CN114362937B - 一种量子保密通信动态选择qkd接入网络架构及密钥生成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种量子保密通信动态选择QKD接入网络架构及密钥生成方法，包括用户端节点、接入网节点以及接入节点/骨干网节点，其中：所述用户端节点包括多个用户端KM，每个用户端KM连接一个用户端QKD；所述接入网节点包括一个接入网KM和多个接入网QKD；所述接入网KM通过光纤与用户端QKD以及接入网QKD通过光纤连接；所述接入网KM通过经典数据网络与所有的用户端KM连接；所述接入网KM通过光纤与接入节点/骨干网节点连接；所述用户端QKD通过量子信道复用设备和接入网QKD连接；所述接入网QKD与接入节点/骨干网节点连接；所述接入网KM、用户端KM以及用户端QKD均将接入到互联网中。本发明减少用户端QKD的部署的数量，减少物理通信链路的复杂度和降低了部署的成本和运维成本。
Description
技术领域
本发明涉及量子保密通信与量子网络技术领域，具体涉及一种量子保密通信动态选择QKD接入网络架构及密钥生成方法。
背景技术
量子保密通信是结合量子密钥分发和密码技术的密码通信技术。基于量子力学的量子密钥分发技术可以实现无条件安全的密钥分发，结合OTP加密可以确保加密通信的无条件安全性，与对称密码技术结合，也可以抵御现有公钥密码被量子计算攻破的威胁。量子保密通信技术，主要是量子密钥分发技术的出现及其实用化，为传统信息安全技术的发展开辟了一条新的道路。
近十年来，国外已经建造了一系列的小规模量子保密通信技术验证网络，从局域网、城域网到城际网，同时，国内也先后开展多项重大技术研究，针对量子保密通信局域网、城域网、城际网和广域网开展相关工作，包括用于连接城域网的量子通信京沪干线工程、计划开展构建的星地一体化广域量子通信网络等，这些都为量子保密通信网络组网提供了相关的实践和经验总结。
接入网实际上是由多个以KM为关键功能的节点组成的网络。KM下挂多个QKD组，它与相邻节点(包括用户端节点、接入网节点、骨干网节点)的QKD以光纤互联。KM和相邻节点的KM或者用户端节点通过经典的数据通信网络互联。KM根据KMS下发的路由表，进行中继密钥的转发。
现有技术的量子保密通信动态选择QKD接入网接入节点QKD与用户端QKD需要一对一的进行连接，所以需要在接入节点部署较多的QKD来满足这些需求，这必然会增加了链路的复杂度；每当在用户端节点添加一个新用户(添加一套KM+QKD)时，就需要在接入节点增加一个QKD与其配对，因为接入节点物理条件的约束，不能无限制增加设备，从而限制了用户端新用户的扩充；成本来说会增加部署的成本以及运行维护的成本；由于用户节点存在使用密钥的频率小或者使用密钥的时间短现象，这都会降低QKD的利用率。
因此，需要对现有动态选择QKD接入网进行改进减少物理通信链路的复杂度，可以随意增加用户端节点的用户，降低部署和运维成本，提高接入网节点的QKD的利用率。
发明内容
为了解决上述技术问题，提出了减少物理通信链路的复杂度，可以随意增加用户端节点的用户，降低部署和运维成本，提高接入网节点的QKD的利用率的一种量子保密通信动态选择QKD接入网络架构及方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：一种量子保密通信动态选择QKD接入网络架构，包括用户端节点、接入网节点以及骨干网节点KMS，其中：
所述用户端节点包括多个用户端KM，每个用户端KM连接一个用户端QKD；
所述接入网节点包括一个接入网KMnode和多个接入网QKDnode；所述接入网KMnode通过光纤与用户端QKD以及接入网QKDnode通过光纤连接；所述接入网KMnode通过经典数据网络与所有的用户端KM连接；所述接入网KMnode通过光纤与接入节点/骨干网节点KMS连接；
所述用户端QKD通过量子信道复用设备与接入网QKDnode连接；
所述接入网KMnode、用户端KM以及用户端QKD均将接入到互联网中；
所述用户端KM向KMS周期性上报密钥量信息，所述KMS转发密钥量信息到接入网KM，所述接入网KMnode用于向KMS来获取用户端KM的密钥量信息通过控制量子信道复用设备动态选择QKD进行密钥生成。
优选地，所述接入网KMnode向KMS获取用户端KM的密钥量信息的过程如下：
步骤S1-1：用户端KM与KMS建立网络连接；
步骤S1-2：接入网节点KMnode与KMS建立网络连接；
