CN115694791A - 一种基于qkd的分发网络及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于QKD的分发网络及方法，包括分发节点、中继节点、接收节点以及量子密钥管理服务器，中继节点将其相邻中继节点协商出的量子中继密钥进行异或操作后发送给分发节点或接收节点。分发节点将接收到所有量子中继密钥、会话量子密钥Ka以及自身的量子中继密钥异或得到会话加密信息；接收节点利用量子中继密钥信息解密会话加密信息得到发送方传递的会话量子密钥Ka；根据会话量子密钥Ka协商生成公文加密密钥，然后分发节点利用公文加密密钥加密待发送保密公文；接收节点根据公文加密密钥解密加密公文，得到保密公文。本发明不仅安全性高，而且中继密钥的协商工作量少。

Description

一种基于QKD的分发网络及方法

技术领域

本发明涉及量子通信领域，尤其涉及一种基于QKD的分发网络系统。

背景技术

党政机构日常往往需要进行大量的公文传递，很多公文的保密等级很高，因此要求在传递时不能出现泄密等情形。国家的机关公文一般分为三个等级：绝密、机密和秘密，其中绝密级文件的保密时限为三十年、机密级文件为二十年、秘密级文件为十年，无论是哪一个等级的保密文件一旦泄露都可能给国家安全造成难以估料的风险。

目前我国已经建立了覆盖全国范围的党政机关政务网络，该网络与互联网等公共网络实行网络隔离。公文系统内嵌于政务网络系统之中，近年来随着国家电子政务的不断发展，公文系统业务量也呈现井喷式增长，逐渐成为各部门信息化及公开化的重要支撑，

现有的政府公文系统采用端到端加密方案，广泛采用现代密码体制下的对称密钥或非对称密钥，我们已经知道现代密码技术将无法抵御量子计算机的破解攻击，因此采用现代密码技术的公文分发网络也将受到威胁，所传递的保密公文存在极大的泄露风险。

目前量子信息技术正在飞速的发展之中，国内多个城市都在布局建设相应的量子通信网络，量子信息技术基于量子力学基本原理，可以实现理论上无条件的安全性，可以有效应对未来量子计算机的挑战，因而具有重大的现实意义。目前的量子通信主要以量子保密通信(QKD)为代表，量子保密通信技术也是目前最为成熟的量子通信技术。QKD量子保密通信一般需要配对使用的发送端和接收端，发送端负责调制量子态并将量子信号通过光纤等量子信道发送给接收端；接收端主要为含有单光子探测器的检测单元，可以检测出接收到的量子态的状态，然后双方通过经典信道进行协商、纠错和隐私放大即可以获得安全的量子密钥。

如附图1所示，现有的基于QKD的量子网络一般采用密钥中继的形式，比如A点的QKD和相邻节点B的QKD协商出中继密钥K1，B点和下一个相邻节点C的QKD协商出中继密钥K2，同样的B点和D点协商出中继密钥K3，在现有的量子网络中，当A点需要向C点和D点发送保密信息时，A点和B点之间需要进行两次协商，分别协商出两对中继密钥(K1和K1’)，分别用于传递C点和D点的保密信息。这无疑增加了某些重要节点之间的量子密钥协商工作量。

因此如何有效的提升公文分发网络系统的安全等级、尤其是有效减少中继节点的量子密钥协商工作量将是本领域技术人员需要应对的技术难题。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种中继密钥的协商工作量少、安全性高的基于QKD的分发网络及方法。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于QKD的分发网络，包括分发节点、N个中继节点、M个接收节点以及量子密钥管理服务器，所述分发节点、中继节点、接收节点以及量子密钥管理服务器之间通信连接，分发节点、中继节点及接收节点均配置有QKD节点设备，其中：

量子密钥管理服务器负责建立分发节点向第i个接收节点发送保密公文的量子线路，此量子线路记为第i条量子线路。定义每个量子线路中从接收节点一侧开始的第一个中继节点为奇中继节点，然后依次为偶中继节点、奇中继节点……直到分发节点一侧的中继节点。量子密钥管理服务器标记每个量子线路上的奇中继节点和偶中继节点。

