CN108429616A - 一种自有后量子密码分配系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种自有后量子密码分配系统，包括发送端、量子通信信道和接收端，发送端包括电光调制器、密钥产生器和密钥随机重排序器，电光调制器用于产生第一光信号，密钥产生器用于产生随机数，及让光信号携带上随机数，密钥随机重排序器用于通过使用随机重排序算法重新排列光信号中的随机数；通信信道用于第三光信号通过量子通信通道从发送端传输到接收端，接收端包括次序和密钥恢复器和测量获取信息器，次序和密钥恢复器用于对接收的光信号中的随机数进行次序恢复重排。与现有技术相比，本发明仅采用数据包会话密钥加密方式，即可实现端对端通信安全的目的，同时也能保证接收端能快速准确的接收到会话密钥，提高了通信的安全性以及效率。
Description
技术领域
本发明涉及量子通信技术领域，尤其涉及一种自有后量子密码分配系统。
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。
量子通信是近二十年发展起来的新型交叉学科，是量子论和信息论相结合的新的研究领域。量子通信基于量子力学基本原理，这使得量子密码系统的安全性不会受到计算能力和数学水平的不断提高的威胁，从而保证了利用量子密码系统加密的信息不仅在现在是绝对安全的，而且在未来都是绝对安全的。即使强大的量子计算机在未来得以实现，量子密码仍然不可被攻破。
发明内容
本发明针对现有方式的缺点，提出一种自有后量子密码分配系统，用以解决现有技术存在的上述问题。
根据本发明的一个方面，提供了一种自有后量子密码分配系统，包括发送端、量子通信信道和接收端，所述发送端包括电光调制器、密钥产生器和密钥随机重排序器；所述电光调制器用于产生第一光信号，所述第一光信号携带数据信息；所述密钥产生器用于产生第一随机数，及让所述第一光信号携带上所述第一随机数以生成第二光信号；所述密钥随机重排序器用于通过使用随机重排序算法重新排列所述第二光信号中的第一随机数以获取第二随机数及生成第三光信号，所述第三光信号携带第二随机数；所述通信信道用于所述第三光信号通过所述量子通信通道从发送端传输到接收端；所述接收端包括次序及密钥恢复器和测量获取信息器，所述次序与密钥恢复器用于对接收的所述第三光信号中的第二随机数进行次序恢复重排以将所述第二随机数恢复至第三随机数，所述测量获取信息器用于对比所述第一随机数和第三随机数是否一致，所述第一随机数预存在所述接收端。
进一步的，所述电光调制器是指，利用电光晶体产生电光效应制成的调制器；
所述电光效应是指当把电压加到电光晶体上时，电光晶体的折射率发生变化，进而引起所述电光晶体的光波特性的变化，从而实现对光信号的相位、幅度、强度以及偏振状态的调制。
进一步的，所述随机重排序算法采用基于时间的重排序方法且包括时间哈希的重排方式定义表，所述时间哈希的重排方式定义表包括若干行和若干行中的哈希值，所述基于时间的重排序方法按发送时间和估算接收时间定位到时间哈希的重排方式定义表中的目标行以获取目标行中的哈希值，再根据所述哈希值决定第一随机数的重排方式。
进一步的，所述时间哈希的重排方式定义表是预定义定长的数字表格，所述表格通过更换硬件芯片的方式进行修改。
进一步的，基于时间的重排序方法根据哈希值决定第一随机数的重排方式之后，重排所述第一随机数以获取第二随机数及生成第三光信号，所述第三光信号携带第二随机数和哈希值。
进一步的，所述时间哈希的重排方式定义表还预存在接收端的次序和密钥恢复器中，当所述接收端接收到第三光信号后，所述次序和密钥恢复器使用第三光信号中传递的哈希值定位到时间哈希的重排方式定义表中的目标行，再按照基于时间的重排序方法对接收的所述第三光信号中的第二随机数号进行次序恢复重排。
进一步的，所述哈希值为1280位的数字。
进一步的，所述对比所述第一随机数和第三随机数是否一致，还包括，若第一随机数和第三随机数一致，所述测量获取信息器获取第三光信号中的数据信息。
