CN114915417A - 一种物联网边缘侧安全分发量子密钥的方法 - Google Patents

一种物联网边缘侧安全分发量子密钥的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种物联网边缘侧安全分发量子密钥的方法，通信双方通过导频信号传输对信道特征进行双向探测并采样，然后进行信号预处理；随后采用改进后的基于差分值的量化方法，将获得的信道测量值转化为二进制比特序列，从而成为预备密钥材料；再基于Cascade协议，检测和纠正一对合法参与通信双方之间预备密钥材料中不一致的比特；利用Hash函数进行隐私放大过程，通过隐私放大允许通信双方从预备密钥中提取一个更短但保密的密钥；最后采用生成的密钥对量子密钥进行加密传输，将量子密钥从边缘网关安全分发至物联网终端设备。本方法利用无线信道电磁波传播的互易性特征，将无线信道作为生成对称密钥的天然随机源，避免了复杂的密钥分发过程。

Description

一种物联网边缘侧安全分发量子密钥的方法
技术领域
本发明属于信息安全技术领域，公开了无线密钥生成技术在新领域的应用，具体涉及一种在物联网边缘侧安全分发量子密钥的方法。
背景技术
物联网是数字转型时代最热门的技术之一，随着物联网的广泛应用，其安全可靠性问题成为关注的焦点。物联网许多物联网终端的存储、计算能力有限，在其上部署安全软件或者高复杂度的加解密算法会增加运行负担，甚至可能导致无法正常运行，而部分移动终端的移动化更导致依托于网络边界的安全产品无法发挥正常作用。为提高物联网安全，考虑将量子密钥应用于物联网安全通信。
量子保密通信是利用量子力学基本原理和“一次一密”加密体制来实现信息安全传递的一种全新的保密通信方法，它具有超强安全性和超高隐蔽性等特点。量子密钥分发是量子通信的一门分支，是量子力学和经典通信中的信息论相互结合的一门交叉学科，其主要目的是利用量子技术使得通信双方能够在信息不被窃取的情况下实现无条件地获得安全密钥信息。量子力学的基本原理保证其理论上无条件的安全性，其中“量子不可克隆定理”与“海森堡测不准原理”能够实现量子密钥的安全分发传输。目前，量子密钥分发技术已成为密钥研究领域的一大热门。
当前，在物联网边缘侧分发量子密钥至用户时，一般采取对称加密方案或非对称加密方案，但对称加密方案需要额外的密钥分发过程，而非对称加密方案则面临计算复杂度高的问题。此外，若采用离线量子密钥传递机制，则存在安全性差、实用性差的问题。因而，在物联网边缘侧量子密钥分发实现过程中避免复杂的对称密钥分发过程，降低计算复杂度，并确保方法的安全性和实用性，是急需解决的问题。
发明内容
本发明正是为实现物联网边缘侧量子密钥安全、及时地分发至物联网中距离较远或通信频率较高的物联网终端，提供一种物联网边缘侧安全分发量子密钥的方法，通信双方通过导频信号传输对信道特征进行双向探测并采样，然后进行信号预处理；随后采用改进后的基于差分值的量化方法，将获得的信道测量值转化为二进制比特序列，从而成为预备密钥材料；再基于Cascade协议，检测和纠正一对合法参与通信双方之间预备密钥材料中不一致的比特；利用 Hash函数进行隐私放大过程，通过隐私放大允许通信双方从预备密钥中提取一个更短但保密的密钥；最后采用生成的密钥对量子密钥进行加密传输，将量子密钥从边缘网关安全分发至物联网终端设备。本方法利用无线信道电磁波传播的互易性特征，将无线信道作为生成对称密钥的天然随机源，从接收射频信号中提取互易的上下行信道的参数，转化为用于分发量子密钥的对称密钥，实现一次一密的安全传输。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：一种物联网边缘侧安全分发量子密钥的方法，包括如下步骤：
S1，信道探测及预处理：通信双方通过导频信号传输对信道特征进行双向探测并采样，然后进行信号预处理，所述信号预处理至少包括提前校准和适用变换域算法；
S2，量化：采用改进后的基于差分值的量化方法，将步骤S1获得的信道测量值转化为二进制比特序列，从而成为预备密钥材料；
S3，信息协调：基于Cascade协议，检测和纠正一对合法参与通信双方之间预备密钥材料中不一致的比特；