当第i条量子线路建立好后，分发节点根据待发送的保密公文的信息量生成随机的会话量子密钥Ka。第i条量子线路中各个中继节点和相邻中继节点协商出量子中继密钥，计算第i条量子线路中各个中继节点需要通过QKD协商出的量子中继密钥数量p_i。

第i条量子线路中的奇中继节点将其相邻中继节点协商出的量子中继密钥进行异或操作后发送给分发节点。第i条量子线路中的偶中继节点将其相邻中继节点协商出的量子中继密钥进行异或操作后发送给第i个接收节点。

分发节点将接收到的第i条量子线路的所有量子中继密钥、会话量子密钥Ka以及自身的量子中继密钥异或得到会话加密信息，然后将会话加密信息发送给第i个接收节点。第i个接收节点利用自己接收到的所有偶中继节点发来的量子中继密钥信息及自身拥有的量子中继密钥解密会话加密信息得到发送方传递的会话量子密钥Ka。

分发节点利用会话量子密钥Ka加密待发送保密公文，得到加密公文一，并将加密公文一发送给第i个接收节点；第i个接收节点根据会话量子密钥Ka解密加密公文一，得到保密公文。

或者分发节点和第i个接收节点根据会话量子密钥Ka协商生成公文加密密钥，然后分发节点利用公文加密密钥加密待发送保密公文，得到加密公文二，并将加密公文二发送给第i个接收节点；第i个接收节点根据公文加密密钥解密加密公文二，得到保密公文。

优选的：所述分发节点、中继节点、接收节点以及量子密钥管理服务器之间通过量子线路、经典通信线路连接。

优选的：会话加密信息通过经典通信线路发送给第i个接收节点。

优选的：加密公文通过经典通信线路发送给第i个接收节点。

优选的：分发节点利用量子随机数硬件生成M个相应的随机数序列，随机数序列即为相应的会话量子密钥Ka。

一种基于QKD的分发网络的分发方法，包括以下步骤：

当分发节点向第i个接收节点发送保密公文时，i＝1,2，L，M，量子密钥管理服务器建立分发节点到第i个接收节点的量子线路，记为第i条量子线路，当第i条量子线路建立好后，分发节点根据待发送的保密公文的信息量生成随机的会话量子密钥Ka。第i条量子线路中各个中继节点和相邻中继节点协商出量子中继密钥，计算第i条量子线路中各个中继节点需要通过QKD协商出的量子中继密钥数量p_i。

定义每个量子线路中从接收节点一侧开始的第一个中继节点为奇中继节点，然后依次为偶中继节点、奇中继节点……直到分发节点一侧的中继节点。标记每个量子线路上的奇中继节点和偶中继节点，第i条量子线路中的奇中继节点将其相邻中继节点协商出的量子中继密钥进行异或操作后发送给分发节点。第i条量子线路中的偶中继节点将其相邻中继节点协商出的量子中继密钥进行异或操作后发送给第i个接收节点。

分发节点将接收到的第i条量子线路的所有量子中继密钥、会话量子密钥Ka以及自身的量子中继密钥异或然后发送给第i个接收节点。第i个接收节点利用自己接收到的所有偶中继节点发来的量子中继密钥信息及自身拥有的量子中继密钥解密会话加密信息得到发送方传递的会话量子密钥Ka。

分发节点利用会话量子密钥Ka加密待发送保密公文，得到加密公文一，并将加密公文一发送给第i个接收节点；第i个接收节点根据会话量子密钥Ka解密加密公文一，得到保密公文。

或者分发节点和第i个接收节点根据会话量子密钥Ka协商生成公文加密密钥，然后分发节点利用公文加密密钥加密待发送保密公文，得到加密公文二，并将加密公文二发送给第i个接收节点；第i个接收节点根据公文加密密钥解密加密公文二，得到保密公文。

本发明相比现有技术，具有以下有益效果：

本申请基于QKD建立公文分发的量子网络，由于QKD协商出的量子密钥具有极高的安全性，因此本申请的一种基于QKD的公文分发网络系统也具有很高的安全性，能够抵御未来的量子计算机的攻击。另一方面本申请中在发送加密信息之前，发送方(分发节点)和接收方(接收节点)之间需要先协商出量子密钥，然后根据量子密钥产生会话密钥，然后发送方利用会话密钥加密待发送的信息，本申请中所有通过经典通信传递的密钥信息均是两个相邻量子中继密钥的异或，使得所有的量子中继密钥都得到了隐藏；同时上一个中继线路段的量子中继密钥可以和相邻的不同分支的中继密钥进行异或传递，可以节省中继节点的量子中继密钥的协商工作量。

