CN111277404B

CN111277404B - 一种用于实现量子通信服务区块链的方法

Info

Publication number: CN111277404B
Application number: CN201811478116.0A
Authority: CN
Inventors: 不公告发明人
Original assignee: Hangzhou Xige Technology Co ltd
Current assignee: Hangzhou Xige Technology Co ltd
Priority date: 2018-12-05
Filing date: 2018-12-05
Publication date: 2022-12-09
Anticipated expiration: 2038-12-05
Also published as: CN111277404A

Abstract

为了解决量子通信网络规模应用技术难题，本发明公开了一种用于实现量子通信服务区块链的方法，其特征在于，选择加入区块链的量子中继节点、记账节点和服务节点，多个量子中继节点把其中继状态发送给记账节点，服务节点保存其与每一个相邻量子中继节点之间的共享量子密钥及其密钥标识，记账节点记录多个量子中继节点的中继状态并形成中继状态区块，中继状态区块按时间顺序连接成为中继状态区块链，服务节点基于中继状态区块提供密钥服务。采用本发明方法进行量子通信服务不需要实时协调QKD链路，无性能瓶颈；可降低对节点可信性的要求，降低量子节点的安全管理风险，安全性和效率都更高，用户体验更好，具有更好的应用推广前景。

Description

一种用于实现量子通信服务区块链的方法

技术领域

本发明涉及量子通信网络和区块链技术领域，尤其涉及一种用于实现量子通信服务区块链的方法。

背景技术

由于量子信号不能克隆和放大，因此，远距离量子通信（目前，主要是量子密钥分发(QKD)）需要进行落地转发。通常在量子密钥分发网络中采用量子密钥可信中继技术。在已公开的量子密钥可信中继方案中，被中继的密钥在中继节点落地，安全性基于所有参与中继的量子节点的可信性，因此这种中继节点被叫做可信中继节点。在一条量子密钥中继链路上，链路两端的节点分别称为源节点和宿节点，链路中间的节点称为中继节点。可信中继是一种通用的技术，也是目前组建QKD网络的首选方案。但是，目前公开的可信中继方案都存在量子链路并发冲突的性能瓶颈、延迟较大、量子密钥中继的带宽较低和节点的可信性管理难题等局限性。实际上，量子通信与区块链结合可为解决上述问题提供高效的解决方案，但是，公开的相关技术方案依然依赖量子可信中继节点的可信性，没有完全解决节点的可信性管理问题。基于量子通信网络构建量子通信服务区块链可大幅度提升量子中继效率和量子安全服务接入规模，具有良好的应用前景和市场空间。

发明内容

针对背景技术中量子密钥可信中继技术的缺陷，本发明公开了一种用于实现量子通信服务区块链的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1) 选择通过量子通信链路连通的多个量子中继节点，选择至少一个节点作为记账节点，选择至少一个节点作为服务节点，(2)在创建中继状态区块的时间窗口内，多个量子中继节点把其中继状态发送给记账节点，服务节点保存其与每一个相邻量子中继节点之间的共享量子密钥及其密钥标识，记账节点记录多个量子中继节点的中继状态并形成中继状态区块。

进一步的，上述选择量子中继节点的方法包括但不限于：根据接入条件选择或部署在量子通信网络中主要发挥量子中继功能的量子中继节点，并对所述量子中继节点系统进行状态初始化。

进一步的，上述选择记账节点的方法包括但不限于：由节点投票产生和由网络管控中心指定产生，并对被选定的记账节点系统进行状态初始化，多个记账节点根据共识机制进行竞争记账或轮流记账。

进一步的，上述中继状态的内容包括但不限于：量子中继节点与任意两个相邻量子节点之间的共享量子密钥的异或值、中继状态标识和中继状态标识的数字签名，其中所述中继状态标识的内容包括但不限于区块编号、异或值的Hash值、量子中继节点ID、量子中继节点的上一个节点ID及下一个节点的ID。

进一步的，上述量子中继节点把其中继状态发送给记账节点的方法包括但不限于：明文发送和加密发送。

进一步的，上述中继状态区块包括但不限于：所有服务节点都可以访问的中继状态区块、只有被授权的服务节点才可以访问的中继状态区块和只在两个服务节点之间共享的中继状态区块。

进一步的，上述密钥标识的内容包括但不限于：相邻节点的ID和区块编号。

进一步的，上述服务节点基于中继状态区块提供量子密钥分发服务，其包括但不限于：为任意两个或多个量子通信节点提供密钥服务和为任意两个或多个应用终端提供密钥服务。

进一步的，上述接入条件包括但不限于：量子中继节点系统具有用户不可见的用于数字签名的私钥、具有实时监控装置、具有防拆解保护措施、能够通过系统安全性测评。

进一步的，上述状态初始化包括但不限于：分配ID、预置密钥对和设置VPN参数，其中，VPN参数包括量子中继节点与记账节点之间的VPN参数、记账节点与服务节点之间的VPN参数。

