份认证。
C.第3阶段:安全联盟协商，该阶段运行于快速模式。该阶段在第2阶段IQKE SA的保护下建立IPSec SA，IPSec SA主要包含IPSec协议（ESP或AH）、加密和认证算法、会话密钥、安全索引参数SPI以及随机函数nonce,用于包含IP数据包的安全传输。
该阶段的实现包含2个步骤，共交换4条消息，如图3所示。
C.1第1步：包含消息1和2。首先，发起方发送一个新的QSS_ID和N值。QSS_ID表示QSS在QKD密钥存储器中的编号，N表示所需要提取的QSS的个数。如，双方协商一致之后，分别从各自的密钥存储器中提取N个QSS，其编号依次为：QSS_ID,QSS_ID+1…QSS_ID+N-1。
然后，响应方回复一个QSS_Stat值，表示目前密钥存储器的状态。如，当前存储器满足密钥提前需求，则QSS_Stat=0,否则返回值为1。
C.2第2步：包含消息3和4。发起方向响应方发送一个杂凑载荷，即消息3，用于对上一步的交换进行认证；响应方向发起方回复一个杂凑载荷，即消息4，用于对上一步的交换的认证。
第3阶段会话密钥计算公式为：
KEYMAT=prf(SKEYID_d，QSS|protocol|SPI|Ni|Nr)；
其中，protocol和SPI从协商得到的ISAKMP建议载荷中选取。
第3阶段结束后，生成用于加密的会话密钥和用于完整性校验的会话密钥。这两种密钥按照算法要求长度从KEYMAT中依次选取。
本发明提供的量子密码在IP安全通信中的使用系统如图4所示：
该系统分为两层：QKD系统层和IPSec网关层。其中，QKD系统层由QKD协议、QKD器件和QKD密钥存储器、密钥管理单元等组成。QKD协议是一组用于实施保密放大、误码校验等过程的软件和硬件实体；QKD器件是用于实施量子通信的光学和电子学装置；密钥管理单元是用于防止非授权用户非法接入和修改QKD密钥存储器。
QKD子系统执行IQKE协议的量子密钥交换（即第1阶段），生成量子密钥流，并依次注入到QKD密钥存储器中，用QSS_ID进行编号。这些经存储的量子密钥在后续交换阶段中将作为密钥生成材料，用于IPSec网关之间的身份认证、会话密钥协商保护、数据报文的加密和完整性保护等。
配置在IPSec网关侧的IQKE软件执行IQKE协议的IQKE SA协商和IPSec SA协商（即第2、3阶段），通过密钥管理单元从QKD密钥存储器中提取通信双方所协商好的QSS，用于建立多条IPSec安全联盟。这些建立的IPSec安全联盟由SA数据库进行统一管理，进一步用于IP层的数据通信。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.一种量子密码在IP安全通信中的使用方法，该方法基于ISAKMP定义的框架；其特征在于，所述方法包括以下步骤：
A.分发量子密钥，建立共享秘密；
B.进行IQKE SA协商；
C.进行IPSec SA协商；
D.生成会话密钥；
所述步骤B中的IQKE SA为协商双方为保护其通信而使用的共享策略和密钥；所述步骤B包括：
B-1.协商共享策略；
B-2.交换密钥以生成密钥参数；
B-3.认证交换过程；
所述步骤A中，通过量子密钥分发设备实现所述分发；所述共享秘密为于通信双方之间建立的量子共享秘密QSS；所述分发包括：启动量子密钥分发时，先检验存储器中的密钥量是否满足任务的需要，若满足，则直接调用存储器中的密钥；否则开始所述密钥分发；
所述步骤B-2采用步骤A建立的所述共享秘密；该步骤包括：发起者发送表示QSS编号的QSS_ID至响应者，响应者回复表示该QSS状态的QSS_Stat值，以协商双方使用的所述共享秘密；
所述步骤B-1包括：发起者通过报文1向响应者提供安全关联负载SAi，该SAi包括算法的提议和变换；响应者选择所述提议和变换生成自己的安全关联负载SAr，并通过报文2返回至发起者确认；所述报文1和报文2的报文头分别包括随机数Ci和Cr；
所述密钥参数包括：SKYEYID、SKEYID_d、SKEYID_a和SKEYID_e；所述SKYEYID为IQKE SA的基本密钥参数；所述SKEYID_a为用于验证IQKE SA消息完整性以及数据源身份的工作密钥；所述SKEYID_e为用来保护IQKE SA消息机密性的工作密钥；所述SKEYID_d用于产生会话密钥；其计算公式如下：
SKEYID＝prf(PSK，Ni|Nr)；
SKEYID_d＝prf(SKEYID，QSS|Ci|Cr|0)；
SKEYID_a＝prf(SKEYID，SKEYID_d|Ci|Cr|1)；
SKEYID_e＝prf(SKEYID，SKEYID_a|Ci|Cr|2)；
式中，prf是伪随机函数，Ni和Nr是用于防止重放攻击的随机数；PSK为预共享密钥，其包括量子共享秘密QSS；
所述生成会话密钥用下式表达：
KEYMAT＝prf(SKEYID_d，QSS|protocol|SPI|Ni|Nr)；
式中，protocol和SPI从协商得到的ISAKMP建议载荷中选取；会话密钥按照算法要求的长度从KEYMAT中依次选取，所述会话密钥包括：用于加密的会话密钥和用于完整性校验的会话密钥。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤B-3中的所述认证通过对称密码算法加密，且密钥使用SKEYID_e；所述步骤B-3交换的消息中包括发起者计算的散列值HASHi和响应者计算的散列值HASHr。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤C中，所述IPSec SA于所述IQKE SA的保护下建立，其包括：IPSec协议、加密和认证算法、会话密钥、安全索引参数SPI以及随机函数nonce；所述IPSec协议包括：ESP、AH；所述IPSec SA协商包括双方交换保护需求，该步骤包括：发起者发送QSS的编号QSS_ID和数目N，响应者收到后回复表示目前密钥存储器的状态信息的QSS_Stat值。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述共享策略包括是否使用OTP算法。
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