S4，隐私放大：利用Hash函数进行隐私放大过程，通过隐私放大允许通信双方从预备密钥中提取一个更短但保密的密钥；
S5，分发量子密钥：采用生成的密钥对量子密钥进行加密传输，将量子密钥从边缘网关安全分发至物联网终端设备。
作为本发明的一种改进，所述步骤S1进一步包括：
S11，在第ith个采样时刻，信号发送方向信号接收方发送一个请求包，信号接收方获得CSI幅度测量值
Figure RE-GDA0003737885740000031
S12，经过一个时间延迟Δt后，信号接收方用一个数据包回复给信号发送方，信号发送方也将测量相同的参数并且得到CSI幅度测量值
Figure RE-GDA0003737885740000032
S13，通信双方每隔一段时间重复步骤S11及S12，以避免产生相关的采样，最终获得原始测量结果；
S14，根据步骤S13获得的测量结果，提前校准硬件；
S15，通过0-1归一化方法，对得到的CSI幅度数据进行处理；
S16，使用变换域算法，通过DCT变换，得到裁剪过的较小时频矩阵，去除时频响应中的冗余，抑制噪声。
作为本发明的一种改进，所述步骤S2进一步包括：
S21：接受信道测量值，并对其进行平均预处理，将每一个CSI幅度测量值与之后9个幅度测量值量化平均，得到具有高度一致性、可以用于二进制密钥序列提取的CSI幅度波形；
S22：对量化平均后得到的CSI幅度测量值序列逐元素检查，若正在检查的测量值同时大于序列中前后测量值，则生成2位bit：11；若正在检查的测量值大于序列中前一测量值且小于后一测量值，则生成2位bit：10；若正在检查的测量值小于序列中前一测量值且大于下一测量值，则生成2位bit：01；若正在检查的测量值同时小于序列中前一测量值和后一测量值，则生成2位bit：00；若正在检查的测量值与前一测量值或后一测量值相等，则不生成比特位，并在辅助数组中记录出现相等的位置，当通信双方出现生成密钥长度不一致时，在信道上交换辅助数组，并各自删除对方出现相等时己方产生的2位bit；
S23，将S22中逐位产生的bit序列按顺序拼接，即初步确定为量化生成的密钥。
作为本发明的一种改进，所述步骤S3进一步包括：
S31，通信双方将各自的比特串进行一个随机商定的置换，使置换后的比特串中的错误比特尽可能均匀的分布；
S32，将置换后的比特串分成长度固定的小段，然后对每个小段进行纠错，每小段的错误比特数小于等于1；
S33，双方交换对应小段的校验和，对于校验和不同的小段，双方使用二分法纠错，此时不删除任何比特；
S34，通过分块后初检出的错误和之前的分块情况检出新的错误；
S35，重复步骤S31-S34，直至没有错误的比特为止。
作为本发明的又一种改进，所述步骤S4进一步包括：
S41，选取三个密码学哈希函数SHA-3、SM3和BLAKE作为备选哈希函数；
S42，双方协商选取相同的哈希函数；
S43，将双方协商后一致的密钥输入Hash函数，将最终的密钥大小n位缩小到r (r<n)位来消除公共信道上的泄露信息，将协商后一致的密钥转换为完全安全的密钥。
与现有技术相比：本发明提出了一种物联网边缘侧安全分发量子密钥的方法，利用无线信道电磁波传播的互易性特征，将无线信道作为生成对称密钥的天然随机源，从接收射频信号中提取互易的上下行信道的参数，转化为用于分发量子密钥的对称密钥，实现一次一密的安全传输，同时避免了复杂的密钥分发过程。此外，本方法在采集到信道状态信息后会消除大尺度衰落，以获得随机性更强的小尺度衰落系数。在随后的量化过程中，考虑到目前通用的基于累计分布函数的量化方法中，存在计算量较大、连续的格雷码块导致随机性降低等问题，本方法在量化中采用了基于差分值的量化方法，在已有算法的基础上进行了改进，以解决基于累计分布函数的量化方法中存在的问题。
附图说明
图1为本发明一种物联网边缘侧安全分发量子密钥方法的步骤流程图；
图2为本发明方法步骤S1中信道采样时序过程图；
图3为本发明方法步骤S2中量化步骤流程图；
图4为本发明方法步骤S3中信息协调步骤流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1