进一步的，所述对比所述第一随机数和第三随机数是否一致，还包括，若第一随机数和第三随机数不一致且接收端确认量子通信信道被破坏时，所述接收端通过量子通信信道向发送端发送报警信息；若第一随机数和第三随机数不一致且接收端确认量子通信信道未被破坏时，所述接收端通过量子通信信道向发送端发送反馈信息；所述反馈信息和报警信息均预存在接收端。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明仅采用数据包会话密钥加密方式，即可实现端对端通信安全的目的，同时也能保证接收端能快速准确的接收到会话密钥，提高了通信的安全性以及效率；在量子通信过程中还能有效抑制量子信号受到的环境干扰以及人为攻击的情况发生。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明实施例中的一种自有后量子密码分配系统结构图；
图2为本发明实施例中的密钥传输过程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
在本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的描述的一些流程中，包含了按照特定顺序出现的多个操作，但是应该清楚了解，这些操作可以不按照其在本文中出现的顺序来执行或并行执行，操作的序号如101、102等，仅仅是用于区分开各个不同的操作，序号本身不代表任何的执行顺序。另外，这些流程可以包括更多或更少的操作，并且这些操作可以按顺序执行或并行执行。需要说明的是，本文中的“第一”、“第二”等描述，是用于区分不同的消息、设备、模块等，不代表先后顺序，也不限定“第一”和“第二”是不同的类型。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分例，实施而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
实施例
如图1所示，提供了本发明一个实施例的一种自有后量子密码分配系统，该一种自有后量子密码分配系统包括发送端A101、量子通信信道A102和接收端A103；发送端A101包括电光调制器、密钥产生器和密钥随机重排序器，电光调制器用于产生第一光信号，第一光信号携带数据信息；密钥产生器用于产生第一随机数，及让第一光信号携带上第一随机数以生成第二光信号；密钥随机重排序器用于通过使用随机重排序算法重新排列第二光信号中的第一随机数以获取第二随机数及生成第三光信号，第三光信号携带第二随机数；量子通信信道用于第三光信号通过量子通信通道从发送端A101传输到接收端A103；接收端A103包括次序及密钥恢复器和测量获取信息器，次序与密钥恢复器用于对接收到的第三光信号中的第二随机数进行次序恢复重排以将第二随机数恢复至第三随机数，测量获取信息器用于对比第一随机数和第三随机数是否一致，第一随机数预存在接收端A103。
电光调制器是指，利用电光晶体产生电光效应制成的调制器。
电光效应是指当把电压加到电光晶体上时，电光晶体的折射率发生变化，若电压的大小不同，折射率也会不同，通过改变电光晶体的折射率进而引起电光晶体的光波特性的变化，从而实现对光信号的相位、幅度、强度以及偏振状态的调制。
许多固体和液体材料均能够显示出电光效应，其中最为重要的一类是电光晶体材料，电光晶体的电光效应主要表现为线性电光效应(泡克耳斯效应)和二阶电光效应(克尔效应)。利用晶体的线性电光效应实现光的调制，所需的调制电压通常较低，因此研究和使用得较为广泛。[
外电场作用于晶体材料所产生的电光效应分为两种，一种是泡克耳斯效应，产生这种效应的晶体通常是不具有对称中心的各向异性晶体；另一种是克尔效应，产生这种效应的晶体通常是具有任意对称性质的晶体或各向同性介质。已实用的电光晶体主要是一些高电光品质因子的晶体和晶体薄膜。在可见波段，常用电光晶体有磷酸二氢钾、磷酸二氢铵、铌酸锂、钽酸锂等晶体。前两种晶体有高的光学质量和光损伤阈值，但其半波电压较高，而且要采用防潮解措施。后两种晶体有低的半波电压，物理化学性能稳定，但其光损伤阈值较低。在红外波段，实用的电光晶体主要是砷化镓和碲化镉等半导体晶体。