附图说明

图1为现有技术基于QKD的量子网络通信示意图；

图2为本申请实施例1的结构示意图；

图3为本申请实施例2的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

实施例1

一种基于QKD的分发网络，如图2所示，包括分发节点、中继节点、接收节点以及量子密钥管理服务器，其中量子密钥管理服务器负责量子线路的建立规划，分发节点和接收节点之间建立最佳的量子线路，计算各个中继节点需要通过QKD协商出的量子中继密钥大小，另外量子密钥管理服务器还需要根据规则标记每个量子线路上的奇中继节点和偶中继节点，当发送方和接收方之间的量子线路建立完成且量子中继密钥协商完成后，奇中继节点需要将其协商出的量子中继密钥异或发送给发送方，偶中继节点需要将其协商出的量子中继密钥异或发送给接收方。

分发节点、中继节点及接收节点均配置有QKD节点设备，保证相邻的QKD节点之间可以进行基于QKD的量子密钥协商。

如图2所示，量子密钥管理服务器建立了5条量子线路，分别是如下：第1条量子线路：QKD分发节点→QKD中继节点1→QKD中继节点4→QKD中继节点5→QKD接收节点1。第2条量子线路：QKD分发节点→QKD中继节点1→QKD中继节点2→QKD接收节点2。第3条量子线路：QKD分发节点→QKD中继节点1→QKD中继节点2→QKD中继节点3→QKD接收节点3。第4条量子线路：QKD分发节点→QKD中继节点1→QKD中继节点2→QKD中继节点3→QKD接收节4。第5条量子线路：QKD分发节点→QKD中继节点1→QKD接收节点5。

本申请中当量子密钥管理服务器规划出发送方和接收方之间的量子线路时，同时也要给出该量子线路中各个中继节点的奇偶属性，我们定义从接收方一侧开始的第一个中继节点为奇中继节点、然后依次为偶中继节点、奇中继节点……直到发送方一侧的中继节点。在某一条特定的量子线路中一个中继节点一般会和相邻的上方及下方两个QKD节点进行量子密钥协商，中继节点需要将其和相邻节点协商出的量子中继密钥异或后发送给发送方或者接收方，具体而言奇中继节点将异或后的中继密钥发送给发送方节点，偶中继节点将异或后的中继密钥发送给接收方节点。

如图2所示，当QKD分发节点需要同时向图中的接收节点发送保密文件时，我们假设发送的保密文件均为1M比特，可以看出QKD分发节点和QKD中继节点1之间的量子线路为共享线路，所有的QKD分发节点和QKD接收节点之间建立的量子线路都会经过该段线路。QKD中继节点1和QKD中继节点2之间的量子线路也被多个接收节点共享。当在量子密钥管理服务器的规划下建立各个发送方到接收方的量子线路后，各个中继节点之间即开始和相邻的节点协商生成量子中继密钥，附图2中各个中继节点和相邻节点需要协商出1M比特的量子中继密钥(K1到K10均为1M比特)。对于QKD分发节点到QKD接收节点1之间的量子线路来说，其中，QKD中继节点5和QKD中继节点1为奇中继节点、QKD中继节点4为偶中继节点，QKD中继节点5将K10异或K9发送给QKD分发节点，QKD中继节点4将K9异或K2发送给QKD接收节点1，QKD中继节点1将K1异或K2发送给QKD分发节点。

对于QKD分发节点到QKD接收节点3之间的量子线路来说，其中，QKD中继节点3和QKD中继节点1为奇中继节点、QKD中继节点2为偶中继节点，QKD中继节点3将K8异或K6发送给QKD分发节点，QKD中继节点2将K6异或K3发送给QKD接收节点3，QKD中继节点1将K1异或K3发送给QKD分发节点。

