CN105024801A - 一种量子加密通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种量子加密通信方法，该方法可增强实际量子通信密钥分配实现过程的安全性，还大幅提升了量子通信密钥分配过程控制的操作系统的可靠性，用于手持设备具有很高的安全性、独立性，且部署方便、快捷、简单。

Description

一种量子加密通信方法

技术领域

本发明涉及一种通信方法，具体的说，涉及一种量子加密通信方法，属于通信技术领域。

背景技术

现如今随着信息时代的发展，信息交互安全也越来越受到人们的关注。目前，在各种信息交互中都有采取一些加密的措施，主要都是运用一些数字加密的方法。现在非常普遍的一种安全通信通道建立与数据保护方法是使用安全传输层协议（TLS），用于在两个通信终端之间基于数字证书的特性，提供保密性和数据完整性。

已知的手持移动设备的加密方案是采用公钥体制，通过公私钥对来分发会话密钥，而公钥体系的安全性是依赖于计算复杂度的，无法抗拒超强计算能力的攻击，特别是量子计算机的攻击。

量子密码通信结合了量子物理原理和现代通信技术。量子密码通信由物理原理保障异地密钥协商过程和结果的安全性，与“一次一密”加密技术结合，可以实现不依赖算法复杂度的保密通信。近年来，量子密码通信体制得到了国际学术界、科技界以及国家战略层面的广泛关注，已成为新一代密码技术发展的重要战略方向。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对以上不足，提供一种量子加密通信方法，该方法可增强实际量子通信密钥分配实现过程的安全性，还大幅提升了量子通信密钥分配过程控制的操作系统的可靠性，用于手持设备具有很高的安全性、独立性，且部署方便、快捷、简单。

为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案，一种量子加密通信方法，该方法包括如下步骤：

（1）量子通信密钥存储步骤：所述手持设备在通信时，发起呼叫的手持设备为主叫端，被呼叫的手持设备为被叫端；所述量子通信密钥基于量子密码的端对端手持设备加密方法存储在手持设备内；

（2）发起呼叫步骤：当需要进行加密通信时，主叫端向被叫端发起加密通信请求；

（3）量子通信密钥同步步骤：被叫端接收到加密通信请求并确认接听后，发送密钥同步请求消息给主叫端；

（4）同步确认步骤：主叫端收到密钥同步请求消息后，从其密钥池中读取量子通信密钥，然后回送确认消息给被叫端；

（5）呼叫应答步骤：被叫端收到确认信息后，从其密钥池中读出对应的量子通信密钥；量子通信密钥读出成功后，被叫端发送加密呼叫应答信号给主叫端，主叫端和被叫端进行加密通信；

（6）加密通信步骤：主叫端的密钥管理操作系统通过第一代理接口和第二代理将量子通信密钥分配过程中的数据交互信息发送到设备管控操作系统；设备管控操作系统通过经典信道将量子通信密钥分配过程中的数据交互信息传输到被叫端；

被叫端的设备管控操作系统通过经典信道收到量子通信密钥分配过程中的数据交互信息后，通过被叫端的第一代理接口和被叫端的第二代理将量子通信密钥分配过程中的数据交互信息发给被叫端的密钥管理操作系统；

（7）量子信号传输步骤：主叫端的量子通信密钥分配终端控制装置和被叫端的量子通信密钥分配终端控制装置根据量子通信密钥分配过程中的数据交互信息通过量子信道进行量子信号传输。

优选的，作为本发明进一步改进的技术方案，还包括步骤（8），量子通信密钥更新步骤：

所述主叫端和被叫端使用的量子通信密钥都设定有生命周期；在通信过程中，主叫端和被叫端的量子通信密钥的使用周期分别达到设定状态后，量子通信密钥被更换为新量子通信密钥，并且新量子通信密钥更换成功后被注入主叫端和被叫端的加解密模块。

优选的，量子通信密钥更新步骤（8）包括以下步骤：

（81）云用户基于CA服务器生成的密钥将文件存储到云服务器步骤：

云用户为待上传文件设置文件名，并基于当前密钥的文件标签私钥生成对应的文件标签f：f＝t₀||t，其中t₀＝F||n，F表示文件名，n表示文件F的数据块分块数，符号“||”表示追加操作；参数t＝(H₀(t₀))^ssk，其中H₀为从0和1组成的比特序列集映射到p阶加法循环群G的抗碰撞哈希函数，参数p为系统基于预设安全参数所选择的大素数，ssk表示当前密钥的文件标签私钥；云用户对待上传文件进行编码，并将编码后的文件分成n个数据块，基于当前数据块标签私钥生成数据块标签σ_i；云用户将每个文件的当前文件标签f、数据块和 数据块标签σ_i上传至云服务器；

