CN113784298B - 基于量子密钥的北斗短报文的通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于量子密钥的北斗短报文的通信系统，所述通信系统包括站点A和站点B，所述站点A包括客户端北斗通信终端，客户端服务器，客户端QKD设备；所述站点B包括服务端北斗通信终端，服务端服务器，服务端QKD设备；所述客户端QKD设备和所述服务端QKD设备之间通过量子网络进行通信，协商产生出了一个相同的量子密钥K；所述客户端服务器和所述服务端服务器之间通过所述客户端北斗通信终端和所述服务端北斗通信终端来实现北斗短报文通信。本发明综合应用量子通信技术、对称密钥加密技术来实现了北斗短报文通信数据的安全性；应用超时重传机制技术实现了北斗短报文通信的可靠性；应用大包拆分机制技术提高了北斗短报文通信的容量。

Description

基于量子密钥的北斗短报文的通信系统
技术领域
本发明涉及量子通信领域，具体涉及基于量子密钥的北斗短报文的通信系统。
背景技术
现有技术利用北斗短报文进行通信时，为了保证数据的安全性，通常会先用传统密钥结合对称密钥加密技术来对数据进行加密处理后再传输。
现有技术只对北斗短报文的数据做加密处理，没有实现北斗短报文的可靠通信(北斗短报文发送数据并不保证对端一定能收到)及没有解决北斗短报文通信带宽的限制(北斗短报文通信一次最多能传输78字节大小的数据)。
现有技术采用的是传统密钥结合对称密钥加密技术来对数据进行加密处理。传统会话密钥的生成通常采用公私钥机制来分发或者采用预置密钥来协商分发会话密钥。不管是采用公私钥机制来分发会话密钥还是采用预置密钥来协商分发会话密钥，在理论上都不具备无条件安全性，随着计算机运算能提高传统密钥被破解的可能性在提高。密钥是加密运算的主要参数，密钥的安全决定了加密数据的安全，如果无法保证会话密钥那无法保证数据的安全。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种基于量子密钥的北斗短报文的通信系统，所述通信系统包括站点A和站点B，所述站点A包括客户端北斗通信终端，客户端服务器，客户端QKD设备；所述站点B包括服务端北斗通信终端，服务端服务器，服务端QKD设备；所述客户端QKD设备和所述服务端QKD 设备之间通过量子网络进行通信，协商产生出了一个相同的量子密钥K，然后各自把所述量子密钥K发给所述客户端服务器和所述服务端服务器；所述客户端服务器和所述服务端服务器之间通过所述客户端北斗通信终端和所述服务端北斗通信终端来实现北斗短报文通信；所述客户端服务器把要发送给所述服务端服务器的数据用压缩算法进行压缩，然后用对称密钥加密算法及量子密钥 K对压缩后的数据包进行加密；所述服务端服务器用量子密钥K和对称密钥加密算法解密数据包，然后用解压缩算法解压数据包。
在一种实施方式中，所述客户端服务器向所述客户端QKD设备发送申请量子密钥请求，告诉所述客户端QKD它要获取和所述服务端服务器通信的会话密钥，请求参数包含所述服务端服务器的地址。
在一种实施方式中，所述客户端QKD收到所述客户端服务器的申请量子 密钥请求后，从请求参数中得到所述服务端服务器的地址；根据所述服务端服务器的地址找到对应的所述服务端QKD设备的地址；然后所述客户端QKD设备和所述服务端QKD设备之间通过量子网络进行通信，协商产生出了所述相同的量子密钥K。
在一种实施方式中，所述客户端服务器把加密后的数据按照北斗短报文的数据封装格式进行组包，所述北斗短报文的数据封装格式包括：第一个字段是协议头；第二个字段是序列号，用来防重放；第三个字段是标志，用来区分是请求包还是应答包；第四个字段是源地址，表示客户端服务器的地址；第五个字段是包总数，表示分包的总数；第六个是包序号，表示大包拆分后的第几个包；第七个字段是载荷，表示传输的实际数据；第八个字段是包尾，用来表示 HMAC算法对认证区域数据做完整性认证及身份认证运算的校验值。
在一种实施方式中，把封装好的整个数据包当作北斗短报文的信息内容，计算封装后的数据包的大小，如果传输的信息内容的大小超过北斗短报文一次传输的信息内容容量限制，就将载荷进行拆分成多个子载荷发送；如果不大于北斗短报文的容量限制，则调用北斗通信终端的接口将封装好的整个数据包用北斗短报文信道发送给所述服务端服务器。
在一种实施方式中，当封装好的整个数据包大于北斗短报文的容量限制，把要传输的载荷拆分成多个子载荷时，每个子载荷再按所述数据封装格式重新组包，重组后的每个小包不能超过北斗短报文的容量限制；每个小包以序列号、包总数、包序号作为分包标识；然后用北斗短报文信道将组装好后的每个小包分别发送给所述服务端服务器。
