CN114338000B - 基于分层结构的量子密钥分发方法及网络 - Google Patents

Abstract

本发明提出基于分层结构的量子密钥分发方法及网络，所述分发方法将网络内大量可信节点按照通信范围和通信级别分为多个通信树，然后对相邻通信树的各个节点进行分层密钥分发，同一通信树中位于同一层的节点共享基础密钥。相邻通信树中两个同等级节点进行密钥协商时，两节点可以基于各自的基础密钥进行通信密钥的直接协商，或者，可以通过上级节点进行通信密钥的协商和转发，最终实现这两个节点之间的保密通信。本发明改进了传统量子密钥分发网络的密钥分发方法，减少了密钥资源的浪费，同时减少了密钥生成难度和对计算资源的消耗，尤其适用于空间跨度大的密钥协商场景。

Description

基于分层结构的量子密钥分发方法及网络

技术领域

本发明涉及密钥分发技术领域，尤其涉及一种基于分层结构的量子密钥分发方法及网络。

背景技术

在当下的互联网通信时代，通过密钥给信息加密的技术就伴随着人们对通信保密程度的需求而不断发展。密钥的作用就是用来对传输的信息进行加密，对通信数据进行加密处理是在公开的网络中保证信息安全的基本手段。随着量子计算机的快速发展，如何在开放的网络中保证信息安全已成为一个重要的研究课题。

量子密钥分发也称QKD，是利用量子力学特性来保证通信的安全性。它基于量子力学的基本原理和特性(如量子不可克隆性，量子不确定性等)来确保任何企图窃取传送中的密钥都会被合法用户所发现，这是QKD比传统密钥分配所具有的独特优势。

量子密钥分发的过程大致如下：单个光子通常作为偏振或相位自由度的量子比特，可以把欲传递的0，1随机数编码到这个量子叠加态上。比如，事先约定，光子的圆偏振代表1，线偏振代表0。光源发出一个光子，甲方随机地将每个光子分别制备成圆偏振态或线偏振态，然后发给合法用户乙方，乙方接收到光子，为确认它的偏振态(即0或1)，便随机地采用圆偏光或线偏光的检偏器测量。如果检偏器的类型恰好与被测的光子偏振态一致，则测出的随机数与甲所编码的随机数必然相同，否则，乙所测得的随机数就可能与甲方发射的不同。乙方把甲方发射来的光子逐一测量，记录下测量的结果。然后乙方经由公开信道告诉甲方他所采用的检偏器类型。这时甲方便能知道乙方检测时哪些检偏器与己方一致，即光子会被正确地检测；哪些检偏器与己方不一致，从而导致光子未被正确地检测，可能出错。于是他告诉乙方仅留下正确检测的结果作为密钥，这样双方就拥有完全一致的0，1随机数序列。

如果有窃听者在此过程中企图骗取这个密钥，他有两种策略：一是将甲发来的量子比特进行克隆，然后再发给乙方。但量子不可克隆性确保窃听者无法克隆出正确的量子比特序列，因而也无法获得最终的密钥；另一种是窃听者随机地选择检偏器，测量每个量子比特所编码的随机数，然后将测量后的量子比特冒充甲方的量子比特发送给乙方。按照量子力学的假定，测量必然会干扰量子态，因此这个“冒充”的量子比特与原始的量子比特很可能不一样，这将导致甲乙双方最终形成的随机数序列出现误差，他们经由随机比对，只要发现误码率异常地高，便知有窃听者存在，这样的密钥不安全，弃之不用。只有当他们确认无窃听者存在，其密钥才是安全的。接下来便可用此安全密钥进行“一次一密”的经典保密通信。

在现有技术中通常是采用可信的中继节点来解决远距离的量子密钥分发。如图1所示，假设在两个可信节点A和B之间进行远程密钥分发，由于距离原因需要在A和B之间增设可信中继节点1和可信中继节点2，并通过相邻可信节点之间进行密钥分发得到三对对密钥为KA1、K12和K2B，KA1为A与可信中继节点1的协商密钥，K12为可信中继节点1和可信中继节点2的协商密钥，K2B为可信中继节点2与B的协商密钥。密钥K在节点A处时，A将密钥K与协商密钥KA1进行异或运算形成密文1，随后通过网络传输到可信中继节点1时再利用协商密钥KA1与密文1进行异或运算解密出密钥K，再将K与K12进行异或运算形成密文2传输给可信中继节点2，如前所述重复下去直到密钥分发到目标节点，最终由目标节点解密出密钥K，实现A和B之间的远程密钥分发。基于现有密钥分发网络生成和使用密钥的效率较低，通过较多中继密钥只能产生1对共享密钥。