（82）云用户基于新密钥生成新文件标签和新数据块标签，云服务器更新对应文件的文件标签和数据块标签步骤：

云用户向CA服务器发送密钥更新请求，CA服务器生成新密钥并发送至云用户；

云用户向云服务器发送更新标签请求，在收到云服务器的回复后，云用户从云服务器上下载文件标签f和数据块标签σ_i，下标i为各文件的数据块标识符；云用户生成新文件标签f′和新数据块标签σ′_i并上传至云服务器：提取下载的文件标签f中的参数t₀和t，基于当前新旧密钥(旧密钥即云用户的当前原密钥)生成新文件标签f′＝t₀||t′，其中t′＝t^ssk′/ssk，ssk′表示当前新密钥的文件标签私钥；基于下载的数据块标签σ_i和当前新旧密钥生成新数据块标签σ′_i＝σ_i ^α′/α，其中α′和α分别表示当前新旧密钥的数据块标签私钥；云服务器将对应文件的文件标签和数据标签更新为新文件标签f′和新数据块标签σ′_i。

优选的，在密钥同步步骤中，所述密钥同步请求消息中包含量子通信密钥的同步信息，所述量子通信密钥的同步信息包括量子通信密钥的编号、起始地址，量子通信密钥的长度和生存周期。

本发明词用以上技术方案，与现有技术相比，具有以下优点：（1）在量子通信密钥分配过程中使得量子通信密钥管理接口、量子通信密钥分配过程控制与设备管控系统接口物理隔离，增强了实际量子通信密钥分配实现过程的安全性；（2）当需要进行加密通话时，主叫端向被叫端发起加密通话请求信息；本发明的加密具有高安全性、独立性、部署方便、快捷、简单；（3）手持设备端可及时通过与服务器更新量子通信密钥，进一步提升了通信的安全性。

附图说明

附图1为本发明实施例中量子加密通信方法的流程图。

具体实施方式

实施例1，附图1所示，本发明的一种量子加密通信方法流程图，该方法具体包括如下步骤。

S1.量子通信密钥存储步骤

所述手持设备在通信时，发起呼叫的手持设备为主叫端，被呼叫的手持设备为被叫端；所述量子通信密钥基于量子密码的端对端手持设备加密方法存储在手持设备内。

S2.发起呼叫步骤

当需要进行加密通信时，主叫端向被叫端发起加密通信请求。

S3.量子通信密钥同步步骤

被叫端接收到加密通信请求并确认接听后，发送密钥同步请求消息给主叫端。

S4.同步确认步骤

主叫端收到密钥同步请求消息后，从其密钥池中读取量子通信密钥，然后回送确认消息给被叫端。优选的，在密钥同步步骤中，所述密钥同步请求消息中包含量子通信密钥的同步信息，所述量子通信密钥的同步信息包括量子通信密钥的编号、起始地址，量子通信密钥的长度和生存周期。

S5.呼叫应答步骤

被叫端收到确认信息后，从其密钥池中读出对应的量子通信密钥；量子通信密钥读出成功后，被叫端发送加密呼叫应答信号给主叫端，主叫端和被叫端进行加密通信。

S6.加密通信步骤

主叫端的密钥管理操作系统通过第一代理接口和第二代理将量子通信密钥分配过程中的数据交互信息发送到设备管控操作系统；设备管控操作系统通过经典信道将量子通信密钥分配过程中的数据交互信息传输到被叫端。

被叫端的设备管控操作系统通过经典信道收到量子通信密钥分配过程中的数据交互信息后，通过被叫端的第一代理接口和被叫端的第二代理将量子通信密钥分配过程中的数据交互信息发给被叫端的密钥管理操作系统。