与常规的选择最优中继链路并进行可信中继的方法及其它量子区块链相比，本发明具有如下创新性：1.本发明采用用户不可见的用于数字签名的私钥、实时监控装置和防拆解保护措施等实现机器信任，降低量子中继节点的安全管理风险，实现安全高效发应用。2.基于中继状态区块链提供量子通信服务不需要实时协调QKD链路资源，不会产生链路并发冲突，通信延迟可忽略，无性能瓶颈，安全性比传统可信中继系统高；并可以大幅度降低QKD网络的维护成本；3.采用在量子中继节点与记账节点之间部署VPN，降低对节点可信性的要求，防范多个节点之间的合谋攻击，安全性和效率都更高，用户体验更好，具有更好的应用推广前景。

附图说明

图1为本发明的选择骨干节点作为量子节点的实施例；

图2为本发明的量子节点包含卫星中继节点的实施例。

具体实施方式

为使本发明的技术方案及优点更加清楚，作为本发明的一部分，以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步详细的说明。

为了突显本发明方法的关键技术特征，本发明方法不对区块链的区块头和区块体的数据格式进行限定，根据不同的应用需求可以设计相应的与本发明方法相匹配的数据格式。本发明方法也不对区块链的共识机制和激励机制进行限定。

本发明中所涉及的通信信道包括量子信道和传统网络通信信道，量子节点同时配备有量子信道和传统网络通信信道，其中，除了相邻量子节点之间的量子密钥分发链路需要占用量子信道以外，其它通信过程都采用传统网络通信信道，包括有线和无线信道（包含卫星信道）。

本发明中所涉及的量子节点（包括但不限于量子中继节点、量子记账节点和量子服务节点）都配置有量子密钥分发系统的发射器或/和接收器（包括但不限于自由空间QKD和光纤QKD系统的发射器或/和接收器）。量子中继节点具有多个相邻量子节点，相邻量子节点之间存在点到点的量子密钥分发链路并能够进行量子密钥共享。记账节点包括量子记账节点和非量子记账节点。根据应用场景不同，可以优选服务节点或非量子记账节点作为记账节点，次选量子中继节点作为记账节点。服务节点包括量子服务节点和非量子服务节点，可以优选非量子服务节点作为服务节点。服务节点包括但不限于中心服务节点、区域中心服务节点和独立的服务节点。

本发明的量子通信服务区块链可以包含一个中心服务节点，可以包含一个中心服务节点和至少一个区域中心服务节点，也可以包含多个独立的服务节点。

本发明的量子通信服务区块链所采用的中继状态区块的类型包括但不限于全网互通账本（所有服务节点都可以访问的中继状态区块）、区域互通账本（只有区域内的服务节点可以访问的中继状态区块）、联盟节点互通账本（只有加入联盟节点的服务节点可以访问的中继状态区块）和P2P账本（只在两个服务节点之间共享的中继状态区块）。账本只记录量子中继节点的中继状态标识（或中继状态的Hash值）和签名，完整的中继状态数据采用分布式存储于区块链网络或云服务器。针对具体应用需求，需要设置一定的针对完整的中继状态数据的访问控制策略，以控制中继状态区块的知悉范围并防范网络攻击。为了消除多个量子中继节点合谋攻击并获取其它节点之间协商的共享密钥，可以在量子中继节点与记账节点之间采用VPN，即，量子中继节点通过VPN通道把该节点的中继状态发给记账节点，同时，记账节点与服务节点之间也部署VPN（需要说明的是，本发明中的设置VPN参数包含了采用明文通信和加密通信两种应用方式）。本发明中所涉及的VPN通道的加密与解密具有一致性，即选择某个密钥和加密算法加密某个数据得到一个密文，解密时必须选择相应的密钥和解密算法才能解密该密文；类似的，发送端如果没有选择VPN的加密参数，相应的接收端也需要不选择VPN的加密参数。

由于用于生成中继状态的共享量子密钥的数据长度取决于全网速率最低的点对点量子密钥分发链路的成码率，并且，不同的应用系统对共享密钥长度的需求差别很大，因此，本发明不具体限定状态区块的中继状态的数据长度。另外，加入量子通信服务区块链的量子节点可能同时响应区块链网络的链路请求和通常的量子通信网络请求，因此，针对这种情况，需要对相应的量子节点进行带宽分割并设置优先策略，确保能够兼容两种响应模式（例如，假设全网速率最低的点对点量子密钥分发链路的成码率为10K字节每秒，并假设每30秒产生一个状态区块，在考虑每个节点的其它应用占用一定的带宽，那么可以选择中继状态的量子密钥的数据长度为30K字节，即，利用量子通信链路带宽的10%，可以实现区块链网络中任意两个量子节点之间的实时协商30K字节的共享量子密钥。该假设的用例只用于说明带宽分割的可行性和具体应用方法，不用作对本发明方法的限定）。