综上，现有密钥分发网络存在下面的问题：

当前量子密钥分发网络已经逐步形成大规模复杂网络，例如包括量子保密通信卫星网络、量子保密通信干线、量子保密通信城域网、量子保密通信用户网络等。量子密钥分发网络的地域跨度越大，两个远距离QKD终端要获取到一对量子密钥的代价越大，因为需要消耗大量量子保密通信可信中继节点的中继量子密钥。可见当前量子密钥分发网络的密钥浪费严重，密钥生成难度大，对计算资源的消耗多。

发明内容

发明目的：为提高密钥协商效率，减少密钥协商过程中计算资源的浪费，本发明提出一种基于分层结构的量子密钥分发方法及网络。

发明内容：为实现上述目的，本发明提出以下技术方案：基于分层结构的量子密钥分发方法，该方法实施在存在可信节点的量子通信网络中，而所述可信节点配置含有量子随机数发生器的量子密钥分发设备；该方法包括步骤：

(1)从所述量子通信网络中选取若干可信节点作为根节点，然后将每个根节点覆盖范围内的节点分为若干层，从而将整个通信网络分为多个以根节点为顶点的通信树；

(2)相邻通信树之间进行初始密钥协商：

对于相邻的两个通信树，两个顶点之间先进行密钥协商得到本层的基础密钥K；

在同一个通信树内，顶点对K进行加密计算得到H(K)，然后与自己的子节点分别进行密钥协商，通过协商出的密钥把H(K)传递到所有子节点；子节点存储H(K)作为本层基础密钥，再对H(K)进行同样的加密计算得到H(H(K))，然后与自己下一层的子节点进行密钥协商，通过协商出的密钥把H(H(K))传递给自己的下一层子节点，以此类推，直至通信树内所有节点都分配到本层基础密钥；

(3)相邻通信树中两个同等级节点进行密钥协商时，采用以下任意一种方式：

方式1：发送方生成一定数量的量子随机数作为通信密钥，并通过本层基础密钥加密后传递给接收方，接收方采用自己的本层基础密钥解密后得到通信密钥；

方式2：发送方向本通信树中更高级别的节点逐层发送请求信号，高级别节点则生成一定数量的量子随机数作为通信密钥，然后逐层发送给发送方；发送方的高级别节点根据请求信号中的接收方信息，在另一个通信树中找到能路由到接收方的、与自己同等级的高级节点，然后发送方的高级别节点通过本层基础密钥将通信密钥加密后发送给另一个通信树中的高级节点，由另一个通信树中的高级节点逐层发送给接收方。

对于上述方法，以下还提供了若干可选方式，但并不作为对上述总体方案的额外限定，仅仅是进一步的增补或优选，在没有技术或逻辑矛盾的前提下，各可选方式可单独针对上述总体方案进行组合，还可以是多个可选方式之间进行组合。

可选的，所述加密计算为哈希计算。

可选的，所述通信网络包括：量子保密通信卫星网络、量子保密通信干线、量子保密通信城域网、量子保密通信用户网络。

可选的，所述方式1中，发送方将加密后的通信密钥通过经典信道发送给接收方。

可选的，所述方式2中，发送方的高级别节点将加密后的通信密钥通过经典信道发送给接收方的高级别节点。

可选的，若相邻通信树之间还存在可信中继节点，则两个顶点通过可信中继节点进行密钥协商：

发送方顶点生成量子随机数密钥K，然后与相邻可信中继节点进行密钥协商，用协商出的密钥将K传递给相邻可信中节点；可信中继节点先解密出K，再与下一跳相邻节点进行密钥协商，用协商出的密钥加密K，再传递给下一跳相邻节点；以此类推，直至将K传递给接收方顶点。

本发明还提出一种基于分层结构的量子密钥分发网络，包括若干可信节点，所述可信节点构成若干通信树，每个通信树包括顶点和各层子节点；相邻通信树之间按照所述的基于分层结构的量子密钥分发方法进行密钥协商，并基于协商出的密钥实现保密通信。