本实施例中的符号及其定义如下表1所示：
表1
Figure RE-GDA0003737885740000051
如图1所示，一种在物联网边缘侧安全分发量子密钥的方法，主要包括如下步骤：
步骤S1，信道探测及预处理：通信双方通过导频信号传输对信道特征进行双向探测并采样，然后进行信号预处理，所述信号预处理至少包括提前校准和适用变换域算法；
用户通过数据包传输对信道进行采样，基于时分双工(TDD)系统的信道采样时序过程如图2所示，本实施例中，通信发送方记为Alice，通信接收方记为 Bob。在第ith个采样时刻Alice向Bob发送一个请求包，随后Bob可以获得CSI 幅度测量值
Figure RE-GDA0003737885740000061
经过一个时间延迟Δt(Δt远小于相干时间Tc)后，Bob用一个数据包回复给Alice，Alice也将测量相同的参数并且得到CSI幅度测量值
Figure RE-GDA0003737885740000062
由于在TDD方案中，两个方向上使用相同的载波频率，除非遇到强的频率选择性衰落和不同的同信道干扰，在相干时间Tc内，复值信道包络保持接近恒定。因此Alice和Bob可以得到高度相关的测量结果。Alice和Bob将每隔一段时间Ts重复上述采样(Ts>Tc)，以避免产生相关的采样。
在信道探测阶段，Alice和Bob并不会解密接收到的信息，他们只是利用这些采样导频和公共链路来测量信道。此外，如果必须避免额外的数据包传输，合法用户还可以依赖有效负载数据包的方法对信道进行采样。
通信双方在发送相同强度的导频信号后，双方接收到的信号之间高度相关，但并不是完全相同，因为尽管无线信道是对称的，然而无线信道的测量值却并不完全相同，测量值的不同直接导致Alice和Bob端的密钥不匹配，甚至无法生成安全比特。这主要源于原始信道中的两个问题，即信道的互异性损失和采样自相关，信道互易性损失是由硬件不平衡、衰落、干扰不平衡和信道噪声等问题引起的，硬件不平衡即通信双方接收机硬件导致的噪声等问题。采样自相关则是指当两个探测在相同的相干时间或相干带宽内时，相邻测量之间会出现不期望的自相关，这将产生冗余。
针对信道测量中的两个问题，本发明可应用信号预处理算法，硬件的不对称性可以通过提前校准来缓解，信道测量中存在的干扰、噪声和自相关问题通过使用变换域算法解决。
信号预处理的过程具体包括如下的子步骤：
首先，通过学习的方式获得硬件的硬件指纹，在探测时，减去该噪声。
然后，使用0-1归一化方法对测得的CSI幅度数据进行处理。
最后，以密集的方式重复发送训练序列，测得时变频率响应矩阵，然后通过DCT变换把矩阵变换到“频率域”，保留能量较多的低频分量后再进行一次 DCT变换，得到裁剪过的较小的时频矩阵。通过DCT变换去除时频响应中冗余的同时也抑制了噪声。
步骤S2，量化：采用改进后的基于差分值的量化方法，将步骤S1获得的信道测量值转化为二进制比特序列，从而成为预备密钥材料；
当信道探测及预处理过程完成后，按照图3所示的量化步骤流程采用量化算法将原始信道测量值转化为可以初步确定为密钥的二进制比特序列。本方法使用改进后的基于差分值的量化算法，考虑到接受方与发送方的波形在平均意义上具有一致性，对于接受到的CSI波形可以进行预处理：每一个CSI幅度测量值与之后9个幅度测量值进行量化平均，由此得到的CSI幅度波形具有高度一致性，从而可以进行提取密钥。具体的算法伪代码如下所示：
Figure RE-GDA0003737885740000071
所述量化步骤具体包括：
S21,：取得信道测量值Xu(该测量值已经基本预处理而减少噪声等影响)，对其进行平均预处理，使用公式(x)将每个CSI幅度测量值与其后9个测量值量化平均，得到具有高度一致性、可以用于提取密钥的CSI幅度测量值序列 Yu(i)。
Figure RE-GDA0003737885740000081
