CN111245618A - 基于量子密钥的物联网保密通信系统及方法 - Google Patents

基于量子密钥的物联网保密通信系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于量子密钥的物联网保密通信系统及方法，包括第一量子密钥分配终端，用于发送量子光信号和同步光信号；量子光信号包括至少两种波长不同的量子光、且波长不同的量子光携带的量子态各自独立；至少两个第二量子密钥分配终端，用于接收同步光和单波长量子光；波分复用器组，用于接收第一量子密钥分配终端发送的量子光信号和同步光信号，将量子光信号分成至少两种波长不同的单波长量子光，将同步光信号分成至少两路功率相同的同步光，以及将单波长量子光与一路同步光合波后传输至第二量子密钥分配终端。本发明的物联网保密通信系统及方法，在确保安全通信的同时节省空间和成本。

Description

基于量子密钥的物联网保密通信系统及方法
技术领域
本发明涉及量子通信技术领域，具体涉及一种基于量子密钥的物联网保密通信系统及方法。
背景技术
物联网络将各种设备、设施通过信息传感设备接入互联网，实现对设备和过程的智能化感知、识别和管理。物联网可以将用户端的大量信息传输到云平台，利用云平台强大的计算能力对其进行处理，再将处理结果反馈用户端，减少用户端的处理负担。然而，物联网把设备接入互联网，这意味着传统安全威胁可以迅速渗透到物联网中，黑客有可能窥探正在传输的数据，甚至可能控制用户端设备，给生命、财产带来重大损失，必须确保物联网信息传输的安全性。
量子保密通信是结合量子密钥分配技术和密码技术的安全通信解决方案，量子密钥分配技术可以在空间分离的用户之间共享安全的量子密钥，其安全性由量子力学的基本原理保障，具有信息论安全性。量子网关使用量子密钥对通信内容进行加密传输，即使窃听者具有强大的计算能力，信息安全性也不受影响。
鉴于物联网云平台会接入大量的用户，要保证每一个用户的信息安全传输，就需要在云平台和每个用户之间都建立量子保密通信网络。由于光开关型的组网方式必然无法满足大量用户接入云平台的量子密钥使用需求，就需要在云平台侧为每个用户都部署一台对应的量子密钥分配终端，占用大量的空间和成本。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于量子密钥的物联网保密通信系统及方法，在确保安全通信的同时节省空间和成本。
第一方面，为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于量子密钥的物联网保密通信系统，包括，
第一量子密钥分配终端，用于发送量子光信号和同步光信号；所述量子光信号包括至少两种波长不同的量子光、且波长不同的量子光携带的量子态各自独立；所述同步光信号与量子光信号波长都不相同；
至少两个第二量子密钥分配终端，用于接收同步光信号和单波长量子光信号；
波分复用器组，用于接收所述第一量子密钥分配终端发送的量子光信号和同步光信号，将所述量子光信号分成至少两种波长不同的单波长量子光，将所述同步光信号分成至少两路功率相同的同步光；以及将所述单波长量子光与一路同步光合波后传输至所述第二量子密钥分配终端；
所述第一量子密钥分配终端和第二量子密钥分配终端通过所述单波长量子光协商生成两者共享的量子密钥，所述量子密钥用于物联网保密通信业务的加/解密。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述第一量子密钥分配终端包括第一光子芯片，所述第一光子芯片包括同步光激光器和至少两个发送端功能模块，所述两个发送端功能模块分别产生并发送两种波长不同的量子光、且所述两种波长不同的量子光携带的量子态各自独立；所述同步光激光器产生同步光，且同步光波长与量子光波长不同。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述第二量子密钥分配终端包括第二光子芯片，所述第二光子芯片包括一个接收端功能模块，所述接收端功能模块用于接收同步光和单波长量子光。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述第一量子密钥分配终端连接第一量子网关，为所述第一量子网关提供与第二量子密钥分配终端共享的量子密钥；所述第一量子网关连接公共网络和物联网云平台，其使用第一量子密钥分配终端提供的所述量子密钥解密通过公共网络传输的用户数据，以及使用所述量子密钥加密物联网云平台数据后通过公共网络向用户侧传输。