步骤S1-3：用户端KM将本机ID号码发送给KMS；
步骤S1-4：用户端KM周期上报当前密钥量信息到KMS；
步骤S1-5：接入网节点KMnode发送获取用户端KM的密钥量命令请求到KMS；
步骤S1-6：KMS转发用户端KM的密钥量信息给所述接入网节点KMnode。
优选地，所述用户端KM向KMS周期性上报密钥量信息的过程如下：
步骤S2-1：用户端KM向KMS上报当前密钥量信息；
步骤S2-2：用户端KM休眠一段时间；
步骤S2-3：KMS判断密钥量是否由变化，如果密钥量有变化，则跳转到步骤S2-1执行；如果密钥量没有变化，则判断该任务是否有异常；
步骤S2-4：如果任务有异常，结束处理；如果任务没有异常，则跳转到步骤S2-2。
优选地，所述KMS转发密钥量信息到接入网KM的过程如下：
步骤S3-1：KMS创建服务端网络接口，并通过网络接口接收KM客户端的ID号以及
用户端KM主动上报密钥量信息；
步骤S3-2：所述KMS接收接入网节点KM请求获取密钥量的命令；
步骤S3-3：所述KMS转发用户端KM密钥量信息给接入网节点的KMnode；
步骤S3-4：所述KMS休眠一段时间
所述KMS判断S3-1至S3-3是否异常，如果是，则退出接收信息；如果否，则执行步骤S3-4。
一种量子保密通信动态选择QKD密钥生成方法，应用了上述的一种量子保密通信动态选择QKD接入网络架构，该方法包括以下步骤：
步骤1：所述KMS记录上一个周期用户端KM的密钥量信息，设该记录为last_record；
步骤2：接入网节点KMnode经过KMS获取当前用户端KM密钥量信息；
步骤3：接入网节点KMnode根据当前不同用户端KM的密钥量按照由少到多进行排序，生成数据列表seq1；
步骤4：接入网节点KMnode将当前不同用户端KM的密钥量信息与上一个周期用户端KM密钥量last_record相减，得到密钥减少速率；
步骤5：接入网节点KMnode根据密钥量减少速率由大到小进行排序，生成数据列表seq2；
步骤6：接入网节点KMnode读取用户端KM的配置文件获取一个用户端KM设置的阈值；
步骤7：接入网节点KMnode将seq1中小于所述阈值的用户端KM的密钥量，按照密钥量减少速率由大到小的排序列表进行排序，生成seq3；
步骤8：接入网节点KMnode将seq1中大于等于阈值，同样按照密钥量减少速率由大到小的排序列表进行排序，生成seq4；
步骤9：接入网节点KMnode将seq4数列排在seq3后面，生成seq5；
步骤10：接入网节点KMnode读取当前接入网节点中QKDnode连接用户端QKD的个数，设个数为N；
步骤11：根据接入网节点中QKD的个数，在seq5中选择前N个高优先级的用户端
KM进行QKD配对，用以量子密钥的生成；
步骤12：经历一个固定时间间隔T，T的取值为小于60秒。
步骤13：重新跳转到步骤1重复上述操作。
发明有益的技术效果：本发明的网络架构中设置有量子信道复用器，采用了接入网KM用户端节点每个用户的密钥量的多少以及当前的密钥量的实时减少率来确定优先级，进而控制量子信道复用设备进行信道切换，使接入网节点QKD进行全负荷的密钥生成工作，减少物理通信链路的复杂度，可以随意增加用户端节点的用户，降低部署和运维成本，提高接入网节点的QKD的利用率。
附图说明
图1为本发明一种量子保密通信动态选择QKD接入网络架构整体结构框图；
图2为本发明一种量子保密通信动态选择QKD密钥生成方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明，但本发明要求保护的范围并不局限于下述具体实施例。
如图1所示，一种量子保密通信动态选择QKD接入网络架构，包括用户端节点、接入网节点以及接入节点/骨干网节点，其中：
所述用户端节点包括多个用户端KM，每个用户端KM连接一个用户端QKD；
所述接入网节点包括一个接入网KMnode和多个接入网QKDnode；
所述接入网KMnode通过经典网络与接入网QKDnode连接；
所述接入网KMnode通过经典网络与所有的用户端KM连接；
所述接入网KMnode通过光纤与接入节点/骨干网节点NODE连接；
所述用户端QKD通过量子信道复用设备和接入网QKDnode连接；
所述接入网QKDnode与接入节点/骨干网节点NODE连接；
所述接入网KMnode、用户端KM以及用户端QKD均将接入到互联网中；
