CN110932855A - 一种基于区块链的量子密钥分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于区块链的量子密钥分配方法，是存在两个分离两地的密钥池，两个密钥池的配置相同，通过公开的量子通道互联，调用量子密钥分发QKD协议产生密钥流，分别存储在两个密钥池对应的位置；两个密钥池分别连接着各自的密钥池管理者，密钥池管理者的作用是管理密钥池、更新密钥池中的存储地址、负责与用户联系；两个密钥池管理者连接着一个区块链，区块链用于记录用户与密钥池管理者之间的交易。本发明的目的在于解决现有量子密钥生成和分配效率低的问题，在确保密钥生成和分配安全的情况下，提高密钥分配效率。

Description

一种基于区块链的量子密钥分配方法

技术领域

本发明属于现代密码学应用领域，具体地说是一种基于区块链的量子密钥分配方法。

背景技术

密钥分配与密钥管理是现代密码学中最关键的技术之一，涉及到密码学的诸多方面，包括密钥的生成、分发、存储、应用等。目前存在的很多安全应用均采用公钥加密算法实现密钥对的分配。但是随着量子计算机以及量子计算的兴起，经典密码算法，包括对称加密算法(例如DES、AES)和公钥加密算法(例如RSA、ECC)，正面临着巨大的安全挑战。

随着量子密码的出现，信息安全领域又添了新的活力，量子密码学是量子力学和经典密码学相结合的产物，由量子力学基本原理保证其安全性，理论上能提供无条件安全。而QKD协议的提出，使得通信的双方能够产生并分享一个随机的、安全的密钥，来加密和解密消息。由此量子密码学越来越多的应用到了安全领域。

QKD的提出，虽然理论上能保证密钥分配的无条件安全，但是其密钥分配效率极其低下，每次只能是通信的双方分享一对密钥对，而且在通信的双方建立一条QKD网络代价十分昂贵。在多对用户需要申请密钥对的情况下，QKD协议无法提供较优的解决方案。

综上所述，现有的密钥分配方法还存在以下问题：

(1)建立QKD网络难度大，成本高，建立多条QKD网络更甚。

(2)QKD网络密钥分配效率相对低下。

(3)经典的密钥分配方法，密钥安全性不高，容易被破解。

因此基于现有密钥分发方法，已有的方案或协议很难实现。

发明内容

本发明的目的在于解决现有的量子密钥分配方案中难以满足多个用户对申请密钥对的需求，以及现有量子密钥分配方案中密钥分配效率低下的问题，提供一种安全、高效的基于区块链的量子密钥分配方法，以期能节约资源耗费，减少经典、量子通道安全性检测的次数，确保参与者身份的合法性以及最终密钥的正确性，并保证更高通信效率，从而能实现更加实用、安全、高效的密钥对分配方法。

本发明为解决技术问题所采用如下的技术方案是：

本发明一种基于区块链的量子密钥分配方法的特点是应用于由区块链、用户U_a、用户U_b、设置在所述用户U_a附近的密钥池C₁、设置在所述用户U_b附近的密钥池C₂、以及密钥池C₁的管理者M₁、密钥池C₂的管理者M₂所组成的公开网络环境中，令所述用户U_a附近的密钥池C₁和所述用户U_b附近的密钥池C₂配置相同，并通过公开的量子通道相连；所述量子密钥分配方法是按照如下步骤进行：

步骤1：初始化阶段：

所述用户U_a附近的密钥池C₁和所述用户U_b附近的密钥池C₂调用量子密钥分配协议并分别生成密钥流后，按照顺序存储结构按序分别存放在所述用户U_a附近的密钥池C₁和所述用户U_b附近的密钥池C₂中；

所述密钥池C₁的管理者M₁管理用户U_a附近的密钥池C₁的尾指针，所述密钥池C₂的管理者M₂管理所述用户U_b附近的密钥池C₂的尾指针；

所述用户U_a和所述密钥池C₁的管理者M₁共享一对密钥，所述用户U_b和所述密钥池C₂的管理者M₂共享一对密钥；

步骤2：所述用户U_a作为请求者主动向所述密钥池C₁的管理者M₁发送申请密钥流请求消息；所述请求消息包括：请求者身份信息、使用者身份信息、申请密钥流长度；

步骤3：所述密钥池C₁的管理者M₁验证所述用户U_a身份信息合法后，执行步骤4；否则终止；

步骤4：所述密钥池C₁的管理者M₁从所述用户U_a附近的密钥池C₁提取符合所述用户U_a要求的密钥流并制作成密钥卡X_a，所述密钥卡X_a上的信息包括：密钥流长度、请求者身份信息、使用者身份信息、密钥内容、所述密钥池C₁的管理者M₁的签名；

