CN113328853A - 一种采用量子密钥提升安全性的联盟链系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种采用量子密钥提升安全性的联盟链系统，包括：联盟链的多个共识节点、多个非共识节点、虚拟量子链路切片数据库、1个或多个随机数分组服务器，节点之间基于虚拟量子链路切片数据库协商共享密钥，并用于联盟链中的加密通信或替换/更新联盟链网络中的对称密钥。本发明实现了量子密钥分发服务与联盟链网络的无缝融合，是一种安全、高效、灵活的采用量子密钥提升安全性的联盟链系统，在联盟链和互联网应用安全领域具有良好的应用前景。

Description

一种采用量子密钥提升安全性的联盟链系统

技术领域

本发明涉及量子密钥服务和区块链技术领域，尤其涉及一种采用量子密钥提升安全性的联盟链系统。

背景技术

区块链是由多方共同维护，使用密码学保证传输和访问安全，能够实现数据一致存储、难以篡改、防止抵赖的记账技术；区块链在促进数据共享、优化业务流程、降低运营成本等方面具有重要的应用价值。但是，区块链系统中所采用的非对称密码算法不能抵抗量子计算攻击，而其所采用的对称密码算法的安全强度在量子计算攻击下具有一定的脆弱性，因此，提升区块链系统特别是在金融、政务等领域应用广泛的联盟链系统的安全性具有非常重要的意义。目前，利用量子密钥提升联盟链系统的安全性是一个重要技术方向，但是，由于量子密钥分发网络是独立于联盟链的基础设施，二者之间缺少无缝适配接口，因此，很难进行应用推广。

为了实现量子安全的联盟链系统，本发明系统采用虚拟量子链路切片数据库为联盟链网络的节点之间实时协商量子密钥并用于增强联盟链的网络通信安全性，是一种安全、高效、灵活的采用量子密钥提升安全性的联盟链系统。

发明内容

为了解决背景技术中的量子密钥与联盟链的融合应用问题，本发明提供了一种采用量子密钥提升安全性的联盟链系统，包括：联盟链的多个共识节点、多个非共识节点、虚拟量子链路切片数据库、1个或多个随机数分组服务器，其特征在于，虚拟量子链路切片数据库存放在联盟链网络或互联网上，上述多个共识节点分别保存与上述虚拟量子链路切片数据库关联的多个量子密钥分组，随机数分组服务器为上述非共识节点分别提供随机数分组；上述共识节点基于上述虚拟量子链路切片数据库和上述量子密钥分组协商共识节点之间的共享量子密钥，基于上述虚拟量子链路切片数据库、上述量子密钥分组和上述随机数分组协商共识节点与非共识节点之间、非共识节点之间的共享量子密钥；共识节点之间、非共识节点之间、共识节点与非共识节点之间采用上述共享量子密钥进行加密通信或替换/更新联盟链网络中的对称密钥；其中，上述虚拟量子链路切片包括具有相同切片标识的任意两个共识节点的量子密钥分组的异或值。

进一步地，上述系统还包括：与共识节点关联的虚拟量子密钥分发链路网络，上述虚拟量子密钥分发链路网络用于产生虚拟量子链路切片。

本发明具有如下创新性：本发明采用虚拟量子链路切片数据库实时协商量子密钥并用于增强联盟链的网络通信安全性，量子密钥协商与量子密钥分发网络分离、与联盟链网络无缝对接，是一种安全、高效、灵活的采用量子密钥提升安全性的联盟链系统。在联盟链和互联网应用安全领域具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一个虚拟量子链路切片示意图；