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括其还包括至少两个第二量子网关，所述两个第二量子密钥分配终端分别与所述两组第二量子网关连接，分别为所述两组第二量子网关提供与第一量子密钥分配终端共享的量子密钥；所述第二量子网关连接公共网络和用户侧内网，其使用第二量子密钥分配终端提供的所述量子密钥解密通过公共网络传输的物联网云平台数据，以及使用所述量子密钥加密用户侧内网数据后通过公共网络向物联网云平台侧传输。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括还包括第一量子密钥服务端，所述第一量子密钥服务端用于存储和管理所述第一量子密钥分配终端的量子密钥。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括还包括至少两个第二量子密钥服务端，所述两个第二量子密钥服务端分别用于存储和管理所述两个第二量子密钥分配终端的量子密钥。
第二方面，为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于量子密钥的物联网保密通信方法，物联网保密通信所使用的量子密钥由第一量子密钥分配终端和第二量子密钥分配终端协商生成并共享；其中，所述第一量子密钥分配终端能够独立的与至少两个第二量子密钥分配终端分别协商生成共享的量子密钥。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述第一量子密钥分配终端与至少两个第二量子密钥分配终端分别协商生成共享的量子密钥的过程为：
(1)所述第一量子密钥分配终端发送量子光信号和同步光信号；所述量子光信号包括至少两种波长不同的量子光、且波长不同的量子光携带的量子态各自独立；所述同步光与量子光波长都不相同；
(2)波分复用器组接收所述第一量子密钥分配终端发送的量子光和同步光，将所述量子光分成至少两种波长不同的单波长量子光，将所述同步光信号分成至少两路功率相同的同步光，以及将所述单波长量子光与一路同步光合波后传输至所述第二量子密钥分配终端；
(3)所述两个第二量子密钥分配终端接收同步光和单波长量子光；
所述第一量子密钥分配终端和第二量子密钥分配终端通过所述单波长量子光协商生成两者共享的量子密钥。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述保密通信方法包括以下步骤：
(S1)第一量子网关使用由第一量子密钥分配终端提供的与第二量子密钥分配终端共享的量子密钥加密物联网云平台数据后通过公共网络向用户侧传输；
(S2)第二量子网关使用由第二量子密钥分配终端提供的所述量子密钥解密通过公共网络传输的物联网云平台数据；
或者，(S1)第二量子网关使用由第二量子密钥分配终端提供的与第一量子密钥分配终端共享的量子密钥加密用户侧内网数据后通过公共网络向云平台传输；
(S2)第一量子网关使用由第一量子密钥分配终端提供的所述量子密钥解密通过公共网络传输的用户侧内网数据。
本发明的有益效果：
本发明基于量子密钥的物联网保密通信系统及方法，第一量子密钥分配终端能够独立的与至少两个第二量子密钥分配终端分别协商生成共享的量子密钥，能够满足大量用户接入物联网云平台的量子密钥使用需求，确保用户端与物联网云平台安全通信的同时节省空间和成本。
附图说明
图1是本发明的优选实施例中物联网保密通信系统的结构框图；
图2是图1中波分复用器组的结构框图；
图3是本发明优选实施例中物联网保密通信方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例
第一方面，本实施例公开一种基于量子密钥的物联网保密通信系统，参照图1所示，该系统包括第一量子密钥分配终端、波分复用器组和至少两个第二量子密钥分配终端。其中，第一量子密钥分配终端部署在物联网云平台侧(以下简称“云平台”)，大量用户(用户1、用户2、......用户M)接入云平台时，每个用户均部署一个第二量子密钥分配终端，用户与云平台保密通信所使用的的量子密钥由第一量子密钥分配终端和第二量子密钥终端协商生成并共享。本实施例技术方案中，上述第一量子密钥分配终端可以独立的与至少两个第二量子密钥分配终端分别协商生成共享的量子密钥，能够满足大量用户接入物联网云平台的量子密钥使用需求。
具体的，上述第一量子密钥分配终端包括第一光子芯片，上述第一光子芯片包括同步光激光器和至少两个发送端功能模块；其中，上述两个发送端功能模块集成在同一个光子芯片上，每个发送端功能模块均由不同的真随机数发生器或量子随机数发生器进行量子态编码，上述两个发送端功能模块在光子芯片内部各自产生波长不同的单波长量子光、且波长不同的量子光携带的量子态各自独立。上述同步光激光器产生同步光，且同步光波长与量子光波长都不相同。上述同步光和至少两种波长不同的量子光从配置于第一量子密钥分配终端的光输出端输出，并通过一根光纤传输至波分复用器组。