S22：根据Yu(i)，逐元素生成对应比特元组：若Yu(i)>Yu(i-1)且 Yu(i)>Yu(i+1)，生成2bit：11；若Yu(i)>Yu(i-1)且Yu(i)<(i+1)，生成2bit： 10；若Yu(i)<Yu(i-1)且Yu(i)>Yu(i+1)，生成2bit：01；若Yu(i)<(i-1)且 Yu(i)<(i+1)，生成2bit：00；若在精度范围内，Yu(i)＝Yu(i-1)或Yu(i)＝ Yu(i+1)，则不生成比特位，并在辅助数组中记录出现相等的位置，当通信双方出现生成密钥长度不一致时，在信道上交换辅助数组，并各自删除对方出现相等时己方产生的2位bit。
S23：将:步骤S22中生成的比特元组按顺序拼接成比特序列，即得到初步确定为密钥的比特串
Figure RE-GDA0003737885740000082
步骤S3，信息协调：基于Cascade协议，检测和纠正一对合法参与通信双方之间预备密钥材料中不一致的比特；
在量化过程完成后，通过图4所示的具体流程对通信双方获取的比特串进行信息协调，来调整双方不匹配的比特，保证双方生成的是一对用于密码学应用的同一对称密钥，所述步骤具体包括：
S31:通信双方进行随机置换方法的商定，将整个比特串进行重排，以保证错误的比特以均匀的概率出现在各个位置上。
S32:通信双方选取一个合适的分块大小ki，每一轮纠错，分块大小都变成之前的两倍，即ki＝2ki-1。按照ki的大小对双方的比特串进行分块得到Ki。
S33:在分好的每一块中，进行二分纠错，二分纠错的方法如下。首先对每一块对半分为两个小块，通信双方通过公共信道交换前一个子块的校验和，同时双方都以同样的方法计算校验和，假如校验和不同，则对该子块进行二分纠错，假如校验和相同，则对另外一子块进行二分纠错，直到找出错误的比特的位置li。
S34:通过在步骤S33中寻找出的错误，可以对以前所有轮中分块，所有分块组成的集合为Bi进行再次纠错，即li所在的分块
Figure RE-GDA0003737885740000091
一定存在另一个可以纠正的错误，对Bl所组成的集合C按块的大小从小到大进行二分纠错，该过程可能会增加或减少该集合的大小，直到该集合清空，即当前所有分块的错误数都为偶数(可能为0)。
S35：重复上述过程，直到双方比特串间没有任何错误，根据计算，进行4 轮上述过程即可将小于104比特的密钥中的全部错误纠正完毕。
步骤S4，隐私放大：利用Hash函数进行隐私放大过程，通过隐私放大允许通信双方从预备密钥中提取一个更短但保密的密钥；
在信息协调过程完成后，通过隐私放大允许通信双方从公共随机变量中提取出来一个更短但几乎完全保密的密钥，本方法利用Hash函数进行隐私放大过程，所述步骤具体包括：
S51：选取三个密码学哈希函数SHA-3、SM3和BLAKE作为备选哈希函数。
S52：假设有一个长度为n的随机二进制序列qi(这里qi,a代表Alice的密钥,
Figure RE-GDA0003737885740000092
代表Bob的密钥)。假设n是某个整数(n需要是一个偶数，后续需要将该密钥序列二等分)，将qi分成两个等长的序列qi＝qi,1‖qi,2，每个长度为n/2。Alice 和Bob通过计算等式
Figure RE-GDA0003737885740000093
可以协商出相同的哈希函数 (例如0对应SHA-3，1对应SM3)，其中p是候选哈希函数的个数，在本方案中 p＝3，以及l＝n/2。
S53：将双方协商后一致的密钥输入Hash函数，将最终的密钥大小n位缩小到r(r<n)位来消除公共信道上的泄露信息，将协商后一致的密钥转换为完全安全的密钥。
步骤S5，分发量子密钥：采用生成的密钥对量子密钥进行加密传输，将量子密钥从边缘网关安全分发至物联网终端设备。
在上述所有步骤完成后，通信双方获得了可用于密码学应用的同一对称密钥，使用该密钥对量子密钥进行加密传输，实现量子密钥从物联网边缘网关安全分发至物联网终端设备。
本方法在物联网边缘侧，将基于无线信道特征生成的密钥来加密传输量子密钥，来保证量子密钥由边缘网关安全分发至物联网终端设备，进而保证物联网终端设备的安全通信。且本方法利用无线信道电磁波传播的互易性特征，将无线信道作为生成对称密钥的天然随机源，从接收射频信号中提取互易的上下行信道的参数，转化为用于分发量子密钥的对称密钥，实现一次一密的安全传输，同时避免了复杂的密钥分发过程。