各种外场，如电场、磁场、应力场和温度场等，都会对晶体的光学性质产生影响，从而发生一些可为人们利用的交互效应，如电光效应、磁光效应、压电效应、弹光(或称压光)效应、热光效应或光折变效应等。
非线性介质电光效应产生的原因是光在介质中传播时，光频电场和外加电场共同引起介质的非线性极化。与非线性光学效应一样，电光效应也是一种以二阶张量描述的非线性效应。因此，电光效应也可看成是非线性效应的一种特殊情况。
电光效应就是晶体折射率随外加电场而发生变化的现象。其中折射率与外电场成正比的改变称为线性电光效应或普克尔(Pockels)效应；与外电场的二次方成正比的改变称为二次电光效应或克尔(Kerr)效应。尽管在电场作用下，电光效应晶体的折射率一般变化不大，但已经足以引起光在晶体中传播的特性发生改变，从而可以通过外场的变化达到光电信号互相转换或光电相互控制、相互调制的目的。
随机重排序算法采用基于时间的重排序方法且包括时间哈希的重排方式定义表，时间哈希的重排方式定义表包括若干行和若干行中的哈希值，基于时间的重排序方法按发送时间和估算接收时间定位到时间哈希的重排方式定义表中的目标行以获取目标行中的哈希值，再根据哈希值决定第一随机数的重排方式。
时间哈希的重排方式定义表是预定义定长的数字表格，表格通过更换硬件芯片的方式进行修改。
时间哈希的重排方式定义表是哈希表中的一种，哈希表是种数据结构，它可以提供快速的插入操作和查找操作。哈希表运算得非常快，在计算机程序中，如果需要在一秒种内查找上千条记录通常使用哈希表(例如拼写检查器)哈希表的速度明显比树快，树的操作通常需要O(N)的时间级。哈希表不仅速度快，编程实现也相对容易。
哈希表的查找C代码如下：
基于时间的重排序方法根据哈希值决定第一随机数的重排方式之后，重排第一随机数以获取第二随机数及生成第三光信号，第三光信号携带第二随机数和哈希值。
时间哈希的重排方式定义表还预存在接收端的次序和密钥恢复器中，当接收端接收到第三光信号后，次序和密钥恢复器使用第三光信号中传递的哈希值哈希值定位到时间哈希的重排方式定义表中的目标行，再按照基于时间的重排序方法对接收的第三光信号中的第二随机数号进行次序恢复重排。
哈希值为1280位的数字。
进一步的，对比第一随机数和第三随机数是否一致，还包括，若第一随机数和第三随机数一致，测量获取信息器获取第三光信号中的数据信息。
进一步的，对比第一随机数和第三随机数是否一致，还包括，若第一随机数和第三随机数不一致且接收端确认量子通信信道被破坏时，接收端通A103过量子通信信道A102向发送端A101发送报警信息；若第一随机数和第三随机数不一致且接收端A103确认量子通信信道未被破坏时，接收端A103通过量子通信信道向发送端A101发送反馈信息；反馈信息和报警信息均预存在接收端A103。
接收端每次接收到密钥后需要通过量子通信信道向发送端确认。如果传输过程中信息泄露，发送端将会检测到至少以下情况之一：(1)发送端接收不到确认；(2)发送端接收到错误消息；(3)发送端接收到报警消息；这三种情况下对应的接收端情况是：(1)接收端接收不到密钥或发现密钥被破坏但实际上发送报警信息的量子通信链路被物理切断；(2)接收端没有发现密钥破坏，因此发送确认信息，但实际上确认信息被破坏；或者接收端发现密钥被破坏，因此发送报警信息，但实际上报警信息被破坏；(3)接收端发现密钥被破坏，因此发送报警信息。报警信息也完整的到达了发送端。综上，本算法所有出口全部有处理，因此保证了密钥的安全性。