参照图2所示为波分复用器组结构示意图，该波分复用器组包含第一波分复用器、分束器和至少两个第二波分复用器。其中，第一波分复用器将同步光和不同波长的量子1、量子光2、......量子光M分开；分束器将同步光分为M路功率相同的同步光；每一种波长的量子光都通过一个第二波分复用器与一路同步光进行合波后通过光纤传输至上述第二量子密钥分配终端。
上述第二量子密钥分配终端包括第二光子芯片，上述第二光子芯片包括一个接收端功能模块，第二量子密钥分配终端通过接收端功能模块接收同步光和单波长量子光。其中，部署在不同用户端的第二量子密钥分配终端的接收端功能模块接收的量子光波长均不相同，且与第一量子密钥分配终端发送的多种波长不同的量子光中的其中一种的波长相同。
上述第一量子密钥分配终端和第二量子密钥分配终端通过上述单波长量子光协商生成两者共享的量子密钥，使得第一量子密钥分配终端可以独立的与至少两个第二量子密钥分配终端分别协商生成共享的量子密钥，能够满足大量用户接入物联网云平台的量子密钥使用需求。
参照图1所示，上述物联网保密通信系统还包括一个第一量子网关和至少两个第二量子网关：
上述第一量子密钥分配终端连接第一量子网关，为上述第一量子网关提供与第二量子密钥分配终端共享的量子密钥；上述第一量子网关连接公共网络和物联网云平台，其使用第一量子密钥分配终端提供的上述量子密钥解密通过公共网络传输的用户数据，以及使用上述量子密钥加密物联网云平台数据后通过公共网络向用户侧传输。
上述两个第二量子密钥分配终端分别与上述两组第二量子网关连接，分别为上述两组第二量子网关提供与第一量子密钥分配终端共享的量子密钥；上述第二量子网关连接公共网络和用户侧内网，其使用第二量子密钥分配终端提供的上述量子密钥解密通过公共网络传输的物联网云平台数据，以及使用上述量子密钥加密用户侧内网数据后通过公共网络向物联网云平台侧传输。
上述物联网保密通信系统还包括第一量子密钥服务端和至少两个第二量子密钥服务端。上述第一量子密钥服务端用于存储和管理上述第一量子密钥分配终端的量子密钥；上述两个第二量子密钥服务端分别用于存储和管理上述两个第二量子密钥分配终端的量子密钥。
第二方面，本实施例还公开一种基于量子密钥的物联网保密通信方法，物联网保密通信所使用的量子密钥由第一量子密钥分配终端和第二量子密钥分配终端协商生成并共享；其中，上述第一量子密钥分配终端能够独立的与至少两个第二量子密钥分配终端分别协商生成共享的量子密钥。
具体的，上述第一量子密钥分配终端与至少两个第二量子密钥分配终端分别协商生成共享的量子密钥的过程为：
(1)上述第一量子密钥分配终端发送量子光信号和同步光信号；上述量子光信号包括至少两种波长不同的量子光、且波长不同的量子光携带的量子态各自独立；上述同步光波长与量子光波长都不相同；
(2)波分复用器组接收上述第一量子密钥分配终端发送的量子光和同步光，将上述量子光信号分成至少两种波长不同的单波长量子光，将所述同步光信号分成至少两路功率相同的同步光，以及将上述单波长量子光与一路同步光合波后传输至上述第二量子密钥分配终端；
(3)上述两个第二量子密钥分配终端分别接收由光纤传输的与同步光合波后的两种波长不同的单波长量子光；
上述第一量子密钥分配终端和第二量子密钥分配终端通过上述单波长量子光协商生成两者共享的量子密钥。
第一量子密钥分配终端产生并发送多种波长不同的量子光、以及多种波长不同的量子光分别传输至不同第二量子密钥分配终端的方式和途径见以上第一方面实施例的描述，此处不再赘述。
以及，参照图3所示，物联网保密通信方法具体包括以下步骤：
(1)用户侧内网有数据需要传送到物联网云平台时：
第一量子密钥分配终端与至少两个第二量子密钥分配终端分别协商生成共享的量子密钥并保存，与不同第二量子密钥分配终端共享的量子密钥用编号区分。
第二量子网关使用由第二量子密钥分配终端提供的与第一量子密钥分配终端共享的量子密钥加密用户侧内网数据，加密后的数据与所用的量子密钥编号信息通过公共网络向云平台侧传输。
第一量子网关调用对应编号的量子密钥解密通过公共网络传输的用户侧内网数据，并传输到物联网云平台，物联网云平台处理及反馈用户侧传来的数据。
(2)物联网云平台处理好数据后将反馈指令传输至用户时：
第一量子网关使用由第一量子密钥分配终端提供的与目标第二量子密钥分配终端共享的量子密钥加密物联网云平台的反馈指令数据，加密后的数据与所用的量子密钥编号信息通过公共网络向用户侧传输。
目标第二量子密钥分配终端的第二量子网关使用共享的量子密钥解密通过公共网络传输的平台侧数据，并传输到用户内网。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种基于量子密钥的物联网保密通信系统，其特征在于：包括，