需要说明的是，以上内容仅仅说明了本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种物联网边缘侧安全分发量子密钥的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，信道探测及预处理：通信双方通过导频信号传输对信道特征进行双向探测并采样，然后进行信号预处理，所述信号预处理至少包括提前校准和适用变换域算法；
S2，量化：采用改进后的基于差分值的量化方法，将步骤S1获得的信道测量值转化为二进制比特序列，从而成为预备密钥材料；
S3，信息协调：基于Cascade协议，检测和纠正一对合法参与通信双方之间预备密钥材料中不一致的比特；
S4，隐私放大：利用Hash函数进行隐私放大过程，通过隐私放大允许通信双方从预备密钥中提取一个更短但保密的密钥；
S5，分发量子密钥：采用生成的密钥对量子密钥进行加密传输，将量子密钥从边缘网关安全分发至物联网终端设备。
2.如权利要求1所述的一种物联网边缘侧安全分发量子密钥的方法，其特征在于：所述步骤S1进一步包括：
S11，在第ith个采样时刻，信号发送方向信号接收方发送一个请求包，信号接收方获得CSI幅度测量值XB(i)；
S12，经过一个时间延迟Δt后，信号接收方用一个数据包回复给信号发送方，信号发送方也将测量相同的参数并且得到CSI幅度测量值XA(i)；
S13，通信双方每隔一段时间重复步骤S11及S12，以避免产生相关的采样，最终获得原始测量结果；
S14，根据步骤S13获得的测量结果，提前校准硬件；
S15，通过0-1归一化方法，对得到的CSI幅度数据进行处理；
S16，使用变换域算法，通过DCT变换，得到裁剪过的较小时频矩阵，去除时频响应中的冗余，抑制噪声。
3.如权利要求1所述的一种物联网边缘侧安全分发量子密钥的方法，其特征在于：所述步骤S2进一步包括：
S21：接受信道测量值，并对其进行平均预处理，将每一个CSI幅度测量值与之后9个幅度测量值量化平均，得到具有高度一致性、可以用于二进制密钥序列提取的CSI幅度波形；
S22：对量化平均后得到的CSI幅度测量值序列逐元素检查，若正在检查的测量值同时大于序列中前后测量值，则生成2位bit：11；若正在检查的测量值大于序列中前一测量值且小于后一测量值，则生成2位bit：10；若正在检查的测量值小于序列中前一测量值且大于下一测量值，则生成2位bit：01；若正在检查的测量值同时小于序列中前一测量值和后一测量值，则生成2位bit：00；若正在检查的测量值与前一测量值或后一测量值相等，则不生成比特位，并在辅助数组中记录出现相等的位置，当通信双方出现生成密钥长度不一致时，在信道上交换辅助数组，并各自删除对方出现相等时己方产生的2位bit；
S23，将S22中逐位产生的bit序列按顺序拼接，即初步确定为量化生成的密钥。
4.如权利要求2或3所述的一种物联网边缘侧安全分发量子密钥的方法，其特征在于：所述步骤S3进一步包括：
S31，通信双方将各自的比特串进行一个随机商定的置换，使置换后的比特串中的错误比特尽可能均匀的分布；
S32，将置换后的比特串分成长度固定的小段，然后对每个小段进行纠错，每小段的错误比特数小于等于1；
S33，双方交换对应小段的校验和，对于校验和不同的小段，双方使用二分法纠错，此时不删除任何比特；
S34，通过分块后初检出的错误和之前的分块情况检出新的错误；
S35，重复步骤S31-S34，直至没有错误的比特为止。
5.如权利要求4所述的一种物联网边缘侧安全分发量子密钥的方法，其特征在于：所述步骤S4进一步包括：
S41，选取三个密码学哈希函数SHA-3、SM3和BLAKE作为备选哈希函数；
S42，双方协商选取相同的哈希函数；
S43，将双方协商后一致的密钥输入Hash函数，将最终的密钥大小n位缩小到r(r<n)位来消除公共信道上的泄露信息，将协商后一致的密钥转换为完全安全的密钥。
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