CN113193957B - 一种与量子网络分离的量子密钥服务方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种与量子网络分离的量子密钥服务方法，包括：第一服务器获取一定数量的异或关联切片作为切片集合，每一次服务从中随机选取并计算m个切片中的m个相关异或值的异或值，发送给第二服务器；第二服务器计算出相应的m个量子密钥分组的异或值并进行Hash运算并得到一个密钥分组，然后再采用客户端的随机数分组加密该密钥分组发送给客户端，客户端解密并得到该密钥分组。本发明可以解决量子密钥分发规模应用难题，在量子安全服务领域具有良好的应用前景。

Description

一种与量子网络分离的量子密钥服务方法与系统

技术领域

本发明涉及量子密钥分发服务技术领域，尤其涉及一种与量子网络分离的量子密钥服务方法与系统。

背景技术

密钥分发或协商是保密通信系统中的关键技术，通常所采用的基于经典密码算法的密钥协商的安全性是基于计算复杂度的安全性，而不具有量子安全性；而采用量子密钥分发网络的密钥协商方法面临规模应用瓶颈，即一方面，量子密钥分发网络是单跳落地转发可信中继网络，存在实时互联互通瓶颈；另一方面，量子密钥分发网络是独立于互联网的基础设施，二者之间缺少无缝适配接口。为了解决上述问题，量子密钥分发网络功能虚拟化技术被提出来，即，创建量子密钥分发网络的异或关联切片，基于静态的切片数据协商共享密钥。但是，已公开的基于量子密钥分发网络功能虚拟化技术的密钥协商的安全强度较弱。而本发明通过建立异或关联切片的切片集合，并随机从中选择多个切片中的数据进行Hash运算，即每一次服务从切片集合中随机选取并计算m个切片中的m个相关异或值的异或值，发送给第二服务器；第二服务器计算出相应的m个量子密钥分组的异或值并进行Hash运算并得到一个密钥分组，然后再采用客户端的随机数分组加密该密钥分组发送给客户端，客户端解密并得到该密钥分组。本发明可以把N个切片的端到端服务次数提升到C(N,m)，并克服了单一虚拟量子链路的脆弱性，从而实现一种与量子网络分离的量子密钥服务。

发明内容

为了解决背景技术中的量子密钥分发服务所存在的效率和安全性问题，本发明提供了一种与量子网络分离的量子密钥服务方法，包括：第一服务器获取目标量子网络的一定数量的异或关联切片，两个或多个第二服务器分别获取与上述异或关联切片关联的一定数量的量子密钥分组，上述第二服务器分别为客户端提供随机数分组并创建相应的服务关联，并把上述服务关联发送给上述第一服务器；第一服务器响应第一客户端与第二客户端协商量子密钥的服务请求，第一服务器通过查询上述服务关联获取上述第一客户端和第二客户端所关联的两个第二服务器；第一服务器从上述一定数量的异或关联切片中选择m个异或值关联切片中与上述两个第二服务器关联的m个异或值（m是大于1的自然数），并把上述m个异或值的异或值发送给上述第一客户端所关联的第二服务器，把上述m个异或值的标识发送给另一个第二服务器； 上述第一客户端所关联的第二服务器计算所接收到的上述异或值与上述m个异或值所关联的m个量子密钥分组的异或值，对上述异或值进行Hash运算并得到一个密钥分组，利用第一客户端的随机数分组加密上述密钥分组并发送给第一客户端或通过上述第一服务器发送给第一客户端，上述第一客户端利用相应的随机数分组解密并得到上述密钥分组；另一个第二服务器计算上述m个异或值所关联的m个量子密钥分组的异或值，对上述异或值进行上述Hash运算并得到一个密钥分组，利用第二客户端的随机数分组加密上述密钥分组并发送给第二客户端或通过上述第一服务器发送给第二客户端，上述第二客户端利用相应的随机数分组解密并得到上述密钥分组；其中，上述异或关联切片包括但不限于目标量子网络中所有任意两个第二服务器的量子密钥分组的异或值和相应的标识，上述目标量子网络包括量子密钥分发网络、量子通信网络、量子传感网络、量子安全互联网中的任一项。

进一步地，上述方法还包括：如果上述一定数量的异或关联切片或其所关联的量子密钥分组的使用次数或使用时间超过限定值，则，销毁上述量子密钥分组。

进一步地，上述方法还包括：上述第一服务器、第二服务器与客户端之间采用非对称密码算法、事先共享的认证密钥、或同时采用非对称密码算法和事先共享认证密钥进行身份认证。

本发明还提供了一种与量子网络分离的量子密钥服务系统，包括用于完成上述方法的至少一个量子密钥服务中心、两个或多个量子服务器、多个客户端。

本发明具有如下创新性：本发明通过建立异或关联切片的切片集合，并随机从中选择多个切片中的数据进行保密增强，把N个切片的端到端服务次数提升到C(N,m)，并克服了单一虚拟量子链路的脆弱性，具有更高的安全性和效率。本发明实施例在量子密码服务领域具有良好的应用推广前景。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种与量子网络分离的量子密钥服务方法流程示意图；