步骤5：所述密钥池C₁的管理者M₁通知所述用户U_a取密钥卡X_a；

步骤6：所述用户U_a利用自身身份信息到所述密钥池C₁的管理者M₁处取回密钥卡X_a；

步骤7：所述密钥池C₁的管理者M₁向所述区块链发送交易信息，记录所述用户U_a的密钥流分配；所述交易信息包括：密钥流长度、密钥流起始地址、密钥流终止地址、请求者身份信息、使用者身份信息、所述密钥池C₁的管理者M₁的签名；

步骤8：所述用户U_a通知所述用户U_b作为使用者去所述密钥池C₂的管理者M₂处取密钥卡X_b；

步骤9：所述用户U_b利用自身身份信息去所述密钥池C₂的管理者M₂处取密钥卡X_b；所述密钥池C₂的管理者M₂验证所述用户U_b的身份信息合法，执行步骤10；否则终止；

步骤10：所述密钥池C₂的管理者M₂查询区块链上包含所述用户U_a和所述用户U_b的交易信息，从所述用户U_b附近的密钥池C₂提取符合区块链中记录交易信息的密钥流并制作成密钥卡X_b；

步骤11：所述用户U_b取回密钥卡X_b，所述密钥卡X_b上的信息包括：密钥流长度、请求者身份信息、使用者身份信息、密钥内容、所述密钥池C₂的管理者M₂的签名；

步骤12：所述用户U_a根据事先与密钥池C₁的管理者M₁共享的密钥对验证密钥卡X_a，所述用户U_b根据事先与所述密钥池C₂的管理者M₂共享的密钥对验证密钥卡X_b，若验证均通过，则所述用户U_a与所述用户U_b利用各自的密钥流进行安全通信；否则，无法进行安全通信；

步骤13：密钥池C₁的管理者M₁更新用户U_a附近的密钥池C₁的存储地址；所述密钥池C₂的管理者M₂更新用户U_b附近的密钥池C₂的存储地址。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明经一条QKD网络，持续生成密钥流，并分别顺序存储在两个密钥池中，采用更新密钥池存储地址的方式，使得两个密钥池可以存放多对密钥流，有用户来申请密钥流时，可以及时的分配密钥，提高了密钥的分配效率。

2、本发明采用QKD网络生成密钥流，其量子力学基本原理提供了密钥的安全性，保证了分配的密钥具有无条件安全性。

3、本发明使用QKD网络和区块链技术，这两种技术都基于现有技术，方案容易实现，且只需建立一条QKD网络，节约资源，降低了可操作难度，具有良好的可实现性。

4、本发明采用两个密钥池存储密钥，两个密钥池只与各自的密钥池管理者通信，提高了密钥存储的安全性。

5、本发明采用区块链进行交易信息存储，区块链具有不可篡改、可以抵抗单点故障和数据损坏、透明性等特性，使得交易信息公开透明，可以随时查询；交易信息具有不可篡改性，从而保证了所分配密钥的唯一性，提高了密钥的安全性。

6、本发明采用密钥池管理者循环更新密钥池存储地址的方式，节约资源，高了密钥池的空间利用率。

附图说明

图1为本发明系统框架图；

图2为本发明流程图。

具体实施方式

下面对本发明的设计方案结合附图和实例进行详细介绍，但本发明不限于该实施方式。

本实施例中，如图1所示，一种基于区块链的量子密钥分配方法，是应用于由区块链、用户U_a、用户U_b、设置在用户U_a附近的密钥池C₁、设置在用户U_b附近的密钥池C₂、以及密钥池C₁的管理者M₁、密钥池C₂的管理者M₂所组成的公开网络环境中，令用户U_a附近的密钥池C₁和用户U_b附近的密钥池C₂配置相同，并通过公开的量子通道相连；如图2所示，量子密钥分配方法是按照如下步骤进行：

步骤1：初始化阶段：

用户U_a附近的密钥池C₁和用户U_b附近的密钥池C₂调用量子密钥分配协议并分别生成密钥流后，按照顺序存储结构按序分别存放在用户U_a附近的密钥池C₁和用户U_b附近的密钥池C₂中；