对于其他的QKD分发节点到QKD接收节点之间的量子线路也按照上述进行量子中继密钥的操作。

QKD分发节点生成相应的随机数序列，可以利用量子随机数硬件来生成量子随机数。在上述实施例中，分发节点需要生成5个随机数序列，每一个随机数序列的大小均和待发送给相应的接收节点的信息大小一致，本例中均为1M比特，随机数序列即为会话量子密钥Ka。在本例中每一个分发节点和接收节点之间的量子线路中，分发节点将相应的随机数序列m异或分发节点自身的量子密钥K1然后异或接收到的奇中继节点发送来的所有量子中继密钥，然后通过经典通信的方式发送给相应的接收节点。接收节点收到该信息后利用自身的量子密钥K8(以接收节点3为例)异或接收到的所有偶中继节点发来的中继密钥即可以解密出发送方加密发送的随机数序列m。发送方和接收方根据随机数序列m建立直接的保密信道，然后分发节点即可以利用该随机数序列m加密待发送的保密文件X，并通过经典通信的方式将该保密文件X发送给接收节点，接收节点通过已有的随机数序列m即可以解密得到保密文件X。

实施例2

本申请尤其适用于公文分发等网络，所以本申请还提供一种基于QKD的公文分发网络系统，参考附图3，本实施例主要包括发送方、接收方以及QKD中继节点，另外还包括量子密钥管理服务器，各个节点之间还通过经典网络进行连接。附图3中各个节点之间通过光纤量子线路连接，发送方包括QKD设备及公文分发设备，接收方包括QKD设备及公文接收设备。

当发送方向其他接收方发送保密公文时，首先由量子密钥管理服务器计算出所有量子线路，计算出各个节点之间需要的量子密钥量，比如某一段线路之间要传输两个接收方的保密信息，则该段线路需要的量子密钥量为较大的接收方所需要的密钥量。

如图3所示，量子线路有3条，分别是如下：第1条量子线路：发送方→QKD中继节点一→QKD中继节点二→QKD中继节点三→接收方一。第2条量子线路：发送方→QKD中继节点一→QKD中继节点四→接收方二。第3条量子线路：发送方→QKD中继节点一→QKD中继节点四→QKD中继节点五→接收方三。

发送保密公文之前，发送方和接收方之间需要先协商出会话量子密钥，然后根据会话量子密钥产生公文加密密钥。发送方根据待发送的信息量生成随机的会话量子密钥Ka(可以用量子随机数硬件生成)，然后发送方和接收方之间的量子线路上的QKD节点互相协商出量子中继密钥，然后QKD中继节点将生成的相邻量子中继密钥异或发送给发送方或者接收方(奇中继节点发送给发送方)，发送方将接收到的所有量子中继密钥信息、会话量子密钥Ka以及自身的量子中继密钥异或(即发送方和相邻的中继节点协商出的量子中继密钥)然后发送给接收方，接收方利用自己接收到的所有偶中继节点发来的量子中继密钥信息及自身拥有的量子中继密钥即可解密得到发送方传递的会话量子密钥Ka。

双方根据该会话量子密钥Ka再次协商生成公文加密密钥，然后发送方利用该公文加密密钥加密待发送公文信息，并将该加密的公文发送给接收节点。

在本实施例中，当一个发送方需要将某一公文同时向多个接收方发送时，那么建立的所有量子线路中的量子中继节点同时和相邻的量子节点进行QKD量子密钥协商，协商出量子中继密钥。然后发送方的量子随机数硬件生成多个对应于不同接收方的会话量子密钥，对于每一条发送方到接收方的量子线路中都采用上述的规则进行量子中继密钥信息的发送，发送方将接收到的所有量子中继密钥信息异或量子会话密钥然后发送给接收方，接收方即可以解出量子会话密钥，然后双方根据量子会话密钥协商出公文加密密钥。

以上所述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，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于QKD的分发网络，其特征在于：包括分发节点、N个中继节点、M个接收节点以及量子密钥管理服务器，所述分发节点、中继节点、接收节点以及量子密钥管理服务器之间通信连接，分发节点、中继节点及接收节点均配置有QKD节点设备，其中：

量子密钥管理服务器负责建立分发节点向第i个接收节点发送保密公文的量子线路，此量子线路记为第i条量子线路；定义每个量子线路中从接收节点一侧开始的第一个中继节点为奇中继节点，然后依次为偶中继节点、奇中继节点……直到分发节点一侧的中继节点；量子密钥管理服务器标记每个量子线路上的奇中继节点和偶中继节点；

