CN111211895B - 密钥分析处理方法和装置、密钥分发随机性检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种密钥分析处理方法，包括：从量子密钥分发系统获取密钥；对获取的密钥进行随机性检测，包括：接收用户输入，从而根据至少一种算法，确定随机性检测模式；接收用户输入，从而确定待检测的密钥；执行随机性检测方案。根据本发明技术方案，可以对量子密钥随机性进行多种标准的测试，提高了测试灵活性和适用性。

Description

密钥分析处理方法和装置、密钥分发随机性检测系统

技术领域

本发明涉及量子通信领域的密钥随机性检测技术，更具体地涉及一种密钥分析处理方法和装置、密钥分发随机性检测系统。

背景技术

作为新一代通信技术，量子通信凭借量子信息传输的高效性和安全性，成为各国未来高技术竞争焦点之一，是国内外重点关注的前沿科技热点。现阶段量子保密通信系统的关键指标参数只能从厂家的设备网管或上位机软件进行获取，缺少相关的测试手段。此外目前市场上也缺乏第三方的量子保密通信系统性能指标测试仪器仪表。而且没有一款装置可以同时检测多种标准比如国密局标准和NIST随机性标准，不便于多种场景多种需求的随机性测试。

(1)国家密码管理局发布的随机性检测规范

国家密码管理局发布了随机性检测规范，该标准规定了商用密码应用中的随机性检测指标和检测方法，适用于对随机数发生器产生的二元序列的随机性检测。该标准才用的随机性检测项目共有15项，分别为单比特频数检测、块内频数检测、扑克检测、重叠子序列检测、游程总数检测、游程分布检测、块内最大“1”游程检测、二元推导检测、自相关检测、矩阵秩检测、累加和检测、近似熵检测、线性复杂度检测、Maurer通用统计检测、离散傅里叶检测。

(2)NIST随机性测试规范

美国国家技术标准与研究院(NIST)发布的随机性检测规范，该规范包括16种测试指标。该测试规范可测试由用作保密随机或者伪随机数发生器的软硬件产生的任意长度的二进制序列的随机性。这些测试指标主要目的是判定可能存在于序列中的多种多样的非随机性。其中的一些测试又可以分解成多种子测验。这16种测试指标分别为频率检测、块内频数检测、游程检测、块内最长游程检测、二元矩阵秩检测、离散傅里叶变换检测、非重叠模块匹配检测、重叠模块匹配检测、Maurer通用统计检测、Lemple-Ziv压缩检测、线性复杂度检测、序列检测、近似熵检测、累加和检测、随机游动检测、随机游动状态频数检测。

此外，现有的随机性检测规范相关测试软件很多，但数据的采集和分析是分成两部分操作的，不能在同一个装置上完成采集和随机性检测。增加了检测的成本和复杂度。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种密钥分析处理方法和装置、密钥分发随机性检测系统，以解决目前无法进行量子保密通信系统性能指标测试以及同时检测多种标准的技术问题。

根据本发明实施方式，提供一种密钥分析处理方法，包括：从量子密钥分发系统获取密钥；对获取的密钥进行随机性检测，包括：接收用户输入，从而根据至少一种算法，确定随机性检测模式；接收用户输入，从而确定待检测的密钥；执行随机性检测方案。

根据本发明另一实施方式，提供一种密钥分析处理装置，包括：密钥获取模块，用于从量子密钥分发系统获取密钥；随机性检测模块，用于对获取的密钥进行随机性检测，包括：检测项目选择单元，用于接收用户输入，从而确定随机性检测模式，以及确定待检测的密钥；检测算法单元，用于实现至少一种检测算法；执行单元，用于执行随机性检测方案。

根据本发明又一实施方式，提供一种密钥分发随机性检测系统，包括：上述的密钥分析处理装置；数据采集装置，用于从量子密钥分发系统获取密钥并分类存储。

根据本发明又一实施方式，提供一种密钥分发随机性检测系统，包括：数据采集装置，包括中央处理单元和存储单元，数据采集装置用于从量子密钥分发系统获取密钥并分类存储；密钥分析处理装置，用于执行上述的密钥分析处理方法。

从上面所述可以看出，根据本发明技术方案，可以对量子密钥随机性进行多种标准的测试，提高了测试灵活性和适用性。

另外，根据本发明技术方案，可以在同一台设备上完成数据的采集与随机性检测，大大提高了处理的灵活性和便携性。

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使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明实施方式的密钥分析处理方法的示意性流程图。