图2为本发明实施例提供的一种采用量子密钥提升安全性的联盟链系统流程示意图。

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。

为了说明虚拟量子链路切片数据库的具体内容、产生和应用方法，图1给出了一个具体的虚拟量子链路切片示意图，其中包括量子服务节点4、5和6，量子中继节点1、2和3。首先，任意两个量子节点之间协商一个具有统一切片标识的量子密钥分组，并计算所有3个量子中继节点的异或关联{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分组的异或值，XOR_ijk是节点j与节点i之间的共享量子密钥分组、节点j与节点k之间的共享量子密钥分组的异或值，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，其中，K_i_j= K_j_i）；然后，计算任意两个量子服务节点之间的虚拟量子链路数据，即计算两个量子服务节点之间量子中继节点的异或关联的相应异或值，例如，量子服务节点4和6之间的虚拟量子链路数据为：XOR_412⊕XOR_126= K_4_1⊕K_6_2；上述任意两个量子服务节点之间的虚拟量子链路数据形成一个虚拟量子链路切片，多个虚拟量子链路切片组成虚拟量子链路切片数据库；量子服务节点保存与虚拟量子链路切片数据库关联的量子密钥分组。

下面结合本发明实施例所提供的采用量子密钥提升安全性的联盟链系统实施例进一步说明本发明的工作原理，如图2所示，联盟链的共识节点包括A、B和C，非共识节点包括U1、U2、U3和U4。假设共识节点A、B和C分别从图1中的量子服务节点4、5和6获取了与虚拟量子链路切片数据库关联的量子密钥分组（即假定，A与4关联，B与5关联，C与6关联），并且A、B和C都可以访问虚拟量子链路切片数据库；非共识节点U1、U2、U3和U4分别从A、B和/或C获取了多个随机数分组并创建了相应的服务关联。

如果共识节点之间协商量子密钥，例如，A与C之间协商量子密钥，则，A可以随机选择一个虚拟量子链路切片中的A与C关联的虚拟量子链路数据并计算其与所关联的量子密钥分组的异或值，即得到C的量子密钥分组（例如，结合图1中的数据，A计算K_4_1⊕(K_4_1⊕K_6_2)=K_6_2，即得到C的量子密钥分组，从而A和C可以共享K_6_2）。

如果非共识节点之间协商量子密钥，假定U1与U2之间协商量子密钥，并假定U1与A之间事先共享了随机数分组, U2与C之间事先共享了随机数分组,则，A和C分别采用二者之间的共享量子密钥加密相应的随机数分组并分别发送给相应的非共识节点，非共识节点利用相应的随机数分组解密后得到上述共享量子密钥。如果U3与U4之间协商量子密钥，则B可以把U3和U4的一个随机数分组的异或值分别发送给U3或U4，U3或U4解密得到U4或U3的相应随机数分组；也可以产生一个密钥分组，并分别采用U3和U4的一个随机数分组加密发送给U3和U4，U3和U4分别利用相应的随机数分组解密后得到上述密钥分组。

如果共识节点与非共识节点之间协商量子密钥，假定U1与B，则，A采用A与B之间的共享量子密钥加密U1与A之间共享的随机数分组并发送给U1，U1利用相应的随机数分组解密后得到上述共享量子密钥。

在一种可能的实施例中，在上述任一个实施例的基础上，共识节点可以根据安全需求随机选择多个虚拟量子链路切片中的多个虚拟量子链路数据并协商多个共享量子密钥，然后再进行保密增强并得到一个更高安全性的共享量子密钥。

需要说明的是，由于上述协商量子密钥方法有多种实质等同的简单变形，协商量子密钥的流程也有多种实质等同的的变形，加密算法也有多种选择，因此，上述协商量子密钥方法只用于说明本发明的工作原理和技术可行性，并不是用于限定；任何采用上述系统及其简单变形的联盟链都落入本发明的保护范围。

在一种可能的实施例中，在上述任一个实施例的基础上，联盟链的节点采用上述方法共享的共享量子密钥可以用于替换或更新联盟链网络中所采用的对称密码算法的工作密钥或/和会话密钥等，也可以用于加密节点之间的通信数据或/和交易数据，还可以用于创建量子密钥加密的VPN隧道，或替换或更新节点之间的VPN的会话密钥等，用于实现量子安全的联盟链通信网络。