在有管控中心的联盟区块链中，新接入的量子节点需要管控中心的审核和授权；在没有管控中心的区块链中，需要相邻节点的认证和记账节点的验证与授权，并更新节点状态。一个已接入的量子中继节点出现故障或退出区块链网络，管控中心或记账节点需要实时更新节点状态。其中，审核的方法包括但不限于：由管控中心统一审核和由全体节点投票审核。在有Token激励的区块链中，接入区块链网络的量子中继节点的私钥可以关联至少一个用户，即，该中继节点获得的Token归属于与其所关联的用户的数字钱包。

下面结合附图具体说明本发明的基本原理和方法。如图1所示，基于多个区域量子通信网络构建量子通信服务区块链（其中，每个区域量子节点的编号互不相同，具体编号方法本发明不做限定；另外，该实施例并不用于对区块链所包含的区域量子通信网络的数量和网络拓扑进行限定），即，首先，根据量子节点是否在量子骨干网中主要发挥量子中继节点的功能，优先选择C2、C1、A3、A2、A1、A4、A5、R1、R2、B1和B2作为区块链的量子中继节点，这些量子中继节点通过点到点的量子通信链路连接成一个量子中继骨干网；根据分布式记账要求和区域服务需求，选择C4、A9和B6同时作为记账节点和区域中心服务节点；然后，为上述量子中继节点系统配置用户不可见的用于数字签名的私钥、状态监控装置、防拆解保护措施，并确保节点系统通过系统安全性测评；其次，对上述量子节点进行状态初始化（即，为每一个节点分配ID、预置密钥对和设置VPN参数；完成初始化后，把接入授权证书信息发给记账节点）。选择A6、A7、A8、A9、C3、C4、C5、B3、B4、B5和B6作为区域量子密钥流量服务节点或应用终端节点。

下面以A3为例说明中继状态的处理方法：首先，A3分别与相邻量子节点A2、A4、A8和C1协商共享量子密钥，分别标记为K_A3_A2、K_A3_A4、K_A3_A8和K_A3_C1（其中，协商过程包括对双方共享的量子密钥的一致性验证）；然后，A3计算中继状态值R_A2_A3_A8=K_A3_A2⊕K_A3_A8（其中，⊕表示异或运算，下同），

R_A4_A3_A8=K_A3_A4⊕K_A3_A8，R_A2_A3_A4=K_A3_A2⊕K_A3_A4，

R_A8_A3_C1=K_A3_A8⊕K_A3_C1，R_A4_A3_C1=K_A3_A4⊕K_A3_C1；创建每一个异或值的标识（标识的内容包括区块编号、异或值的Hash值、中继节点ID、中继节点的上一个节点ID及下一个节点的ID）、对异或值的标识进行数字签名，最后形成A3的中继状态。所有量子中继节点的中继状态构成一个中继状态区块，区块按时间顺序连接成为中继状态区块链。需要说明的是，相邻节点之间的共享量子密钥的编号具有对称性，例如，K_A3_A2＝K_A2_A3；中继状态标识中的上一个节点和下一个节点的描述是相对的，中继状态值没有方向性，例如，R_A2_A3_A8＝R_A8_A3_A2，表示从A2经过A3到A8的中继状态值与从A8经过A3到A2的中继状态值相同。

下面以A7与C4协商共享密钥为例说明服务节点基于中继状态区块提供密钥协商服务的方法：服务节点选择依次通过A4、A3、C1和C2的中继链路，服务节点从一个中继状态区块中选择所有相应节点的中继状态值（即两个相邻节点之间的异或值）并进行异或值运算，最后得到K_A7_A4⊕K_C2_C4，服务节点把K_A7_A4⊕K_C2_C4及相应的区块编号和相应的相邻节点ID分别发给A7和C4；A7和C4分别根据区块编号和相邻节点ID查找并协商采用K_A7_A4或K_C2_C4作为共享密钥（即，A7计算K_A7_A4⊕K_C2_C4⊕K_A7_A4得到K_C2_C4，C4利用同样的方法可以得到K_A7_A4）。A7和C4基于上述共享密钥还可以为其所服务的其它应用系统提供密钥服务。下面再以B4与B6协商共享密钥为例说明服务节点基于中继状态区块提供密钥协商服务的方法：服务节点从一个中继状态区块中选择一个R_B4_B2_B6，服务节点把R_B4_B2_B6及相应的区块编号和相应的相邻节点ID分别发给B4和B6，B4和B6分别根据区块编号和B2的ID查找与R_B4_B2_B6相应的密钥并协商使用K_B4_B2或K_B6_B2作为共享密钥（即，B4计算R_B4_B2_B6⊕K_B4_B2＝K_B6_B2，B6计算R_B4_B2_B6⊕K_B6_B2＝K_B4_B2）。