图2为本发明实施例提供的异或关联切片示意图；

图3为本发明实施例提供的一种与量子网络分离的量子密钥服务系统示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及有益效果更加清楚明白，作为本发明的一部分，以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步说明。

图1本发明实施例提供的一种与量子网络分离的量子密钥服务方法流程，其中包括：量子密钥服务中心（第一服务器）、量子服务器A（第二服务器A）和量子服务器B（第二服务器B）、第一客户端U和第二客户端V；量子服务器A为第一客户端U提供随机数分组并创建相应的服务关联，量子服务器B为第二客户端V提供随机数分组并创建相应的服务关联；量子服务器A和B分别把上述服务关联发送给量子密钥服务中心；其中，服务关联由若干条记录组成，每一条记录代表一台已经注册的客户端的关联信息，包括但不限于客户端的ID标识、关联服务器的ID标识、随机数分组的余量信息；服务流程包括如下步骤：

步骤1：量子密钥服务中心响应第一客户端U与第二客户端V协商量子密钥的服务请求，通过查询服务关联信息获取第一客户端U与第二客户端V所关联的第二服务器A和B；

步骤2：量子密钥服务中心从一定数量的异或关联切片集合中选择m（m是一个大于1且不大于切片总数量一半的自然数，为了具体说明用法，以下假定m=3，但并不用于限定m的取值范围）个异或值关联切片中与上述两个第二服务器关联的m个异或值（为方便起见，记为K_a_1⊕K_b_1,K_a_2⊕K_b_2,K_a_3⊕K_b_3，其中，K_a/b_i是量子服务器A/B的第i个量子密钥分组），并把上述m个异或值的异或值（即K_a_1⊕K_b_1⊕K_a_2⊕K_b_2⊕K_a_3⊕K_b_3）发送给第二服务器A，把上述m个异或值的标识发送给第二服务器B；

步骤3：第二服务器A计算所接收到的上述异或值与上述m个异或值所关联的m个量子密钥分组的异或值（即，K_a_1⊕K_b_1⊕K_a_2⊕K_b_2⊕K_a_3⊕K_b_3⊕K_a_1⊕K_a_2⊕K_a_3=K_b_1⊕K_b_2⊕K_b_3），对上述异或值进行Hash运算并得到一个密钥分组（为方便起见，记为SK，例如，采用SM3算法，计算SK=SM3(K_b_1⊕K_b_2⊕K_b_3)）；第二服务器B采用同样的方法计算上述m个异或值所关联的m个量子密钥分组的异或值（即K_b_1⊕K_b_2⊕K_b_3），对上述异或值进行上述Hash运算并得到上述密钥分组SK（即SK=SM3(K_b_1⊕K_b_2⊕K_b_3)）；

步骤4：第二服务器A利用第一客户端U的随机数分组加密上述密钥分组SK并发送给第一客户端U或通过量子密钥服务中心发送给第一客户端U，第一客户端U利用相应的随机数分组解密并得到上述密钥分组SK；第二服务器B利用第二客户端V的随机数分组加密上述密钥分组并发送给第二客户端或通过量子密钥服务中心发送给第二客户端，第二客户端V利用相应的随机数分组解密并得到上述密钥分组SK。

在上述实施例中，上述“为客户端提供随机数分组” 包括产生方法和充注方法，产生方法包括但不限于：产生一定量的随机数，按一定的数据量大小进行分组，把通过随机性测试的每一个分组作为一个随机数分组；充注方法包括以下方法中的任一个：把一个或多个随机数分组发送到客户端的存储装置中、通过安全接口充注到客户端、采用加密方式发送给客户端。另外，客户端的每一个随机数分组都只使用一次，使用后即销毁；客户端可根据随机数分组的余量和使用需求进行补充。

在上述实施例中，上述步骤和每一个步骤中的操作是根据对等原则和通信阶段进行的划分，实际上，上述步骤和每一个步骤中的操作还可以在不影响功能实现的前提下进行调整和重新组合，并得到新的完成上述量子密钥服务功能的实施例。显然，由此得到的新的实施例与上述实施例实质性等同，并落入本发明的保护范围。

在上述实施例中，量子密钥服务中心从一定数量的异或关联切片中选择m个异或值包括但不限于：从一定数量的异或关联切片集合中随机选取m个，或从已编排好的m个切片组合为一个元素的数据库中按顺序选取。