图2示出了根据本发明实施方式的密钥获取步骤的详细步骤图。

图3示出了根据本发明实施方式的随机性检测步骤的详细步骤图。

图4示出了根据本发明实施方式的密钥分析处理装置的示意性框图。

图5示出了根据本发明实施方式的随机性检测模块的示意性框图。

图6示出了根据本发明实施方式的密钥分发随机性检测系统的示意性框图。

图7示出了根据本发明实施方式的密钥分发随机性检测系统内的数据采集装置的主控子系统的示意性框图。

图8示出了根据本发明实施方式的密钥分发随机性检测系统内的数据采集装置的FPGA模块的示意性框图。

图9示出了根据本发明实施方式的系统用例图的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，除非另外定义，本发明实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

根据本发明实施方式，提供一种密钥分析处理方法。图1示出了该密钥分析处理方法的示意性流程图。如图1所示，该方法包括步骤：

S110，从量子密钥分发(QKD)系统获取密钥。

在此可获取被测主流厂商QKD系统形成的最终安全密钥和对基前的原始密钥，获取后可以对最终安全密钥进行统计分析。根据一具体实施方式，该获取密钥的过程可以采用以下过程，如图2所示：

S1110，接收用户输入，得到需要获取的密钥的长度。

在此，用户可以根据自己的需求，指定需要获取的安全密钥的长度。

S1120，向量子密钥分发系统发送密钥获取请求命令。在此，可以将所要获取的安全密钥的长度作为参数，来向所述量子密钥分发系统发送密钥获取请求命令。

S1130，接收从所述量子密钥分发系统发送来的密钥，并存储。

当被测量子密钥分发系统接收到获取密钥请求的命令的时候，就可以开始向请求方不断推送安全密钥。请求方可以通过报文交互的方式，不断地接收从被测QKD平台推送过来的安全密钥。请求方可以将每次从被测QKD平台推送获得的安全密钥存储在系统中，比如在以下实施方式描述的测试系统中，是存储在数据采集装置中的。

S1140，对获取的密钥数量进行统计。

S1150，判断密钥数量是否达到了步骤S的1110中设定的长度，如果达到了该长度，结束密钥的获取，如果没有达到，回到步骤S1130“接收从所述量子密钥分发系统发送来的密钥，并存储”。

可以将每次获取的安全密钥的数量实时反馈给用户，比如通过用户界面反馈给用户。在每次获取安全密钥后，对数量进行统计，如果达到了一开始用户设置的安全密钥获取的长度，就自动结束安全密钥的获取，如果还没有达到用户设置的安全密钥获取的长度，就返回步骤S1130，继续获取安全密钥。

下面接着描述图1接下来的步骤。在步骤S110获取密钥之后，接下来来到步骤S120，对获取的密钥进行随机性检测。图3示出了该随机性检测步骤的详细步骤图，如图2所示，该随机性检测步骤具体包括：

S1210，接收用户输入，从而根据至少一种算法，确定随机性检测模式。

用户在获取完密钥之后，可以进行随机性检测。具体地，比如，用户在图形用户界面(GUI)上指定设备列表区中的某一条QKD链路，点击“测试菜单”下的“密钥随机性测试”子菜单开始进行密钥随机性测试。图形用户界面主要包括三个部分：菜单栏、工具栏、设备列表区。在密钥获取过程中，设备列表区可以显示密钥获取的安全密钥总量、当前安全密钥量、安全密钥生成率等信息。根据用户配置，可以将获取的最终安全密钥和对基前的原始密钥以磁盘文件的形式留存在测试平台本地，下载的密钥文件存放到“全局配置”设定的文件保存路径下。

随机性检测分为三种测试方式。一种是国家密码管理局发布的“标准检测”，该检测可以进行标准的十五种检测项目的随机性检测。检测内容如表1所示。第二种是美国国家标准与技术研究院(NIST)发布的随机性检测。该检测可以进行标准的十六种检测项目。检测内容如表2所示。

表1国家密码管理局发布的标准

表2 NIST随机性检测标准

第三种方式，是用户可以指定任意一种标准的单个或者多个检测项目的随机性检测。

在步骤S1210确定的随机性检测模式可以分为两种，一种是默认的随机性检测方案，另一种是自定义的随机性检测方案。其中，在默认的随机性测试方案中会按照默认参数，将所有随机性检测算法都执行一次，在自定义的随机性测试方案中，用户可以按照需求选择自己需要的几个随机性检测方案与自己需要的参数进行随机性检测。