S7.量子信号传输步骤

主叫端的量子通信密钥分配终端控制装置和被叫端的量子通信密钥分配终端控制装置根据量子通信密钥分配过程中的数据交互信息通过量子信道进行量子信号传输。

S8.量子通信密钥更新步骤

所述主叫端和被叫端使用的量子通信密钥都设定有生命周期；在通信过程中，主叫端和被叫端的量子通信密钥的使用周期分别达到设定状态后，量子通信密钥被更换为新量子通信密钥，并且新量子通信密钥更换成功后被注入主叫端和被叫端的加解密模块。

优选的，量子通信密钥更新步骤S8中还包括以下步骤：

S81.云用户基于CA服务器生成的密钥将文件存储到云服务器步骤：

云用户为待上传文件设置文件名，并基于当前密钥的文件标签私钥生成对应的文件标签f：f＝t₀||t，其中t₀＝F||n，F表示文件名，n表示文件F的数据块分块数，符号“||”表示追加操作；参数t＝(H₀(t₀))^ssk，其中H₀为从0和1组成的比特序列集映射到p阶加法循环群G的抗碰撞哈希函数，参数p为系统基于预设安全参数所选择的大素数，ssk表示当前密钥的文件标签私钥；云用户对待上传文件进行编码，并将编码后的文件分成n个数据块，基于当前数据块标签私钥生成数据块标签σ_i；云用户将每个文件的当前文件标签f、数据块和 数据块标签σ_i上传至云服务器。

云用户基于新密钥生成新文件标签和新数据块标签，云服务器更新对应文件的文件标签和数据块标签步骤：

云用户向CA服务器发送密钥更新请求，CA服务器生成新密钥并发送至云用户。

云用户向云服务器发送更新标签请求，在收到云服务器的回复后，云用户从云服务器上下载文件标签f和数据块标签σ_i，下标i为各文件的数据块标识符；云用户生成新文件标签f′和新数据块标签σ′_i并上传至云服务器：提取下载的文件标签f中的参数t₀和t，基于当前新旧密钥(旧密钥即云用户的当前原密钥)生成新文件标签f′＝t₀||t′，其中t′＝t^ssk′/ssk，ssk′表示当前新密钥的文件标签私钥；基于下载的数据块标签σ_i和当前新旧密钥生成新数据块标签σ′_i＝σ_i ^α′/α，其中α′和α分别表示当前新旧密钥的数据块标签私钥；云服务器将对应文件的文件标签和数据标签更新为新文件标签f′和新数据块标签σ′_i。

在S7的量子信号通信步骤中，具体包括如下步骤：

S71.主叫端与被叫端通过量子通信密钥协商，主叫端与被叫端公开地约定通过优化构造生成的基础校验矩阵H_B，H_B大小为n_B×(m_B+n_B)，最小围长不小于6(尽可能减少陷阱集，增大最小码字重量，保证良好的码字重量分布)，同时约定矩阵扩展因子T；k，n_B、m_B和T均为正整数；

S72.在主叫端，对需要发送的信源数据划分为N个发送明文(m₁,m₂,…,m_i,…,m_N)，其中每个发送明文m_i长度均为m比特，顺序号i＝1,2,...,N；m＝m_B·T；N和m均为正整数；

S73.在主叫端，对每个发送明文m_i进行联合加密纠错编码，得到对应的n比特发送码字x_i，n＝n_B·T，n为正整数；具体包括以下步骤：

S731.根据对称密钥k和当前发送明文m_i的顺序号i，伪随机向量发生器通过对称加密算法产生长度为r比特的伪随机向量r_i＝rand(k,i)；r为正整数；具体包括以下步骤：

S7311.根据对称密钥k，通过对称加密算法得到伪随机密钥流，对称加密算法可采用已有的基于比特流或字节流的序列密码，或者是同步模式下的分组密码等；

S7312.对于每个发送明文m_i，依次从伪随机密钥流中取出r比特得到伪随机向量r_i；

S7313.假设基础校验矩阵H_B中的“1”元素个数为J，则伪随机向量r_i划分为包含J个数字的向量r_i＝(r_i,1,r_i,2,...,r_i,j,...,r_i,J)，其中r_i,j∈{0,1,2,...,T-1}是长度为log₂T比特的无符号整型数字，故伪随机向量r_i的长度为r＝Jlog₂T比特；J为正整数；