在一种实施方式中，所述服务端服务器通过序列号和包序号来判断所述数据包是不是重复包，如果重复包则过滤掉该数据包。
在一种实施方式中，所述服务端服务器通过序列号、包总数、包序号来判断数据包是一个完整的数据包还是被拆分的子数据包，如果包总数等于1则表示这个包是一个完整的数据包，载荷明文便是所述客户端服务器发送的完整内容；如果总数大于1，这表示这是一个被拆分的子数据包，需要同一序列号下的不同包序号的子包解出的载荷明文进行拼接，得到所述客户端服务器发送的完整内容。
在一种实施方式中，所述客户端服务器设置了一个消息超时时间t和消息最大重发次数n，所述客户端服务器发送出请求消息后在t时间后如果没收到所述服务端服务器的应答，则会将消息重新再发一次，重发后再重新检测t时间内是否收到所述服务端服务器的应答；如果还没收到会继续重发，如果重发 n次后仍没收到应答，认为所述服务端服务器有故障，短时间内将不再重发，直到确认所述服务端服务器故障已排除后再重发。
在一种实施方式中，所述服务端服务器收到所述客户端服务器发来的北斗短报文信息后，通过北斗短报文信道给所述客户端服务器发送一个应答包，告诉所述客户端服务器已经收到了这条消息。
量子密钥是以量子力学为基础，量子力学中的不可克隆原理和海森堡测不准原理保证了量子密钥的安全性，利用量子通信技术分发出来的量子密钥已经被证明过是无条件安全的。本发明综合应用量子通信技术、对称密钥加密技术来实现了北斗短报文通信数据的安全性；应用超时重传机制技术实现了北斗短报文通信的可靠性；应用大包拆分机制技术提高了北斗短报文通信的容量。
在发明基于量子密钥的北斗短报文的通信系统，用QKD量子密钥分发技术替代了传统公私钥机制，解决了密钥更换频率受限及密钥更换成本的问题，解决了密钥分发过程中安全性的问题。量子密钥代替了传统的会话密钥，量子密钥比传统密钥安全性更高。本发明依托量子通信网络和量子密钥分发技术实现会话密钥的共享，提高了会话密钥分发的安全性。
在发明基于量子密钥的北斗短报文的通信系统加密传输，利用对称密钥算法加密数据传输保障了北斗报文通信的安全性。本发明通过加密技术解决了北斗短报文通信安全的问题。
在发明基于量子密钥的北斗短报文的通信系统实现了可靠通信，北斗短报文是一种不可靠的传输方式，在本发明中利用超时重传机制，解决了北斗短报文在传输过程中可能会丢包的问题，确保每发出去的数据包一定能被接收到。本发明通过超时重传机制解决了北斗短报文传输不可靠的问题。
发明基于量子密钥的北斗短报文的通信系统可靠通信大包拆分机制，由于北斗卫星网络对带宽有限制，北斗短报文一次最多只能传输78字节的报文。利用大包拆包机制及数据压缩算法，将超过78字节的报文拆分成多个小报文然后再发送，这样就解决了北斗短报文在传输过程中带宽的限制。本发明通过大包拆分传输机制解决了北斗短报文传输带宽限制的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，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它的附图。
图1是本发明的基于量子密钥的北斗短报文的通信系统的结构示意图；
图2是本发明北斗短报文的靠通信数据封装格式示意图。
具体实施方式
为了使本领域技术领域人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合实施例对本发明作进一步说明，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都应当属于本申请保护的范围。下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。
图1为是本发明的基于量子密钥的北斗短报文的通信系统的结构示意图，其中Alice表示的是客户端或消息发起端，Bob表示的是服务端或消息接收端。图1中量子网络使用的是量子通信网络；图1中北斗短报文使用的是北斗短报文信道是北斗卫星网络。
图1所示的基于量子密钥的北斗短报文的通信系统，所述通信系统包括站点A和站点B，所述站点A包括客户端北斗通信终端，服务器Alice，客户端 QKD设备(A)；所述站点B包括服务端北斗通信终端，服务器Bob，服务端 QKD设备(B)。
客户端QKD设备(A)设备和QKD设备(B)设备之间通过量子网络进行通信，协商产生出了一个相同的量子密钥K，然后各自把所述量子密钥K发给服务器Alice和服务器Bob。
服务器Alice和服务器Bob之间通过客户端北斗通信终端和服务端北斗通信终端通过北斗短报文信道来实现北斗短报文通信；
