CN106230585A - 一种量子密钥快速同步更新的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种量子密钥分配系统到传统网络设备的密钥更新方法，公开了一种传统网络设备使用量子密钥加密时，快速更新并准确同步量子密钥的方法，包括：传统网络设备作为加密报文的发送端和接收端时，量子密钥的缓存方法、切换方法以及同步方法。与现有技术相比，本发明可以无需加解密双方发送密钥同步消息，由加密报文触发量子密钥同步更新，大大提高量子密钥更新速率和同步一致性，特别是在高性能网络设备中。

Description

一种量子密钥快速同步更新的方法
技术领域
本发明涉及一种量子加密方法，尤其涉及了一种量子密钥快速同步更新的方法。
技术背景
随着计算机网络技术的快速发展，越来越多的信息需要通过网络传递，大量敏感信息需要通过加密传输，传统的加密方式主要依赖于非对称的公私钥体系建立的，这种方式为信息安全提供了有力的保证。而随着密码学的发展，量子密码开始走入人们的视线。量子密码是以现代密码学和量子力学为基础、量子物理学方法实现密码思想和操作的一种新型密码体制。这种加密方法是用量子状态来作为信息加密和解密的密钥。
1984年，美国IBM公司的Bennett和加拿大蒙特利尔大学的Brassard共同提出了第一个量子密码通信方案，即著名的BB84协议，标志着量子通信领域的诞生。在量子保密通信过程中，发送方和接收方采用单光子的状态作为信息载体来建立密钥。由于单光子不可分割，窃听者无法将单光子分割成两部分，让其中一部分继续传送，而对另一部分进行状态测量获取密钥信息。又由于量子测不准原理和不可克隆定理，窃听者无论是对单光子状态进行测量或是试图复制之后再测量，都会对光子的状态产生扰动，从而使窃听行为暴露。理论表明，通信双方只要按照协议产生了密钥，就一定是安全的。
基于BB84协议，已经有试商用的量子密码机出现。实际部署时，量子密码机主要产生量子密钥，数据加密还是依赖于传统网络设备。这时就需要通信两端的传统网络设备，不断地向量子密码机获取量子密钥，用于传输数据的加密。首先，由于量子加密通常要做到一次一密，即密钥和明文一样长，当数据带宽越来越高时，产生的量子密钥速度往往更不上数据传输的速率。其次，当传输速度高时，两端还需要保持密钥更新同步的一致，以免解密密码与加密密码不同步造成无法同步解密，要保持同步，通常需要加密双方发送同步消息，保证密钥同步，传输数据的速率越大同步消息量就越大，相对也会占用通信带宽。上述两点造成量子加密传送数据时的带宽小，无法满足现有高速增长的带宽要求。
发明内容
本发明的目的就是在提高量子密钥更新速率同时，保证量子密钥同步一致性，使量子加密满足高带宽的加密需求。
为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：
一种量子密钥快速同步的方法，其包括以下步骤：
步骤1：发送端和接收端各使用一个队列缓存量子密钥；
步骤2：发送端和接收端共同约定使用一组SPI值，作为量子密钥的索引，SPI值是一组循环的32位数值；
步骤3：开始时，发送端和接收端尽可能快的向量子密码机获取密钥，直到缓存完毕；
步骤4：从第一个SPI开始，发送端根据SPI值，找到缓存的量子密钥，加密报文发出，报文头部携带SPI值；
步骤5：接收端根据当前报文的SPI值，找到缓存的量子密钥，解密接收到的密文；
步骤6：发送端以固定周期，跳转并使用下一个SPI对应的缓存密钥加密报文，释放缓存，更新量子密钥后重新加入缓存队列；
步骤7：接收端由报文触发密钥更新，一旦发现SPI切换，则立刻使用新SPI对应的量子密钥解密报文，释放缓存，更新量子密钥后重新加入缓存队列；
本发明由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：
本发明基于这种方法，可以提高量子密钥更新速率同时，保证量子密钥同步一致性，特别是在高带宽的量子加密需求中。
附图说明：
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图作简单地介绍。
图1是本发明的网络拓扑图；
图2是发送端缓存和更新量子密钥的示意图；
图3是接收端缓存和更新量子密钥的示意图；
图4是发送端和接收端同步更新密钥的示意图。
具体实施方式：
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
本发明系统组成，如图1所示，由路由器R1与路由器R2、量子密码机Q1与量子密码机Q2，以及测试仪组成的网络，路由器R1和路由器R2直连，量子密码机Q1与量子密码机Q2通过光纤直连，R1和Q1直连，R2和Q2直连。两个测试终端接口分别连在路由器R1和路由器R2两端。
准备阶段，配置静态路由使得R1、R2、Q1、Q2之间的互联接口以及测试终端能够互通；R1和Q1互相配置通信协议参数，R2和Q2互相配置通信协议参数，如身份认证、密钥更新频率等；R1配置密钥缓存数量及一组SPI索引，R2配置密钥缓存数量及一组SPI索引。
开始阶段，R1作为发送端，R2作为接收端，各自缓存一组量子密钥。由于流量是双向的，所以同时，R2作为发送端，R1作为接收端，各自缓存一组量子密钥。下面从一个方向上说明，发送端和接收端的实施步骤：
如图2所示，发送端使用一个环形队列缓存量子密钥；使用2个异步的指针，写指针（用于更新密钥），读指针（用于读取密钥后加密报文）；最开始时，写指针尽可能快的更新密钥，直到缓存完毕（不能超过或等于读指针）；读指针以配置的密钥更新频率，切换到下一个可用的密钥，作为当前报文加密的密钥，并且触发更新上一个密钥。
如图3所示，接收端使用一个环形队列缓存量子密钥；使用2个异步的指针，写指针（用于更新密钥），读指针（用于读取密钥后解密报文）；最开始时，写指针尽可能快的更新密钥，直到缓存全部填充完毕（不能超过或等于读指针）；读指针从当前密文携带SPI值找到密钥缓存，解密报文；一旦发现SPI切换，触发更新密钥。
如图4所示，发送到发送加密报文，接收端解密报文；发送端，通过定时器，切换到新的SPI，并触发密钥更新； 接收端收到报文，发现是新的SPI值时，也切换并触发更新；密钥更新和密钥使用是两个异步过程，通过报文携带的SPI值实现发送端和接收端密钥的同步更新。因为不需要两端发送同步消息，所以传输速率可以不受同步消息速率限制，可以适应高速率的应用场景。
使用本发明方法后，可以提高量子密钥更新速率的同时，保证量子密钥同步一致性，特别是在高带宽的量子加密需求中。

Claims (3)

1.一种量子密钥快速同步更新的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：发送端和接收端各使用一个队列缓存量子密钥；
步骤2：发送端和接收端共同约定使用一组SPI值，作为量子密钥的索引；
步骤3：开始时，发送端和接收端尽可能快的向量子密码机获取密钥，直到缓存完毕；
步骤4：从第一个SPI开始，发送端根据SPI值，找到缓存的量子密钥，加密报文发出，报文头部携带SPI值；
步骤5：接收端根据当前报文的SPI值，找到缓存的量子密钥，解密接收到的密文；
步骤6：发送端以固定周期，跳转并使用下一个SPI对应的缓存密钥加密报文，释放缓存，更新量子密钥后重新加入缓存队列；
步骤7：接收端由报文触发密钥更新，一旦发现SPI切换，则立刻使用新SPI对应的量子密钥解密报文，释放缓存，更新量子密钥后重新加入缓存队列。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于:加解密是双向的，一台网络设备同时做发送端和接收端。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于:所述的SPI值是一组循环的32位数值。
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