S1220，接收用户输入，从而确定待检测的密钥。

在此，用户可以根据需求，选择被检测的密钥文件，导入至进行随机性检测的模块。

在执行检测方案前，还可以接收用户输入，该输入用于配置相关的参数。相关的参数举例如下：在用户使用自定义随机性测试方案时，可以配置所选的检测项目，比如可以只检测某一种或几种指标，比如选择频数检测。

S1230，执行随机性检测方案。

在执行完步骤S1230后，还可以将随机性检测方案的执行报告结果导出并显示给用户查阅。检测结果可以采取表格和柱状图显示。

根据本发明以上实施方式，实现了多种随机性检测方式共存且可自由选择来执行，使得随机性测试更加灵活。

根据本发明实施方式，还提供一种密钥分析处理装置。图4示出了该密钥分析处理装置的示意性框图。如图4所示，该密钥分析处理装置包括：

密钥获取模块410，用于从量子密钥分发系统获取密钥。该密钥获取模块410可以包括：密钥长度确定单元，用于接收用户输入，得到需要获取的密钥的长度；发送单元，用于向所述量子密钥分发系统发送密钥获取请求命令；密钥接收单元，用于接收从所述量子密钥分发系统发送来的密钥，并存储；统计单元，用于对获取的密钥数量进行统计；判断单元，如果密钥数量达到了所述长度，结束密钥的获取，如果没有达到，所述密钥接收单元继续接收密钥。

随机性检测模块420，用于对获取的密钥进行随机性检测。如图5所示，该模块包括：检测项目选择单元4210，用于接收用户输入，从而确定随机性检测模式，以及确定待检测的密钥，其中该随机性检测模式包括默认的随机性检测方案、自定义的随机性检测方案；检测算法单元4220，用于实现至少一种检测算法，至少一种检测算法可以包括：国家密码管理局发布的“标准检测”，和美国NIST发布的随机性检测；执行单元4230，用于执行随机性检测方案。该随机性检测模块420还可以包括检测结果输出单元4240，用于生成检测报告。

进一步地，如图4所示，上述密钥分析处理装置还可以包括：显示模块430，用于将随机性检测方案的的执行报告导出并显示给用户。该显示模块430可以采用图形操作界面(GUI)，界面与内部实现相分离，主要实现用户操作与测试结果的直观展示，来实现数据抽取操作、统计报表保存、打印功能。

该装置实施方式可用于执行以上参考方法实施方式所述的方法，未详述部分请参见以上方法实施方式，在此不再赘述。

根据本发明实施方式，还提供一种密钥分发随机性检测系统，如图6所示。该密钥分发随机性检测系统包括上述密钥分析处理装置610和数据采集装置620。密钥分析处理装置610用于执行上述密钥随机性检测，且可选地向测试人员展示最终的检测计算结果。数据采集装置620主要由硬件来实现，其执行从量子密钥分发系统(QKD)获取密钥并分类存储的功能，图6示意性示出了数据采集装置620与QKD系统交互的数据流。数据采集主要由数据采集装置完成。下面参考图7和图8描述数据采集装置的硬件配置。

量子密钥分发随机性检测装置的硬件部分可以分为主控子系统和FPGA版块两个设计模块。具体设计如下：

主控子系统设计

如图7所示，主控子系统板硬件由CPU 710，存储(内存和硬盘存储)720、USB接口(触摸板、键盘和量子密钥分发随机性检测系统)730、显示接口(内置显示接口，外置显示接口)740组成。

FPGA模块设计

FPGA模块设计图如图8所示，同步光探测信号由测试仪雪崩光电二极管(APD)电路引入；量子光探测信号由量子密钥分发终端的接收端提供信号；时钟由专门的时钟电路提供；延时器电路设置信号为输出信号，用来设置同步延迟，其中输出信号分为两路，分别是数据信号和时钟信号CLK。其中的输出FiFo和输入FiFo分别是输出/输入先入先出(FirstInput First Output，FiFo)缓存器，是系统的缓冲环节。测试仪控制板与主控子系统的之间的通信连接方式是USB总线连接。