在上述实施例中，上述异或关联切片包括但不限于：目标量子网络中所有任意两个第二服务器的量子密钥分组的异或值和相应的标识，上述目标量子网络包括量子密钥分发网络、量子通信网络、量子传感网络、量子安全互联网中的任一项。

在一种可能的实施例中，上述Hash算法可以采用SHA256、或国家商用密码标准Hash算法SM3等。

在一种可能的实施例中，在上述任一个实施例的基础上，还可以包括：上述第一服务器、第二服务器与客户端之间采用非对称密码算法、事先共享的认证密钥、或同时采用非对称密码算法和事先共享认证密钥进行身份认证。

在上述任一个实施例中，第一服务器可以把一定数量的异或关联切片作为一个切片集合，切片集合中的切片数量N的大小可选择固定值或变动值；实际应用系统应综合考虑切片集合的安全管理和利用效率，并结合C(N,m)的大小与重复使用的概率进行设计；并根据安全等级限定一个切片集合的使用次数或/和使用时间，本发明对此不做具体的限定。但是，基于上述方法得到的实施例也落入本发明的保护范围。

在上述任一个实施例中，上述服务关联可以存储在第三方服务器，也可以由所有第二服务器共同维护一个或多个服务关联数据库。

在上述任一个实施例中，第一服务器或切片服务器获取一定数量的异或关联切片包括以下情形中的任一个：从第三方服务器获取，通过量子网络获取。

在上述任一个实施例中，客户端包括但不限于以下任一个：与第二服务器属于同一个物理设备的应用装置，与第二服务器部署在同一个安全域的应用装置，与至少一个第二服务器建立服务关联的移动应用装置。由于第一客户端与第二客户端是对等的，其所关联的第二服务器也是对等的，因此，在上述任一个实施例中，通过改变对等装置之间的发送与接收关系而得到的实施例也落入本发明的保护范围。

在上述任一个实施例中，上述加密和解密包括：采用对称密码算法进行加密和解密、采用异或加密算法进行加密和解密。在一种可能的实施例中，上述对称密码算法可以采用AES算法、3DES、国家商用密码分组标准对称算法SM1或SM4。

在上述任一个实施例中，上述发送包括但不限于：加密传输，上述加密传输包括但不限于以下选项中的任一项或多项：采用对称密码算法加密传输、采用非对称密码算法加密传输、采用VPN的隧道模式或传输模式的加密传输。

在上述任一个实施例中，上述异或值、量子密钥分组、密钥分组与随机数分组具有相同的数据格式；上述密钥分组与随机数分组的比特长度包括相同和不相同两种可能情况；上述量子密钥分组与随机数分组的比特长度包括相同和不相同两种可能情况。

在上述任一个实施例中，如果上述一定数量的异或关联切片或其所关联的量子密钥分组的使用次数或使用时间超过限定值（例如，使用次数超过了C(N,m)/2，或使用时间超过了7天，本发明对称不做具体限定），则，相应的服务器销毁上述量子密钥分组。

为了进一步说明异或关联切片的具体内容和使用方法，图2给出了一个具体的异或关联切片示意图，包括量子服务节点（第二服务器）4、5、6和7，量子中继节点1、2和3，其中，一个异或关联切片包括所有3个量子中继节点的所有异或关联{XOR_ijk}（即，一个量子中继节点与任意两个相邻节点之间共享的量子密钥的异或值，XOR_ijk是节点j与节点i之间的共享量子密钥、节点j与节点k之间的共享量子密钥的异或值，例如，XOR_412=K_4_1⊕K_2_1,其中，K_4_1是节点4与节点1之间的共享量子密钥，K_2_1是节点2与节点1之间的共享量子密钥），每一个量子服务节点与该异或关联切片关联的量子密钥分组分别为相应的量子密钥分组，即K_4、K_5 、K_6、K_7。量子密钥服务中心可以缓存一定数量的上述异或关联切片，即上述通过量子网络获取异或关联切片；量子密钥服务中心也可以再把一定数量的上述异或关联切片提供给其他服务器。

图3给出了本发明实施例提供的一种与量子网络分离的量子密钥服务系统，包括量子密钥服务中心301、量子服务器A302、量子服务器B303、i个客户端U_i(i是大于1的整数)、j个客户端V_j(j是大于1的整数)；这些装置构成一个完成上述任一个实施例的一种与量子网络分离的量子密钥服务系统。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、系统、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管结合具体特征及其实施例对本发明进行了描述，显而易见的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可对其进行各种修改和组合。相应地，本说明书和附图仅仅是所附权利要求所界定的本发明的示例性说明，且视为已覆盖本发明范围内的任意和所有修改、变化、组合或等同物。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种与量子网络分离的量子密钥服务方法，其特征在于，包括：