如图2所示，本发明系统以量子通信为基础，密钥通过量子通信信道从发送端传输到接收端，如果中间被偷窥者测量，则量子状态会发生改变，在接收端将不能恢复密钥。而偷窥者得到的信息由于是被随机重排序的，所以偷窥者也不能获得原信息。即便偷窥者偷窥了多次，也不能发现规律，所以不能破解。若将来使用量子计算机也需要一直不停计算很长时间(如几十年或上百年)才能计算破解。此外，由于接收端发现信息泄漏，将会发出报警信号，保证系统安全。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露系统或器件，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的方法实施例仅仅是示意性的，例如，所述器件的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种自有后量子密码分配系统，包括发送端、量子通信信道和接收端，其特征在于，所述发送端包括电光调制器、密钥产生器和密钥随机重排序器；所述电光调制器用于产生第一光信号，所述第一光信号携带数据信息；所述密钥产生器用于产生第一随机数，及让所述第一光信号携带上所述第一随机数以生成第二光信号；所述密钥随机重排序器用于通过使用随机重排序算法重新排列所述第二光信号中的第一随机数以获取第二随机数及生成第三光信号，所述第三光信号携带第二随机数；所述量子通信信道用于所述第三光信号通过所述量子通信通道从发送端传输到接收端；所述接收端包括次序及密钥恢复器和测量获取信息器，所述次序与密钥恢复器用于对接收的所述第三光信号中的第二随机数进行次序恢复重排以将所述第二随机数恢复至第三随机数，所述测量获取信息器用于对比所述第一随机数和第三随机数是否一致，所述第一随机数预存在所述接收端。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电光调制器是指，利用电光晶体产生电光效应制成的调制器；
所述电光效应是指当把电压加到电光晶体上时，电光晶体的折射率发生变化，进而引起所述电光晶体的光波特性的变化，从而实现对光信号的相位、幅度、强度以及偏振状态的调制。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述随机重排序算法采用基于时间的重排序方法且包括时间哈希的重排方式定义表，所述时间哈希的重排方式定义表包括若干行和若干行中的哈希值，所述基于时间的重排序方法按发送时间和估算接收时间定位到时间哈希的重排方式定义表中的目标行以获取目标行中的哈希值，再根据所述哈希值决定第一随机数的重排方式。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述时间哈希的重排方式定义表是预定义定长的数字表格，所述表格通过更换硬件芯片的方式进行修改。
5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，基于时间的重排序方法根据哈希值决定第一随机数的重排方式之后，重排所述第一随机数以获取第二随机数及生成第三光信号，所述第三光信号携带第二随机数和哈希值。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述时间哈希的重排方式定义表还预存在接收端的次序和密钥恢复器中，当所述接收端接收到第三光信号后，所述次序和密钥恢复器使用第三光信号中传递的哈希值定位到时间哈希的重排方式定义表中的目标行，再按照基于时间的重排序方法对接收的所述第三光信号中的第二随机数号进行次序恢复重排。
7.根据权利要求3、5或6所述的系统，其特征在于，所述哈希值为1280位的数字。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述对比所述第一随机数和第三随机数是否一致，还包括，若第一随机数和第三随机数一致，所述测量获取信息器获取第三光信号中的数据信息。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述对比所述第一随机数和第三随机数是否一致，还包括，若第一随机数和第三随机数不一致且接收端确认量子通信信道被破坏时，所述接收端通过量子通信信道向发送端发送报警信息；若第一随机数和第三随机数不一致且接收端确认量子通信信道未被破坏时，所述接收端通过量子通信信道向发送端发送反馈信息；所述反馈信息和报警信息均预存在接收端。
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