在一种可能的实施例中，在上述任一个实施例的基础上，还可以把共识节点所关联的量子服务节点之间的虚拟量子密钥分发链路网络作为联盟链的一部分，并为联盟链更新虚拟量子链路切片数据库和所关联的量子密钥分组。例如，可以把图2中的量子服务节点Q4、Q5和Q6之间的虚拟量子密钥分发链路网络作为联盟链的一部分（例如，可以租用Q4、Q5和Q6之间的量子密钥分发链路的一部分带宽，并按需生成虚拟量子链路切片或更新虚拟量子链路切片数据库）。

在一种可能的实施例中，在上述任一个实施例的基础上，共识节点与所关联的虚拟量子密钥分发链路网络之间采用物理隔离或逻辑隔离。例如，在一种可能的实施例中，图2中的Q5与A、Q6与B、、Q7与C可以是相互独立的设备，在另一种可能的实施例中也可以是内部设置逻辑隔离的集成于一体的设备。

在一种可能的实施例中，在上述任一个实施例基础上，虚拟量子链路切片数据库可以由一个或多个共识节点管控，或者由第三方服务器管控并提供授权访问服务。

在一种可能的实施例中，在上述任一个实施例基础上，随机数分组服务器包括以下任意一种：与共识节点集成于一体的设备、与量子密钥分发系统集成于一体的设备、独立的随机数分组服务设备，上述设备采用离线或在线方式为非共识节点提供随机数分组注入服务，并创建相应的随机数分组服务关联。

需要说明的是，上述实施例中，共识节点和非共识节点、量子服务节点和量子中继节点的数量和标识以及联盟链和量子密钥分发网络的拓扑结构等都只用于说明本发明的工作原理，并不用于限定，所有基于上述工作原理所形成的实施例都落入本发明的保护范围。

在上述任一个实施例中，上述加密包括但不限于：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都是具有相同或一致的数据格式的、一定比特长度的数据或格式化的文件。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为系统、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 (5)

1.一种采用量子密钥提升安全性的联盟链系统，包括，联盟链的多个共识节点、多个非共识节点、虚拟量子链路切片数据库、1个或多个随机数分组服务器，其特征在于：

虚拟量子链路切片数据库存放在联盟链网络或互联网上，所述多个共识节点分别保存与所述虚拟量子链路切片数据库关联的多个量子密钥分组，随机数分组服务器为所述非共识节点分别提供随机数分组；

所述共识节点基于所述虚拟量子链路切片数据库和所述量子密钥分组协商共识节点之间的共享量子密钥，基于所述虚拟量子链路切片数据库、所述量子密钥分组和所述随机数分组协商共识节点与非共识节点之间、非共识节点之间的共享量子密钥；共识节点之间、非共识节点之间、共识节点与非共识节点之间采用所述共享量子密钥进行加密通信或替换/更新联盟链网络中的对称密钥；

其中，所述虚拟量子链路切片包括具有相同切片标识的任意两个共识节点的量子密钥分组的异或值。

2.根据权利要求1所述的一种采用量子密钥提升安全性的联盟链系统，其特征在于，包括：与共识节点关联的虚拟量子密钥分发链路网络，所述虚拟量子密钥分发链路网络用于产生虚拟量子链路切片。

3.根据权利要求1所述的一种采用量子密钥提升安全性的联盟链系统，其特征在于，所述随机数分组服务器包括以下任意一种：与共识节点集成于一体的设备、与量子密钥分发系统集成于一体的设备、独立的随机数分组服务设备。

4.根据权利要求2所述的一种采用量子密钥提升安全性的联盟链系统，其特征在于，共识节点与所关联的虚拟量子密钥分发链路网络之间采用逻辑隔离或物理隔离。

5.根据权利要求3所述的一种采用量子密钥提升安全性的联盟链系统，其特征在于，所述随机数分组服务器采用在线或离线方式为非共识节点提供随机数分组注入服务。

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