有益效果：与现有技术相比，本发明改进了传统量子密钥分发网络的密钥分发方法，减少了密钥资源的浪费，同时减少了密钥生成难度和对计算资源的消耗，特别是降低了量子保密通信卫星网络、量子保密通信干线等骨干网络的密钥资源浪费和对计算资源的消耗，从而提升了整个量子密钥分发网络的效能。

附图说明

图1为现有量子密钥分发方法；

图2为实施例1涉及的初始化方法；

图3为实施例1涉及的协商方法1的示意图；

图4为实施例1涉及的协商方法2的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。但应当理解的是，本发明可以以各种形式实施，以下在附图中出示并且在下文中描述的一些示例性和非限制性实施例，并不意图将本发明限制于所说明的具体实施例。

应当理解的是，在技术上可行的情况下，以上针对不同实施例所列举的技术特征可以相互组合，从而形成本发明范围内的另外的实施例。此外，本发明所述的特定示例和实施例是非限制性的，并且可以对以上所阐述的结构、步骤、顺序做出相应修改而不脱离本发明的保护范围。

实施例1：

本实施例提出一种基于分层结构的量子密钥分发方法，实施在图2所示的量子通信网络中。图2中，设立两个基于量子保密通信干线的城际网络节点中有量子密钥分发设备QA和量子密钥分发设备QB，量子保密通信干线中可以包括量子通信卫星成员，一个城际网络节点可以对接多个城域网络节点；城域网络节点中有量子密钥分发设备QA1和量子密钥分发设备QB1，一个城域网络节点可以对接多个用户网络节点；用户网络节点中有量子密钥分发设备QA2和量子密钥分发设备QB2。所述量子密钥分发设备的关系为QA1属于QA，QA2属于QA1；QB1属于QB，QB2属于QB1。

初始化协商方法

初始化时，用户网络层的量子密钥分发设备QA2欲与可信对等节点的量子密钥分发设备QB2协商密钥，由量子密钥分发设备QA2向量子密钥分发设备QA1发送请求信号，QA1向QA发送请求信号，量子密钥分发设备QA根据该请求信号中的QB2找到QB2所属的QB1，并根据QB1找到QB1所属的QB，量子密钥分发设备QB通过量子密钥协商的方式(例如，采用BB84协议，以下称该协商方式生产的密钥为协商密钥)生成协商密钥K，如QA与QB之间存在可信中继节点，则通过中继量子密钥形成QA与QB之间的量子密钥。

量子密钥分发设备QA执行以下步骤：

对所述协商密钥K进行哈希计算得到H(K)，并在本地暂时保存K；以及量子密钥分发设备QA与量子密钥分发设备QA1通过量子密钥协商的方式生成协商密钥K1，QA利用所述协商密钥K1加密H(K)得到{H(K)}K1，并将得到的{H(K)}K1发送给量子密钥分发设备QA1。

量子密钥分发设备QA1利用协商密钥K1对{H(K)}K1进行解密，得到H(K)，并在本地暂时保存。QA1对H(K)进行哈希计算得到H(H(K))。同时QA1与QA2进行协商密钥得到协商密钥K2，并利用所述协商密钥K2对信息H(H(K))进行加密得到{H(H(K))}K2，并将得到的消息{H(H(K))}K2发送给QA2。

量子密钥分发设备QA2利用协商密钥K2对消息{H(H(K))}K2进行解密得到协商密钥H(H(K))，并在本地暂时保存，如图2所示。

对等可信节点的初始化协商方法

量子密钥分发设备QB根据QA请求信息中的QB2信息找到下级城域网络层QB1和用户网络层QB2，并向下层网络进行密钥分发。所述量子密钥分发设备QB对与量子密钥分发设备QA的协商密钥K进行哈希计算得到H(K)，并在本地暂时保存K。

QB与QB1通过量子密钥协商的方式生成协商密钥K3，QB利用所述协商密钥K3加密H(K)得到消息{H(K)}K3，并将得到的{H(K)}K3发送给所属成域网络层的量子密钥分发设备QB1。