密钥池C₁的管理者M₁管理用户U_a附近的密钥池C₁的尾指针，密钥池C₂的管理者M₂管理用户U_b附近的密钥池C₂的尾指针；

用户U_a和密钥池C₁的管理者M₁共享一对密钥{K_Pa1,K_Sa1}，用户U_b和密钥池C₂的管理者M₂共享一对密钥{K_Pb2,K_Sb2}；

步骤2：用户U_a作为请求者主动向密钥池C₁的管理者M₁发送申请密钥流请求消息；请求消息包括：请求者身份信息(即用户U_a)、使用者身份信息(即用户U_b)、申请密钥流长度；

步骤3：密钥池C₁的管理者M₁验证用户U_a身份信息合法后，执行步骤4；否则终止；

步骤4：密钥池C₁的管理者M₁从用户U_a附近的密钥池C₁提取符合用户U_a要求的密钥流并制作成密钥卡X_a，密钥卡X_a上的信息包括：密钥流长度、请求者身份信息(即用户U_a)、使用者身份信息(即用户U_b)、密钥内容、密钥池C₁的管理者M₁的签名，签名是用K_Sa1进行的签名。

步骤5：密钥池C₁的管理者M₁通知用户U_a取密钥卡X_a；

步骤6：用户U_a利用自身身份信息到密钥池C₁的管理者M₁处取回密钥卡X_a；

步骤7：密钥池C₁的管理者M₁向区块链发送交易信息，记录用户U_a的密钥流分配；交易信息包括：密钥流长度、密钥流起始地址、密钥流终止地址、请求者身份信息(即用户U_a)、使用者身份信息(即用户U_b)、密钥池C₁的管理者M₁的签名；

步骤8：用户U_a通知用户U_b作为使用者去密钥池C₂的管理者M₂处取密钥卡X_b；

步骤9：用户U_b利用自身身份信息去密钥池C₂的管理者M₂处取密钥卡X_b；密钥池C₂的管理者M₂验证用户U_b的身份信息合法，执行步骤10；否则终止。

步骤10：密钥池C₂的管理者M₂查询区块链上包含用户U_a和用户U_b的交易信息，从用户U_b附近的密钥池C₂提取符合区块链中记录交易信息的密钥流并制作成密钥卡X_b；

步骤11：用户U_b取回密钥卡X_b，密钥卡X_b上的信息包括：密钥流长度、请求者身份信息(即用户U_a)、使用者身份信息(即用户U_b)、密钥内容、密钥池C₂的管理者M₂的签名，签名是用K_Sb2进行的签名。至此，密钥分配完成。

步骤12：用户U_a根据事先与密钥池C₁的管理者M₁共享的密钥对验证密钥卡X_a，用户U_b根据事先与密钥池C₂的管理者M₂共享的密钥对验证密钥卡X_b，若验证均合法，则用户U_a与用户U_b利用各自的密钥流进行安全通信；否则，无法进行安全通信；

步骤12.1用户U_a用K_Pa1验证密钥池C₁的管理者M₁的签名，若验证合法，用户U_a使用其密钥流。若验证不合法，丢弃密钥卡。

步骤12.2用户U_b用K_Pb2,密钥池C₂的管理者M₂的签名，若验证合法，用户U_b使用其密钥流。若验证不合法，丢弃密钥卡。

步骤12.3在验证均合法的情况下，用户U_a与用户U_b利用各自的密钥流进行安全通信。

步骤13：密钥池C₁的管理者M₁更新用户U_a附近的密钥池C₁的存储地址；密钥池C₂的管理者M₂更新用户U_b附近的密钥池C₂的存储地址；

步骤13.1用户U_a附近的密钥池C₁和用户U_b附近的密钥池C₂持续调用QKD协议生成密钥流进行顺序存储，当用户U_a附近的密钥池C₁的存储空间满时，密钥池C₁的管理者M₁根据区块链上的交易信息更新尾指针的位置，从而更新用户U_a附近的密钥池C₁的存储地址，更新策略采用循环策略。

步骤13.2根据区块链上记录的交易信息，当用户U_a附近的密钥池C₁相应存储地址的密钥流分发完成，则自动清除存储地址的密钥流。密钥流被清除后，生成的新密钥流将被放置到空闲存储地址。