如果某个区域量子通信网络需要组建私有区块链，则可以在该区域内的量子节点之间创建区域内专用的私有区块。例如，由A1，…，A9共9个量子节点组成的区域A内，选择A6作为记账节点，其它中继节点都把各自的中继状态通过VPN通道发给A6，A6对该私有中继状态区块进行安全存储并只针对区域A内的量子节点基于该状态区块提供密钥协商服务。每个区域内的记账节点可以同时建立仅限于区域内使用的区域私有的量子中继状态区块和全网使用的量子中继状态区块。

图2为本发明的包含卫星量子中继节点的实施例。其中，选择C1、C2、R1、S、R2、D1和D2作为区块链的量子中继节点，选择C3和D4同时作为记账节点和区域服务节点。C3、C4、C5、D3、D4和D5作为区域量子密钥流量服务节点或应用终端节点。地面站量子节点R1和R2都包含卫星信号接收器和光纤量子通信系统的发射器和接收器，其中R1或R2的卫星信号接收器与量子卫星节点S建立自由空间QKD链路并协商共享量子密钥；基于R1和R2分别与S之间共享的量子密钥，R1和R2可以实现量子密钥共享，因此，可以把R1和R2作为两个相邻量子中继节点。采用本发明方法，采用多个卫星量子中继节点可以实现广域范围内的量子通信服务区块链。

实际应用中，对于已经部署使用的量子通信网络，可以通过增加相应的带宽使用策略并创建量子密钥中继状态区块，在不影响原有业务的前提下，提升QKD网络的服务能力；对于新建QKD网络，可以采用本发明构建量子密钥中继状态区块实现新型的安全高效的量子通信服务区块链。另外，采用本发明方法也可以实现中心化的量子通信服务系统。

Claims

1.一种用于实现量子通信服务区块链的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)选择通过量子通信链路连通的多个量子中继节点，选择至少一个节点作为记账节点，选择至少一个节点作为服务节点，(2)在创建中继状态区块的时间窗口内，多个量子中继节点把其中继状态发送给记账节点，服务节点保存其与每一个相邻量子中继节点之间的共享量子密钥及其密钥标识，记账节点记录多个量子中继节点的中继状态并形成中继状态区块；其中，所述中继状态包括量子中继节点与任意两个相邻量子节点之间的共享量子密钥的异或值、中继状态标识及其数字签名。

2.根据权利要求1所述的一种用于实现量子通信服务区块链的方法，其特征在于，所述选择通过量子通信链路连通的多个量子中继节点的方法包括：根据接入条件选择或部署在量子通信网络中主要发挥量子中继功能的量子中继节点，并对所述量子中继节点系统进行状态初始化。

3.根据权利要求1所述的一种用于实现量子通信服务区块链的方法，其特征在于，所述选择记账节点的方法包括：由节点投票产生和由网络管控中心指定产生，并对被选定的记账节点系统进行状态初始化，多个记账节点根据共识机制进行竞争记账或轮流记账。

4.根据权利要求1所述的一种用于实现量子通信服务区块链的方法，其特征在于，所述中继状态标识包括区块编号、异或值的Hash值、量子中继节点ID、量子中继节点的上一个节点ID及下一个节点的ID。

5.根据权利要求1所述的一种用于实现量子通信服务区块链的方法，其特征在于，所述量子中继节点把其中继状态发送给记账节点的方法包括：明文发送和加密发送。

6.根据权利要求1所述的一种用于实现量子通信服务区块链的方法，其特征在于，所述中继状态区块包括：所有服务节点都可以访问的中继状态区块、只有被授权的服务节点才可以访问的中继状态区块和只在两个服务节点之间共享的中继状态区块。

7.根据权利要求1所述的一种用于实现量子通信服务区块链的方法，其特征在于，所述密钥标识的内容包括：相邻节点的ID和区块编号。

8.根据权利要求1所述的一种用于实现量子通信服务区块链的方法，其特征在于，所述服务节点基于中继状态区块提供量子密钥分发服务，其包括为任意两个或多个量子通信节点提供密钥服务和为任意两个或多个应用终端提供密钥服务。

9.根据权利要求2所述的一种用于实现量子通信服务区块链的方法，其特征在于，所述接入条件包括：量子中继节点系统具有用户不可见的用于数字签名的私钥、具有实时监控装置、具有防拆解保护措施，能够通过系统安全性测评。

10.根据权利要求2或权利要求3所述的一种用于实现量子通信服务区块链的方法，其特征在于，所述状态初始化包括：分配ID、预置密钥对和设置VPN参数，其中，VPN参数包括量子中继节点与记账节点之间的VPN参数、记账节点与服务节点之间的VPN参数。