第一服务器获取目标量子网络的多个异或关联切片，两个或多个第二服务器分别获取与所述异或关联切片关联的多个量子密钥分组，所述两个或多个第二服务器分别为客户端提供随机数分组并创建相应的服务关联，并把所述服务关联发送给所述第一服务器；

第一服务器响应第一客户端与第二客户端协商量子密钥的服务请求，第一服务器通过查询相应的服务关联获取所述第一客户端和第二客户端所关联的两个第二服务器；

第一服务器从所述多个异或关联切片中选择m个异或关联切片中与所述两个第二服务器关联的m个异或值，并把所述m个异或值的异或值发送给所述第一客户端所关联的第二服务器，把所述m个异或值的标识发送给另一个第二服务器；

所述第一客户端所关联的第二服务器计算所接收到的所述m个异或值的异或值与所述m个异或值所关联的m个量子密钥分组的异或值并进行Hash运算并得到一个密钥分组，利用第一客户端的随机数分组加密所述密钥分组并发送给第一客户端或通过所述第一服务器发送给第一客户端，所述第一客户端利用相应的随机数分组解密并得到所述密钥分组；

所述另一个第二服务器计算其所存储的与所述m个异或值所关联的m个量子密钥分组的异或值并进行Hash运算并得到一个密钥分组，利用第二客户端的随机数分组加密所述密钥分组并发送给第二客户端或通过所述第一服务器发送给第二客户端，所述第二客户端利用相应的随机数分组解密并得到所述密钥分组；

其中，m是大于1的自然数；服务关联由若干条记录组成，每一条记录代表一个已经注册的客户端的关联信息，包括客户端的ID标识、关联服务器的ID标识、随机数分组的余量信息；一个异或关联切片包括任意一个第二服务器的一个量子密钥分组与另一个第二服务器的一个量子密钥分组的异或值，所述一个量子密钥分组是与所述一个异或关联切片关联的量子密钥分组。

2.根据权利要求1所述的一种与量子网络分离的量子密钥服务方法，包括：如果所述多个异或关联切片或其所关联的量子密钥分组的使用次数或使用时间超过限定值，则，销毁所述量子密钥分组。

3.根据权利要求1所述的一种与量子网络分离的量子密钥服务方法，包括：身份认证，其特征在于，所述第一服务器、第二服务器与客户端之间采用非对称密码算法、事先共享的认证密钥、或同时采用非对称密码算法和事先共享认证密钥进行身份认证。

4.根据权利要求1所述的一种与量子网络分离的量子密钥服务方法，其特征在于，所述异或关联切片包括目标量子网络中所有任意两个第二服务器的量子密钥分组的异或值和相应的标识；所述目标量子网络包括量子密钥分发网络、量子通信网络、量子传感网络、量子安全互联网中的任一项。

5.根据权利要求1所述的一种与量子网络分离的量子密钥服务方法，其特征在于，所述提供随机数分组包括产生方法和充注方法，所述产生方法包括：产生一定量的随机数，按一定的数据量大小进行分组，把通过随机性测试的每一个分组作为一个随机数分组；所述充注方法包括以下方法中的任一个：把一个或多个随机数分组发送到客户端的存储装置中、通过安全接口充注到客户端、采用加密方式发送给客户端。

6.根据权利要求1所述的一种与量子网络分离的量子密钥服务方法，其特征在于，所述客户端包括以下任一个：与第二服务器属于同一个物理设备的应用装置，与第二服务器部署在同一个安全域的应用装置，与至少一个第二服务器建立服务关联的移动应用装置。

7.根据权利要求1所述的一种与量子网络分离的量子密钥服务方法，其特征在于，所述加密和所述解密包括以下任一个：采用对称密码算法进行加密和解密，采用异或加密算法进行加密和解密。

8.根据权利要求1所述的一种与量子网络分离的量子密钥服务方法，其特征在于，所述发送包括：加密传输，所述加密传输包括以下选项中的任一项或多项：采用对称密码算法加密传输、采用非对称密码算法加密传输、采用VPN的隧道模式或传输模式的加密传输。

9.根据权利要求1所述的一种与量子网络分离的量子密钥服务方法，其特征在于，所述第一服务器从所述多个异或关联切片中选择m个异或关联切片中与所述两个第二服务器关联的m个异或值包括以下方法中的任一项：从所述多个异或关联切片中随机选取m个，从已编排好的包括m个切片组合的数据库中按顺序选取。

10.一种与量子网络分离的量子密钥服务系统，其特征在于，包括：用于完成权利要求1所述方法的至少一个量子密钥服务中心、两个或多个量子服务器、两个或多个客户端。

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