步骤13.3密钥池C₂的管理者M₂根据区块链上的交易信息更新尾指针的位置，从而更新用户U_b附近的密钥池C₂的存储地址，更新策略采用循环策略。

步骤13.4当根据区块链上的交易信息，当用户U_b附近的密钥池C₂相应存储地址的密钥流分发完成，则自动清除存储地址的密钥流。密钥流被清除后，生成的新密钥流将被放置到空闲存储地址。

步骤14当多对用户同时申请时，按照以上步骤进行操作。

Claims (1)

1.一种基于区块链的量子密钥分配方法，其特征是应用于由区块链、用户U_a、用户U_b、设置在所述用户U_a附近的密钥池C₁、设置在所述用户U_b附近的密钥池C₂、以及密钥池C₁的管理者M₁、密钥池C₂的管理者M₂所组成的公开网络环境中，令所述用户U_a附近的密钥池C₁和所述用户U_b附近的密钥池C₂配置相同，并通过公开的量子通道相连；所述量子密钥分配方法是按照如下步骤进行：

步骤1：初始化阶段：

所述用户U_a附近的密钥池C₁和所述用户U_b附近的密钥池C₂调用量子密钥分配协议并分别生成密钥流后，按照顺序存储结构按序分别存放在所述用户U_a附近的密钥池C₁和所述用户U_b附近的密钥池C₂中；

所述密钥池C₁的管理者M₁管理用户U_a附近的密钥池C₁的尾指针，所述密钥池C₂的管理者M₂管理所述用户U_b附近的密钥池C₂的尾指针；

所述用户U_a和所述密钥池C₁的管理者M₁共享一对密钥，所述用户U_b和所述密钥池C₂的管理者M₂共享一对密钥；

步骤2：所述用户U_a作为请求者主动向所述密钥池C₁的管理者M₁发送申请密钥流请求消息；所述请求消息包括：请求者身份信息、使用者身份信息、申请密钥流长度；

步骤3：所述密钥池C₁的管理者M₁验证所述用户U_a身份信息合法后，执行步骤4；否则终止；

步骤4：所述密钥池C₁的管理者M₁从所述用户U_a附近的密钥池C₁提取符合所述用户U_a要求的密钥流并制作成密钥卡X_a，所述密钥卡X_a上的信息包括：密钥流长度、请求者身份信息、使用者身份信息、密钥内容、所述密钥池C₁的管理者M₁的签名；

步骤5：所述密钥池C₁的管理者M₁通知所述用户U_a取密钥卡X_a；

步骤6：所述用户U_a利用自身身份信息到所述密钥池C₁的管理者M₁处取回密钥卡X_a；

步骤7：所述密钥池C₁的管理者M₁向所述区块链发送交易信息，记录所述用户U_a的密钥流分配；所述交易信息包括：密钥流长度、密钥流起始地址、密钥流终止地址、请求者身份信息、使用者身份信息、所述密钥池C₁的管理者M₁的签名；

步骤8：所述用户U_a通知所述用户U_b作为使用者去所述密钥池C₂的管理者M₂处取密钥卡X_b；

步骤9：所述用户U_b利用自身身份信息去所述密钥池C₂的管理者M₂处取密钥卡X_b；所述密钥池C₂的管理者M₂验证所述用户U_b的身份信息合法，执行步骤10；否则终止；

步骤10：所述密钥池C₂的管理者M₂查询区块链上包含所述用户U_a和所述用户U_b的交易信息，从所述用户U_b附近的密钥池C₂提取符合区块链中记录交易信息的密钥流并制作成密钥卡X_b；

步骤11：所述用户U_b取回密钥卡X_b，所述密钥卡X_b上的信息包括：密钥流长度、请求者身份信息、使用者身份信息、密钥内容、所述密钥池C₂的管理者M₂的签名；

步骤12：所述用户U_a根据事先与密钥池C₁的管理者M₁共享的密钥对验证密钥卡X_a，所述用户U_b根据事先与所述密钥池C₂的管理者M₂共享的密钥对验证密钥卡X_b，若验证均通过，则所述用户U_a与所述用户U_b利用各自的密钥流进行安全通信；否则，无法进行安全通信；

步骤13：密钥池C₁的管理者M₁更新用户U_a附近的密钥池C₁的存储地址；所述密钥池C₂的管理者M₂更新用户U_b附近的密钥池C₂的存储地址。

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