当第i条量子线路建立好后，分发节点根据待发送的保密公文的信息量生成随机的会话量子密钥Ka；第i条量子线路中各个中继节点和相邻中继节点协商出量子中继密钥，计算第i条量子线路中各个中继节点需要通过QKD协商出的量子中继密钥数量p_i；

第i条量子线路中的奇中继节点将其相邻中继节点协商出的量子中继密钥进行异或操作后发送给分发节点；第i条量子线路中的偶中继节点将其相邻中继节点协商出的量子中继密钥进行异或操作后发送给第i个接收节点；

分发节点将接收到的第i条量子线路的所有量子中继密钥、会话量子密钥Ka以及自身的量子中继密钥异或得到会话加密信息，然后将会话加密信息发送给第i个接收节点；第i个接收节点利用自己接收到的所有偶中继节点发来的量子中继密钥信息及自身拥有的量子中继密钥解密会话加密信息得到发送方传递的会话量子密钥Ka；

分发节点利用会话量子密钥Ka加密待发送保密公文，得到加密公文一，并将加密公文一发送给第i个接收节点；第i个接收节点根据会话量子密钥Ka解密加密公文一，得到保密公文；

或者分发节点和第i个接收节点根据会话量子密钥Ka协商生成公文加密密钥，然后分发节点利用公文加密密钥加密待发送保密公文，得到加密公文二，并将加密公文二发送给第i个接收节点；第i个接收节点根据公文加密密钥解密加密公文二，得到保密公文。

2.根据权利要求1所述基于QKD的分发网络，其特征在于：所述分发节点、中继节点、接收节点以及量子密钥管理服务器之间通过量子线路、经典通信线路连接。

3.根据权利要求2所述基于QKD的分发网络，其特征在于：会话加密信息通过经典通信线路发送给第i个接收节点。

4.根据权利要求2所述基于QKD的分发网络，其特征在于：加密公文通过经典通信线路发送给第i个接收节点。

5.根据权利要求3所述基于QKD的分发网络，其特征在于：分发节点利用量子随机数硬件生成M个相应的随机数序列，随机数序列即为相应的会话量子密钥Ka。

6.一种采用权利要求1所述的基于QKD的分发网络的分发方法，其特征在于，包括以下步骤：

当分发节点向第i个接收节点发送保密公文时，i＝1,2，L，M，量子密钥管理服务器建立分发节点到第i个接收节点的量子线路，记为第i条量子线路，当第i条量子线路建立好后，分发节点根据待发送的保密公文的信息量生成随机的会话量子密钥Ka；第i条量子线路中各个中继节点和相邻节点协商出量子中继密钥，计算第i条量子线路中各个中继节点需要通过QKD协商出的量子中继密钥数量p_i；

定义每个量子线路中从接收节点一侧开始的第一个中继节点为奇中继节点，然后依次为偶中继节点、奇中继节点……直到分发节点一侧的中继节点；标记每个量子线路上的奇中继节点和偶中继节点，第i条量子线路中的奇中继节点将其相邻中继节点协商出的量子中继密钥进行异或操作后发送给分发节点；第i条量子线路中的偶中继节点将其相邻中继节点协商出的量子中继密钥进行异或操作后发送给第i个接收节点；

分发节点将接收到的第i条量子线路的所有量子中继密钥、会话量子密钥Ka以及自身的量子中继密钥异或然后发送给第i个接收节点；第i个接收节点利用自己接收到的所有偶中继节点发来的量子中继密钥信息及自身拥有的量子中继密钥解密会话加密信息得到发送方传递的会话量子密钥Ka；

分发节点利用会话量子密钥Ka加密待发送保密公文，得到加密公文一，并将加密公文一发送给第i个接收节点；第i个接收节点根据会话量子密钥Ka解密加密公文一，得到保密公文；

或者分发节点和第i个接收节点根据会话量子密钥Ka协商生成公文加密密钥，然后分发节点利用公文加密密钥加密待发送保密公文，得到加密公文二，并将加密公文二发送给第i个接收节点；第i个接收节点根据公文加密密钥解密加密公文二，得到保密公文。

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