S732.根据基础校验矩阵H_B，矩阵扩展因子T和步骤S731中产生的伪随机向量r_i，校验矩阵构造器通过矩阵扩展构造方法实时产生动态校验矩阵H_i＝h(H_B,r_i)，大小为n×(m+n)；具体包括以下步骤：

S7321.将基本校验矩阵H_B中所有的“0”元素均扩展成大小为T×T的零矩阵0_T×T；

S7322.根据基本校验矩阵H_B中所有的“1”元素的位置从左到右，从上到下依次编号为j＝1,2,...,J；

S7322.将基本校验矩阵H_B中所有的“1”元素按照编号j，分别扩展成大小为T×T的循环移位单位置换矩阵I_T(t_j)，其中第j个“1”元素扩展对应的偏置因子为t_j＝r_i,j；循环移位单位置换矩阵I_T(t_j)中每个矩阵行只有一个“1”元素，并且每行的“1”均相对于上一行的“1”所在位置循环右移一位(偏置因子t_j决定了循环移位单位置换矩阵I_T(t_j)中第一行中的“1”的位置)；

S733.将步骤S7321.中实时产生的动态校验矩阵H_i，及发送明文m_i送入LDPC编码器，通过非系统码LDPC编码方法进行信道编码，得到n比特校验比特向量p_i：

p_i＝m_i·(B(r_i)^-1A(r_i))^T，其中动态校验矩阵H_i＝[A(r_i),B(r_i)]被划分为两个子矩阵，A(r_i)为n×m的二元矩阵，B(r_i)为n×n的可逆二元方阵；

S734.根据反馈得到的被叫端信道状况，(在不超过被叫端纠错能力的情况下)随机噪声源产生n比特的随机噪声向量e_i；

S735.根据步骤S733中产生的校验比特向量p_i以及步骤3.4)中产生的随机噪声向量 e_i，将两者逐比特异或得到发送码字                                                

S74.主叫端将发送码字x_i发送到主信道上传输，随后被叫端得到接收码字y_i；

S75.在被叫端，将到达的N个接收码字y_i，按照先后顺序记为(y₁,y₂,…,y_i,…,y_N)，其中接收码字y_i的顺序号i＝1,2,...,N，每个接收码字y_i为n维实数向量；

S76.在被叫端，对每个接收码字y_i进行联合加密纠错译码，得到对应的m比特接收明文m′_i；具体包括以下步骤：

S761.根据对称密钥k和当前接收码字y_i顺序号i，伪随机向量发生器通过对称加密算法产生长度为r比特的伪随机向量r_i＝rand(k,i)；

S762.根据基础校验矩阵H_B，矩阵扩展因子T和步骤(6.1)中产生的伪随机向量r_i，校验矩阵构造器通过矩阵扩展构造方法实时产生动态校验矩阵H_i＝h(H_B,r_i)；

S763.将步骤(6.2)中实时产生的动态校验矩阵H_i，及接收码字y_i送入LDPC译码器进行信道译码，得到m比特接收明文m′_i；具体包括以下步骤：

S7631.计算出接收码字y_i＝(y_i,1,y_i,2,...,y_i,l,...,y_i,n)对应的对数似然比向量LLR(y_i)；正整数l＝1,2,...,n，接收码字中每个接收比特y_i,l对应的对数似然比(LLR)为： 

其中σ²为信道噪声的标准方差，则对数似然比向量LLR(y_i)表示为：

LLR(y_i)＝(LLR(y_i,1),LLR(y_i,2),...,LLR(y_i,l),...,LLR(y_i,n))；

由于采用非系统码LDPC编码方法，将未传输的信息比特部分的对数似然比置为零向量0_1×m，最终得到(m+n)维的初始对数似然比向量LLR₀＝[0_1×m,LLR(y_i)]；

S7632.根据动态校验矩阵H_i，通过已有的LDPC迭代译码算法，使用步骤(6.3.1)中得到的初始对数似然比向量LLR₀进行迭代译码；通常限制最大迭代次数IT_max，IT_max为正整数；假设当前迭代次数为正整数t，若t＜ITER_max，则将每次迭代更新的对数似然比向 量LLR_t进行硬判决：若得到满足校验方程H_i·(c′_i)^T＝0的译码码字c′_i＝[m′_i,p′_i]，则译码成功，结束迭代；否则译码失败，继续迭代直到t＝ITER_max，译码结束；