服务器Alice把要发送给服务器Bob的数据用压缩算法进行压缩，然后用对称密钥加密算法及量子密钥K对压缩后的数据包进行加密；服务器Bob用量子密钥K和对称密钥加密算法解密数据包，然后用解压缩算法解压数据包。
服务器Alice和Bob使用北斗短报文安全可靠通信的方法如下：
1.服务器Alice向QKD设备(A)发送申请量子密钥请求，告诉QKD设备 (A)它要获取和服务器Bob通信的会话密钥，请求参数包含服务器Bob的地址。
2.QKD设备(A)收到服务器Alice的申请量子 密钥请求后，从请求参数中得到服务器Bob的地址。根据服务器Bob的地址找到对应的QKD设备(B)的地址。然后QKD设备(A)向QKD(B)发起量子密钥协商。经过协商QKD设备(A)和 QKD设备(B)产生了一个相同了量子密钥K。
3.QKD设备(A)把量子密钥K发给服务器Alice。
4.QKD设备(B)把量子密钥K发给服务器Bob。
5.服务器Alice把要发送给服务器Bob的数据用压缩算法进行压缩，然后用对称密钥加密算法及量子密钥K对压缩后的数据进行加密。
6.服务器Alice把加密后的数据(记为EncryptData)按照北斗短报文安全可靠的数据封装格式(见图2)进行组包。第一个字段是协议头；第二个字段是序列号，用来防重放；第三个字段是标志，用来区分是请求包还是应答包；第四个字段是源地址，表示服务器Alice的地址；第五个字段是包总数，表示分包的总数；第六个是包序号，表示大包拆分后的第几个包；第七个字段是载荷，表示传输的实际数据；第八个字段是包尾，用来表示HMAC算法对认证区域数据做完整性认证及身份认证运算的校验值。
7.把封装好的整个数据包(记为FullData)当作北斗短报文的信息内容，由于北斗短报文一次传输的信息内容是有容量有限制的(一次最多78字节)，如果传输的信息内容的大小超过这个容量限制就需要将信息内容进行拆分成多个子信息内容发送。
8.计算封装后的数据包FullData的大小，如果不大于北斗短报文的容量限制，则调用北斗通信终端的接口将FullData用北斗短报文信道发送给服务器 Bob。
9.计算封装后的数据包FullData的大小，如果大于北斗短报文的容量限制，则将加密后的载荷EncryptData拆分，拆分成多个小包，每个小包再按数据封装格式重新组包，每个小包的载荷大小同样不能超过北斗短报文的容量限制：以序列号、包总数、包序号作为分包标识。包总数等于1时不作分包；包总数大于1时分包，包序号表示对应序列号的第几个包；包序号等于包总数表示对应序列号的最后一个包。用北斗短报文信道将组装好后的每个小包分别发送服务器Bob。
10.为了保证北斗短报文传输的可靠性保证服务器Bob一定能收到服务器 Alice发出的消息，消息发送方服务器Alice设置了一个消息超时时间t和消息最大重发次数n。服务器Alice发送出请求消息后在t时间后如果没收到接收方服务器Bob的应答，则会将消息重新再发一次，重发后再重新检测t时间内是否收到接收方服务器Bob的应答如果还没收到会继续重发，如果重发n次后仍没收到应答则认为服务器Bob可能设备或网络等故障，短时间内将不再重发，直到确认服务器Bob故障已排除后再重发。如果接收方收到的消息如果出现分包的情况则应收到完整的消息包后才返回应答给发送方。
11.接收方服务器Bob收到服务器Alice发来的消息后，会调用北斗通信终端接口通过北斗短报文信道给服务器Alice发送一个应答包，告诉服务器 Alice已经收到了这条消息。为保证传输的可靠性发送规则与第10步同理。
12.服务器Bob通过序列号和包序号判断来判断是不是重复包，如果重复包则过滤掉这包。
13.服务器Bob用量子密钥K和对称密钥加密算法解密数据包中的载荷获得明文。序列号、包总数、包序号来判断这个数据包是一个完整的包还是被拆分的子包，如果包总数等于1则表示这个包是一个完整的包，载荷明文便是服务器Alice发送的完整内容。如果总数大于1，这表示这是一个被拆分的子包，需要同一序列号下的不同包序号的子包解出的载荷明文进行拼接便可得到服务器Alice发送的完整内容。
在本申请中，密钥：控制密码算法运算的关键信息或参数。
对称加密：采用单钥密码系统的加密方法，同一个密钥可以同时用作信息的加密和解密。
非对称密码体制：非对称密码体制又称为双密钥密码体制或公开密钥密码体制，是指加密和解密操作分别使用两个不同的密钥，并且不可能由加密密钥推导出解密密钥。
量子通信技术：量子通信作为量子信息科学的重要分支，是利用量子态作为信息载体来进行信息交互的通信技术，量子密钥分发(Quantum Key Distribution，QKD)是最先实用化的量子信息技术，是量子通信的重要方向。量子密钥分发可以在空间分离的用户之间以信息理论安全的方式共享密钥。