量子密钥分发设备QB1利用协商密钥K3对{H(K)}K3进行解密，得到H(K)，并在本地暂时保存。QB1对H(K)进行哈希计算得到H(H(K))。QB1与QB2进行协商密钥得到协商密钥K4，并利用所述协商密钥K4对信息H(H(K))进行加密得到{H(H(K))}K4，并将得到的消息{H(H(K))}K4发送给QB2。

量子密钥分发设备QB2利用协商密钥K4对消息{H(H(K))}K4进行解密得到密钥H(H(K))，并在本地暂时保存。即H(H(K))为QA2和QB2的协商密钥。如图2所示。随后由QA2或QB2生成真随机数R0，使用H(H(K))加密后通过经典网络发送到对方，对方用H(H(K))解密得到R0，于是得到R0为双方的第一协商密钥。

初始化后的协商方法:

如图3所示，初始化后所述用户网络层量子密钥分发设备QA2欲再次与对等可信节点QB2协商密钥，由量子密钥分发设备QA2向量子密钥分发设备QA1发送请求信号。

量子密钥分发设备QA1根据量子密钥分发设备QB2信息索引自身密钥缓存区，取出上次密钥H(K)，QA1生成真随机数R，并利用所述密钥H(K)消息对R进行加密得到消息{R}H(K)，QA1将{R}H(K)通过经典网络发送给QB1。

QA1与QA2生成协商密钥K2'，用K2'加密R得到密文消息{R}K2'，并发送给QA2。

量子密钥分发设备QA2利用协商密钥K2'解密{R}K2'得到真随机数R。

量子密钥分发设备QB1收到{R}H(K)，取初始化密钥H(K)对密文消息{R}H(K)进行解密得到R。此外，量子密钥分发设备QB1还与QB2生成协商密钥K4'，并利用K4'对R进行加密得到{R}K4',发送给QB2。

QB2收到{R}K4'后利用协商密钥K4'对其进行解密得到真随机数R，即R为QA2与QB2的协商密钥，于是得到R为双方的第二协商密钥。

实施例2：

本实施例的其余部分与实施例相同，仅提出另一种初始化后的协商方法。

初始化后的协商方法2：

如图4所示，初始化后所述用户网络层量子密钥分发设备QA2欲与对等可信节点QB2协商密钥，由量子密钥分发设备QA2向量子密钥分发设备QA1发送请求信号，QA1向QA发送请求信号。

QA根据QB2信息索引自身密钥缓存区取出上次密钥K，并生成真随机数R’。

量子密钥分发设备QA利用协商密钥K对真随机数R′进行加密得到{R′}K，通过经典网络发送给QB。同时QA与QA1通过量子密钥协商的方式生成协商密钥K1′，并利用所述协商密钥K1′对真随机数R′进行加密得到{R′}K1′发送给QA1。

量子密钥分发设备QA1利用协商密钥K1′对密文消息{R′}K1′进行解密得到真随机数R′。QA1与QA2生成协商密钥K2″,利用所述协商密钥K2″对真随机数R′进行加密得到密文消息{R′}K2″，发送给QA2。

量子密钥分发设备QA2收到{R′}K2″后利用协商密钥K2″对密文消息{R′}K2″进行解密得到真随机数R′。

QB收到QA发过来的密文消息{R′}K，通过索引取初始化时的保留的协商密钥K对密文消息{R′}K进行解密得到真随机数R′。

量子密钥分发设备QB与量子密钥分发设备QB1生成协商密钥K3′，并利用所述协商密钥K3′对真随机数R′进行加密得到{R′}K3′发送给QB1。

量子密钥分发设备QB1收到密文消息{R′}K3′后，利用协商密钥K3′对其进行解密得到真随机数R′。此外，量子密钥分发设备QB1还与QB2生成协商密钥K4″，并利用所述协商密钥K4″对真随机数R′进行加密得到密文消息{R′}K4″发送给QB2。

量子密钥分发设备QB2收到密文消息{R′}K4″后，利用协商密钥K4″对其进行解密得到真随机数R′，即R′为QA2与QB2的第三协商密钥。

对技术效果的验证：

以图2所示场景为例，假设传统的量子密钥分发方法在量子保密通信干线上的可信节点数量为N(N≥2)个，即QA和QB之间有N-2个可信中继节点，而城域网络层和用户网络层节点仍然是4个(QA1、QA2、QB1、QB2)，则按照传统的量子密钥分发方法，QA到QB需要协商出N-1对密钥，然后QA2-QA1之间、QA1-QA之间、QB-QB1之间、QB1-QB2之间各一对，总共协商消耗的密钥对为(N-1)+4对，实际分发到用户目标节点的协商密钥为1对，密钥生成效率为1/(N+3)。