第一量子密钥分配终端，用于发送量子光信号和同步光信号；所述量子光信号包括至少两种波长不同的量子光、且波长不同的量子光携带的量子态各自独立；所述同步光信号与量子光信号波长都不相同；
至少两个第二量子密钥分配终端，用于接收同步光信号和单波长量子光信号；
波分复用器组，用于接收所述第一量子密钥分配终端发送的量子光信号和同步光信号，将所述量子光信号分成至少两种波长不同的单波长量子光，将所述同步光信号分成至少两路功率相同的同步光；以及将所述单波长量子光与一路同步光合波后传输至所述第二量子密钥分配终端；
所述第一量子密钥分配终端和第二量子密钥分配终端通过所述单波长量子光协商生成两者共享的量子密钥，所述量子密钥用于物联网保密通信业务的加/解密。
2.如权利要求1所述的基于量子密钥的物联网保密通信系统，其特征在于：所述第一量子密钥分配终端包括第一光子芯片，所述第一光子芯片包括同步光激光器和至少两个发送端功能模块，所述两个发送端功能模块分别产生并发送两种波长不同的量子光、且所述两种波长不同的量子光携带的量子态各自独立；所述同步光激光器产生同步光，且同步光波长与量子光波长不同。
3.如权利要求2所述的基于量子密钥的物联网保密通信系统，其特征在于：所述第二量子密钥分配终端包括第二光子芯片，所述第二光子芯片包括一个接收端功能模块，所述接收端功能模块用于接收同步光和单波长量子光。
4.如权利要求1或2或3所述的基于量子密钥的物联网保密通信系统，其特征在于：所述第一量子密钥分配终端连接第一量子网关，为所述第一量子网关提供与第二量子密钥分配终端共享的量子密钥；所述第一量子网关连接公共网络和物联网云平台，其使用第一量子密钥分配终端提供的所述量子密钥解密通过公共网络传输的用户数据，以及使用所述量子密钥加密物联网云平台数据后通过公共网络向用户侧传输。
5.如权利要求1或2或3所述的基于量子密钥的物联网保密通信系统，其特征在于：其还包括至少两个第二量子网关，所述两个第二量子密钥分配终端分别与所述两组第二量子网关连接，分别为所述两组第二量子网关提供与第一量子密钥分配终端共享的量子密钥；所述第二量子网关连接公共网络和用户侧内网，其使用第二量子密钥分配终端提供的所述量子密钥解密通过公共网络传输的物联网云平台数据，以及使用所述量子密钥加密用户侧内网数据后通过公共网络向物联网云平台侧传输。
6.如权利要求1所述的基于量子密钥的物联网保密通信系统，其特征在于：还包括第一量子密钥服务端，所述第一量子密钥服务端用于存储和管理所述第一量子密钥分配终端的量子密钥。
7.如权利要求1所述的基于量子密钥的物联网保密通信系统，其特征在于：还包括至少两个第二量子密钥服务端，所述两个第二量子密钥服务端分别用于存储和管理所述两个第二量子密钥分配终端的量子密钥。
8.一种基于量子密钥的物联网保密通信方法，其特征在于：物联网保密通信所使用的量子密钥由第一量子密钥分配终端和第二量子密钥分配终端协商生成并共享；其中，所述第一量子密钥分配终端能够独立的与至少两个第二量子密钥分配终端分别协商生成共享的量子密钥。
9.如权利要求8所述的基于量子密钥的物联网保密通信方法，其特征在于：所述第一量子密钥分配终端与至少两个第二量子密钥分配终端分别协商生成共享的量子密钥的过程为：
(1)所述第一量子密钥分配终端发送量子光信号和同步光信号；所述量子光信号包括至少两种波长不同的量子光、且波长不同的量子光携带的量子态各自独立；所述同步光与量子光波长都不相同；
(2)波分复用器组接收所述第一量子密钥分配终端发送的量子光和同步光，将所述量子光分成至少两种波长不同的单波长量子光，将所述同步光信号分成至少两路功率相同的同步光，以及将所述单波长量子光与一路同步光合波后传输至所述第二量子密钥分配终端；
(3)所述两个第二量子密钥分配终端接收同步光和单波长量子光；
所述第一量子密钥分配终端和第二量子密钥分配终端通过所述单波长量子光协商生成两者共享的量子密钥。
10.如权利要求8所述的基于量子密钥的物联网保密通信方法，其特征在于：所述保密通信方法包括以下步骤：
(S1)第一量子网关使用由第一量子密钥分配终端提供的与第二量子密钥分配终端共享的量子密钥加密物联网云平台数据后通过公共网络向用户侧传输；
(S2)第二量子网关使用由第二量子密钥分配终端提供的所述量子密钥解密通过公共网络传输的物联网云平台数据；
或者，(S1)第二量子网关使用由第二量子密钥分配终端提供的与第一量子密钥分配终端共享的量子密钥加密用户侧内网数据后通过公共网络向云平台传输；
(S2)第一量子网关使用由第一量子密钥分配终端提供的所述量子密钥解密通过公共网络传输的用户侧内网数据。
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