S7633.将译码结束后得到恢复出的m比特作为接收明文m′_i。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种量子加密通信方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）量子通信密钥存储步骤：所述手持设备在通信时，发起呼叫的手持设备为主叫端，被呼叫的手持设备为被叫端；所述量子通信密钥基于量子密码的端对端手持设备加密方法存储在手持设备内； 

（2）发起呼叫步骤：当需要进行加密通信时，主叫端向被叫端发起加密通信请求；

（3）量子通信密钥同步步骤：被叫端接收到加密通信请求并确认接听后，发送密钥同步请求消息给主叫端；

（4）同步确认步骤：主叫端收到密钥同步请求消息后，从其密钥池中读取量子通信密钥，然后回送确认消息给被叫端； 

（5）呼叫应答步骤：被叫端收到确认信息后，从其密钥池中读出对应的量子通信密钥；量子通信密钥读出成功后，被叫端发送加密呼叫应答信号给主叫端，主叫端和被叫端进行加密通信； 

（6）加密通信步骤：主叫端的密钥管理操作系统通过第一代理接口和第二代理将量子通信密钥分配过程中的数据交互信息发送到设备管控操作系统；设备管控操作系统通过经典信道将量子通信密钥分配过程中的数据交互信息传输到被叫端； 

被叫端的设备管控操作系统通过经典信道收到量子通信密钥分配过程中的数据交互信息后，通过被叫端的第一代理接口和被叫端的第二代理将量子通信密钥分配过程中的数据交互信息发给被叫端的密钥管理操作系统； 

（7）量子信号传输步骤：主叫端的量子通信密钥分配终端控制装置和被叫端的量子通信密钥分配终端控制装置根据量子通信密钥分配过程中的数据交互信息通过量子信道进行量子信号传输。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括步骤（8），量子通信密钥更新步骤：

所述主叫端和被叫端使用的量子通信密钥都设定有生命周期；在通信过程中，主叫端和被叫端的量子通信密钥的使用周期分别达到设定状态后，量子通信密钥被更换为新量子通信密钥，并且新量子通信密钥更换成功后被注入主叫端和被叫端的加解密模块。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，量子通信密钥更新步骤（8）包括以下步骤：

（81）云用户基于CA服务器生成的密钥将文件存储到云服务器步骤：

云用户为待上传文件设置文件名，并基于当前密钥的文件标签私钥生成对应的文件标签f：f＝t₀||t，其中t₀＝F||n，F表示文件名，n表示文件F的数据块分块数，符号“||”表示追加操作；参数t＝(H₀(t₀))^ssk，其中H₀为从0和1组成的比特序列集映射到p阶加法循环群G的抗碰撞哈希函数，参数p为系统基于预设安全参数所选择的大素数，ssk表示当前密钥的文件标签私钥；云用户对待上传文件进行编码，并将编码后的文件分成n个数据块，基于当前数据块标签私钥生成数据块标签σ_i；云用户将每个文件的当前文件标签f、数据块和 数据块标签σ_i上传至云服务器； 

（82）云用户基于新密钥生成新文件标签和新数据块标签，云服务器更新对应文件的文件标签和数据块标签步骤：

云用户向CA服务器发送密钥更新请求，CA服务器生成新密钥并发送至云用户；

云用户向云服务器发送更新标签请求，在收到云服务器的回复后，云用户从云服务器上下载文件标签f和数据块标签σ_i，下标i为各文件的数据块标识符；云用户生成新文件标签f′和新数据块标签σ′_i并上传至云服务器：提取下载的文件标签f中的参数t₀和t，基于当前新旧密钥(旧密钥即云用户的当前原密钥)生成新文件标签f′＝t₀||t′，其中t′＝t^ssk′/ssk，ssk′表示当前新密钥的文件标签私钥；基于下载的数据块标签σ_i和当前新旧密钥生成新数据块标签σ′_i＝σ_i ^α′/α，其中α′和α分别表示当前新旧密钥的数据块标签私钥；云服务器将对应文件的文件标签和数据标签更新为新文件标签f′和新数据块标签σ′_i。

4.如权利要求1-3任一所述的方法，其特征在于，在密钥同步步骤中，所述密钥同步请求消息中包含量子通信密钥的同步信息，所述量子通信密钥的同步信息包括量子通信密钥的编号、起始地址，量子通信密钥的长度和生存周期。