所述接入网KMnode用于向KMS获取用户端KM的密钥量信息；所述接入网KMnode通过控制量子信道复用设备动态选择一个接入网QKDnode进行密钥生成。
在图1中，K1：表示用户端KM与接入网节点KM通过经典网络通信；
K2：表示KM与下挂的QKD之间通过经典网络通信；
K3：表示接入网节点之间通过经典网络通信；
Q1：收发配对的QKD设备之间通过量子信道进行通信；
IR1：收发配对的QKD之间通过经典网络通信；
用户端节点下挂的QKD与接入网节点下挂的QKDnode配对来制备对称的量子密钥，并将密钥通过网络传输到所属的KM保存起来。
量子密钥中继过程主要是由用户端节点KM中选择密钥，经过接入网节点或骨干网节点，中继到对端用户端节点KM，实现远距离对称密钥的分发。
优选地，所述接入网KMnode向KMS获取用户端KM的密钥量信息的过程如下：
步骤S1-1：用户端KM与KMS建立网络连接；
步骤S1-2：接入网节点KMnode与KMS建立网络连接；
步骤S1-3：用户端KM将本机ID号码发送给KMS；
步骤S1-4：用户端KM周期上报当前密钥量信息到KMS；
步骤S1-5：接入网节点KMnode发送获取用户端KM的密钥量命令请求到KMS；
步骤S1-6：KMS转发用户端KM的密钥量信息给所述接入网节点KMnode。
优选地，所述用户端KM向KMS周期性上报密钥量信息的过程如下：
步骤S2-1：用户端KM向KMS上报当前密钥量信息；
步骤S2-2：用户端KM休眠一段时间；
步骤S2-3：KMS判断密钥量是否由变化，如果密钥量有变化，则跳转到步骤S2-1执行；如果密钥量没有变化，则判断该任务是否有异常；
步骤S2-4：如果任务有异常，结束处理；如果任务没有异常，则跳转到步骤S2-2执行。
优选地，所述KMS转发密钥量信息到接入网KM的过程如下：
步骤S3-1：KMS创建服务端网络接口，并通过网络接口接收KM客户端的ID号以及
用户端KM主动上报密钥量信息；
步骤S3-2：所述KMS接收接入网节点KM请求获取密钥量的命令；
步骤S3-3：所述KMS转发用户端KM密钥量信息给接入网节点的KMnode；
步骤S3-4：所述KMS休眠一段时间；所述KMS判断步骤S3-1到步骤S3-3是否异常；
如果是，则退出接收信息；如果否，则执行步骤S3-4。
一种量子保密通信动态选择QKD密钥生成方法，应用了上述的一种量子保密通信动态选择QKD接入网络架构，该方法包括以下步骤：
步骤1：KMS记录上一个周期用户端KM的密钥量信息，设该记录为last_record；
步骤2：接入网节点KMnode经过KMS获取当前用户端KM密钥量信息；
步骤3：接入网节点KMnode根据当前不同用户端KM的密钥量按照由少到多进行排序，生成数据列表seq1；
步骤4：接入网节点KMnode将当前不同用户端KM的密钥量信息与上一个周期用户端KM密钥量last_record相减，得到密钥减少速率；
步骤5：接入网节点KMnode根据密钥量减少速率由大到小进行排序，生成数据列表seq2；
步骤6：接入网节点KMnode读取用户端KM的配置文件获取一个用户端KM设置的阈值；
步骤7：接入网节点KMnode将seq1中小于所述阈值的用户端KM的密钥量，按照密钥量减少速率由大到小的排序列表进行排序，生成seq3；
步骤8：接入网节点KMnode将seq1中大于等于阈值，同样按照密钥量减少速率由大到小的排序列表进行排序，生成seq4；
步骤9：接入网节点KMnode将seq4数列排在seq3后面，生成seq5；
步骤10：接入网节点KMnode读取当前接入网节点中QKDnode连接用户端QKD的个数，设个数为N；
步骤11：根据接入网节点中QKD的个数，在seq5中选择前N个高优先级的用户端
KM进行QKD配对，用以量子密钥的生成；
步骤12：经历一个固定时间间隔T(0<T<60，最佳值是10，单位：秒)；
步骤13：重新跳转到步骤1重复上述操作。
接入网节点KMnode根据以上步骤计算的seq5的结果，动态控制切换量子信道复用器，选择优先级高的用户端KM进行QKD配对，用以量子密钥的生成。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对发明构成任何限制。
Claims (5)
1.一种量子保密通信动态选择QKD接入网络架构，其特征在于，包括用户端节点、接入网节点以及骨干网节点KMS，其中：
所述用户端节点包括多个用户端KM，每个用户端KM连接一个用户端QKD；