相同场景下，如果用本发明提出的方法，则初始化协商消耗的密钥对为(N-1+4)对，协商方法2消耗的密钥对为4对，协商方法1消耗的密钥对为2对，3种协商方法执行完毕后，实际分发到可信目标节点的协商密钥为3对，密钥生成效率为3/(N+9)。当N＝2时，传统的量子密钥分发方法的密钥生成效率为20％，本方法的密钥生成效率为27.3％；当N＝11时，传统的量子密钥分发方法的密钥生成效率为7.1％，本方法的密钥生成效率为15％。可见随着N的增大，密钥生成效率的提升更加明显。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.基于分层结构的量子密钥分发方法，其特征在于，该方法实施在存在可信节点的量子通信网络中，而所述可信节点配置含有量子随机数发生器的量子密钥分发设备；该方法包括步骤：

(1)从所述量子通信网络中选取若干可信节点作为根节点，然后将每个根节点覆盖范围内的节点分为若干层，从而将整个通信网络分为多个以根节点为顶点的通信树；

(2)相邻通信树之间进行初始密钥协商：

对于相邻的两个通信树，两个顶点之间先进行密钥协商得到本层的基础密钥K；

在同一个通信树内，顶点对K进行加密计算得到H(K)，然后与自己的子节点分别进行密钥协商，通过协商出的密钥把H(K)传递到所有子节点；子节点存储H(K)作为本层基础密钥，再对H(K)进行同样的加密计算得到H(H(K))，然后与自己下一层的子节点进行密钥协商，通过协商出的密钥把H(H(K))传递给自己的下一层子节点，以此类推，直至通信树内所有节点都分配到本层基础密钥；

(3)相邻通信树中两个同等级节点进行密钥协商时，采用以下任意一种方式：

方式1：发送方生成一定数量的量子随机数作为通信密钥，并通过本层基础密钥加密后传递给接收方，接收方采用自己的本层基础密钥解密后得到通信密钥；

方式2：发送方向本通信树中更高级别的节点逐层发送请求信号，高级别节点则生成一定数量的量子随机数作为通信密钥，然后逐层发送给发送方；发送方的高级别节点根据请求信号中的接收方信息，在另一个通信树中找到能路由到接收方的、与自己同等级的高级节点，然后发送方的高级别节点通过本层基础密钥将通信密钥加密后发送给另一个通信树中的高级节点，由另一个通信树中的高级节点逐层发送给接收方。

2.根据权利要求1所述的基于分层结构的量子密钥分发方法，其特征在于，所述加密计算为哈希计算。

3.根据权利要求1所述的基于分层结构的量子密钥分发方法，其特征在于，所述通信网络包括：量子保密通信卫星网络、量子保密通信干线、量子保密通信城域网、量子保密通信用户网络。

4.根据权利要求1所述的基于分层结构的量子密钥分发方法，其特征在于，所述方式1中，发送方将加密后的通信密钥通过经典信道发送给接收方。

5.根据权利要求1所述的基于分层结构的量子密钥分发方法，其特征在于，所述方式2中，发送方的高级别节点将加密后的通信密钥通过经典信道发送给接收方的高级别节点。

6.根据权利要求1所述的基于分层结构的量子密钥分发方法，其特征在于，若相邻通信树之间还存在可信中继节点，则两个顶点通过可信中继节点进行密钥协商：

发送方顶点生成量子随机数密钥K，然后与相邻可信中继节点进行密钥协商，用协商出的密钥将K传递给相邻可信中节点；可信中继节点先解密出K，再与下一跳相邻节点进行密钥协商，用协商出的密钥加密K，再传递给下一跳相邻节点；以此类推，直至将K传递给接收方顶点。

7.基于分层结构的量子密钥分发网络，其特征在于，包括若干可信节点，所述可信节点构成若干通信树，每个通信树包括顶点和各层子节点；相邻通信树之间按照权利要求1至6所述的方法进行密钥协商，并基于协商出的密钥实现保密通信。