QKD设备：基于量子力学的基本原理保证通信双方之间能够生成一串完全相同且攻击者无法获取信息的随机数以作为共享密钥的设备。
可靠性：确保发出去的数据对方能收到。
安全性：对数据进行加密传输。
本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.基于量子密钥的北斗短报文的通信系统，其特征在于，所述通信系统包括站点A和站点B，所述站点A包括客户端北斗通信终端，客户端服务器，客户端QKD设备；所述站点B包括服务端北斗通信终端，服务端服务器，服务端QKD设备；
所述客户端QKD设备和所述服务端QKD设备之间通过量子网络进行通信，协商产生出了一个相同的量子密钥K，然后各自把所述量子密钥K发给所述客户端服务器和所述服务端服务器；
所述客户端服务器和所述服务端服务器之间通过所述客户端北斗通信终端和所述服务端北斗通信终端来实现北斗短报文通信；
所述客户端服务器把要发送给所述服务端服务器的数据用压缩算法进行压缩，然后用对称密钥加密算法及量子密钥K对压缩后的数据进行加密；所述服务端服务器用量子密钥K和对称密钥加密算法解密数据，然后用解压缩算法解压数据包。
2.根据权利要求1所述的通信系统，其特征在于，所述客户端服务器向所述客户端QKD设备发送申请量子密钥请求，告诉所述客户端QKD它要获取和所述服务端服务器通信的会话密钥，请求参数包含所述服务端服务器的地址。
3.根据权利要求2所述的通信系统，其特征在于，所述客户端QKD收到所述客户端服务器的申请量子 密钥请求后，从请求参数中得到所述服务端服务器的地址；根据所述服务端服务器的地址找到对应的所述服务端QKD设备的地址；然后所述客户端QKD设备和所述服务端QKD设备之间通过量子网络进行通信，协商产生出了所述相同的量子密钥K。
4.根据权利要求1所述的通信系统，其特征在于，所述客户端服务器把加密后的数据按照北斗短报文的数据封装格式进行组包，所述北斗短报文的数据封装格式包括：第一个字段是协议头；第二个字段是序列号，用来防重放；第三个字段是标志，用来区分是请求包还是应答包；第四个字段是源地址，表示客户端服务器的地址；第五个字段是包总数，表示分包的总数；第六个是包序号，表示大包拆分后的第几个包；第七个字段是载荷，表示传输的实际数据；第八个字段是包尾，用来表示HMAC算法对认证区域数据做完整性认证及身份认证运算的校验值。
5.根据权利要求4所述的通信系统，其特征在于，把封装好的整个数据包当作北斗短报文的信息内容，计算封装后的数据包的大小，如果传输的信息内容的大小超过北斗短报文一次传输的信息内容容量限制，就将载荷进行拆分成多个子载荷发送；如果不大于北斗短报文的容量限制，则调用北斗通信终端的接口将封装好的整个数据包用北斗短报文信道发送给所述服务端服务器。
6.根据权利要求5所述的通信系统，其特征在于，当封装好的整个数据包大于北斗短报文的容量限制，把要传输的载荷拆分成多个子载荷时，每个子载荷再按所述数据封装格式重新组包，重组后的每个小包不能超过北斗短报文的容量限制；每个小包以序列号、包总数、包序号作为分包标识；然后用北斗短报文信道将组装好后的每个小包分别发送给所述服务端服务器。
7.根据权利要求5所述的通信系统，其特征在于，所述服务端服务器通过序列号和包序号来判断所述数据包是不是重复包，如果重复包则过滤掉该数据包。
8.根据权利要求5所述的通信系统，其特征在于，所述服务端服务器通过序列号、包总数、包序号来判断数据包是一个完整的数据包还是被拆分的子数据包，如果包总数等于1则表示这个包是一个完整的数据包，载荷明文便是所述客户端服务器发送的完整内容；如果总数大于1，这表示这是一个被拆分的子数据包，需要同一序列号下的不同包序号的子包解出的载荷明文进行拼接，得到所述客户端服务器发送的完整内容。
9.根据权利要求1所述的通信系统，其特征在于，所述客户端服务器设置了一个消息超时时间t和消息最大重发次数n，所述客户端服务器发送出请求消息后在t时间后如果没收到所述服务端服务器的应答，则会将消息重新再发一次，重发后再重新检测t时间内是否收到所述服务端服务器的应答；如果还没收到会继续重发，如果重发n次后仍没收到应答，认为所述服务端服务器有故障，短时间内将不再重发，直到确认所述服务端服务器故障已排除后再重发。
10.根据权利要求1所述的通信系统，其特征在于，所述服务端服务器收到所述客户端服务器发来的北斗短报文信息后，通过北斗短报文信道给所述客户端服务器发送一个应答包，告诉所述客户端服务器已经收到了这条消息。
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