所述接入网节点包括一个接入网KMnode和多个接入网QKDnode；所述接入网KMnode通过光纤与用户端QKD以及接入网QKDnode连接；所述接入网KMnode通过经典数据网络与所有的用户端KM连接；所述接入网KMnode通过光纤与骨干网节点KMS连接；
所述用户端QKD通过量子信道复用设备与接入网QKDnode连接；
所述接入网KMnode、用户端KM以及用户端QKD均接入到互联网中；
所述用户端KM周期性向所述KMS上报密钥量信息，所述KMS转发密钥量信息到接入网KMnode，所述接入网KMnode用于向KMS来获取用户端KM的密钥量信息通过控制量子信道复用设备动态选择QKD进行密钥生成；
所述KMS转发密钥量信息到接入网KMnode的过程如下：
步骤S3-1：KMS创建服务端网络接口，并通过网络接口接收客户端KM的ID号以及用户端KM主动上报密钥量信息；
步骤S3-2：所述KMS接收接入网节点KMnode请求获取密钥量的命令；
步骤S3-3：所述KMS转发用户端KM密钥量信息给接入网节点的KMnode；
步骤S3-4：所述KMS休眠一段时间；
所述KMS判断S3-1至S3-3是否异常，如果是，则退出接收信息；如果否，则执行步骤S3-4。
2.如权利要求1所述的一种量子保密通信动态选择QKD接入网络架构，其特征在于，
所述接入网KMnode向KMS获取用户端KM的密钥量信息的过程如下：
步骤S1-1：用户端KM与KMS建立网络连接；
步骤S1-2：接入网节点KMnode与KMS建立网络连接；
步骤S1-3：用户端KM将本机ID号码发送给KMS；
步骤S1-4：用户端KM周期上报当前密钥量信息到KMS；
步骤S1-5：接入网节点KMnode发送获取用户端KM的密钥量命令请求到KMS；
步骤S1-6：KMS转发用户端KM的密钥量信息给所述接入网节点KMnode。
3.如权利要求1所述的一种量子保密通信动态选择QKD接入网络架构，其特征在于，所述用户端KM向KMS周期性上报密钥量信息的过程如下：
步骤S2-1：用户端KM向KMS上报当前密钥量信息；
步骤S2-2：用户端KM休眠一段时间；
步骤S2-3：KMS判断密钥量是否由变化，如果密钥量有变化，则跳转执行S2-1；
如果密钥量没有变化，则判断任务是否有异常；
步骤S2-4：如果任务有异常，结束处理；如果任务没有异常，则跳转执行S2-2。
4.一种量子保密通信动态选择QKD密钥生成方法，应用了如权利要求1-3任一所述的一种量子保密通信动态选择QKD接入网络架构，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1：所述KMS记录上一个周期用户端KM的密钥量信息，设该记录为last_record；
步骤2：接入网节点KMnode通过KMS获取当前用户端KM密钥量信息；
步骤3：接入网节点KMnode根据当前不同用户端KM的密钥量按照由少到多进行排序，生成数据列表seq1；
步骤4：接入网节点KMnode将当前不同用户端KM的密钥量信息与上一个周期用户端KM密钥量last_record相减，得到密钥减少速率；
步骤5：接入网节点KMnode根据密钥量减少速率由大到小进行排序，生成数据列表seq2；
步骤6：接入网节点KMnode读取用户端KM的配置文件获取一个用户端KM设置的阈值；
步骤7：接入网节点KMnode将seq1中小于所述阈值的用户端KM的密钥量，按照密钥量减少速率由大到小的排序列表进行排序，生成seq3；
步骤8：接入网节点KMnode将seq1中大于等于阈值的用户端KM的密钥量，按照密钥量减少速率由大到小的排序列表进行排序，生成seq4；
步骤9：接入网节点KMnode将seq4数列排在seq3后面，生成seq5；
步骤10：接入网节点KMnode读取当前接入网节点中QKDnode连接用户端QKD的个数，设个数为N；
步骤11：根据接入网节点中QKD的个数，在seq5中选择前N个高优先级的用户端KM进行QKD配对，用以量子密钥的生成；
步骤12：经历一个固定时间间隔T；
步骤13：重新跳转到步骤1重复上述操作。
5.如权利要求4所述的一种量子保密通信动态选择QKD密钥生成方法，其特征在于，所述T的取值为小于60s。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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