根据本发明实施方式，提出了一种用于量子密钥分发的随机性检测系统，可以根据需求提出多种随机性检测的方案，该方案既可以在同一台设备上完成数据的采集与随机性检测，又可以根据需求自定义各种随机性检测指标。解决了量子密钥随机性检测方案繁琐不灵活的问题。用户通过图形用户界面(GUI)与系统交互的用例图如图9所示。其中，用户可通过登录与退出与系统建立交互或停止交互，可在图形用户界面上选择进行测试并寻求系统帮助。

根据本发明实施方式，还提供一种密钥分发随机性检测系统，其包括以上数据采集装置，还包括密钥分析处理装置，该密钥分析处理装置用于执行以上参考方式实施方式所述的密钥分析处理方法。该密钥分析处理装置结合硬件部分数据采集装置一起实现数据采集、检测的功能。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本发明难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本发明难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本发明的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本发明的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本发明。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。

本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种密钥分析处理方法，其特征在于，包括：

S110：从量子密钥分发系统获取密钥, 具体包括：

S1110：接收用户设置的需要获取的密钥的长度；

S1120：将所述需要获取的密钥的长度作为参数，向所述量子密钥分发系统发送密钥获取请求命令；

S1130：通过报文交互的方式，不断地接收从所述量子密钥分发系统推送过来的密钥，并存储推送获得的密钥；

S1140：对推送获得的密钥的数量进行统计；

S1150：判断所述密钥的数量是否达到用户设置的密钥的长度，若达到，则结束密钥的获取；若未达到，则返回步骤S1130，继续获取密钥；

S120：对获取的密钥进行随机性检测，具体包括：

S1210：接收用户的输入，该输入用于配置需检测的检测项目，从而确定随机性检测模式；所述随机性检测模式包括默认的随机性检测方案、自定义的随机性检测方案；其中，默认的随机性检测方案是按照默认参数，将所有随机性检测算法都执行一次；自定义的随机性检测方案是根据用户需求选择需要检测的项目进行随机性检测；所述随机性检测算法包括国家密码管理局发布的“标准检测”和美国NIST发布的随机性检测；

S1220：对所获取的密钥执行随机性检测方案。

2.根据权利要求1所述的密钥分析处理方法，还包括步骤：

将随机性检测方案的执行报告导出并显示给用户。

3.一种密钥分析处理装置，其特征在于，包括：

密钥获取模块，用于从量子密钥分发系统获取密钥；

随机性检测模块，用于对获取的密钥进行随机性检测；

其中，所述密钥获取模块具体包括：

密钥长度确定单元，用于接收用户设置的需要获取的密钥的长度；

发送单元，用于将所述需要获取的密钥的长度作为参数，向所述量子密钥分发系统发送密钥获取请求命令；

密钥接收单元，用于通过报文交互的方式，不断地接收从所述量子密钥分发系统推送过来的密钥，并存储推送获得的密钥；

统计单元，用于对推送获得的密钥的数量进行统计；

判断单元，用于判断所述密钥的数量是否达到用户设置的密钥的长度，若达到，则结束密钥的获取；若未达到，则继续获取密钥；

所述随机性检测模块具体包括：

检测项目选择单元，用于接收用户的输入，该输入用于配置需检测的检测项目，从而确定随机性检测模式；所述随机性检测模式包括默认的随机性检测方案、自定义的随机性检测方案；其中，默认的随机性检测方案是按照默认参数，将所有随机性检测算法都执行一次；自定义的随机性检测方案是根据用户需求选择需要检测的项目进行随机性检测；

检测算法单元，用于实现随机性检测算法，所述随机性检测算法包括国家密码管理局发布的“标准检测”和美国NIST发布的随机性检测；

执行单元，用于对所获取的密钥执行随机性检测方案。

4.根据权利要求3所述的密钥分析处理装置，还包括：

显示模块，用于将随机性检测方案的执行报告导出并显示给用户。

5.一种密钥分发随机性检测系统，其特征在于，包括：

权利要求3-4中任一项所述的密钥分析处理装置；

数据采集装置，用于从量子密钥分发系统获取密钥并分类存储。

6.一种密钥分发随机性检测系统，其特征在于，包括：

数据采集装置，包括中央处理单元和存储单元，所述数据采集装置用于从量子密钥分发系统获取密钥并分类存储；

密钥分析处理装置，用于执行根据权利要求1-2中任一项所述的密钥分析处理方法。

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