CN117220878B - 一种燃气表远程在线量子密钥管理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及燃气表技术领域，具体的是一种燃气表远程在线量子密钥管理方法及系统，本发明包括以下步骤：S1、设备注册，在量子服务平台进行燃气表注册；S2、量子密钥充注，模组采用CoAP+DTLS与量子服务平台进行通讯，用于实现远程在线量子密钥获取：S21、MCU向模组调用密钥充注指令；S22、模组向量子服务平台调用密钥充注接口；本发明采用CoAP+DTLS与量子服务平台进行通讯，实现远程在线量子密钥获取，并且利用模组对量子密钥进行整合，无需大量量子密钥预置，对燃气表内存储空间要求更低，适用范围更广泛，同时相较于传统全量充注方式，本发明可以进行远程控制，实现在线充注和更换密钥，最大程度的保证业务通讯的正常进行。
Description
技术领域
本发明涉及燃气表技术领域，具体的是一种燃气表远程在线量子密钥管理方法及系统。
背景技术
远程在线燃气表可以通过物联网技术将燃气使用信息上传到服务器，实现自动化管理，降低了人工干预的成本和错误率，同时能够实现实时监测燃气使用情况的功能。
远程在线燃气表为了保障通讯的安全性，会采用量子密钥，如专利申请号“CN202110882451.2”中提出的使用对称密码技术增强MQTT协议传输安全的方法和系统，其加解密中使用量子密钥充注机充注到内置或外置于物联网终端的量子安全芯片的与量子交换密码机内存储密钥的对称密钥。
但是现有技术中，如专利申请号“CN202110882451.2”，需要使用量子密钥充注机向燃气表内一次性充注大量的量子密钥，对燃气表内存储空间要求高，而且其量子密钥在长时间使用后会产生重复，存在进行传输时存在安全性不足的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃气表远程在线量子密钥管理方法及系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种燃气表远程在线量子密钥管理方法，包括以下步骤：
S1、设备注册，在量子服务平台进行燃气表注册；
S2、量子密钥充注，模组采用CoAP+DTLS与量子服务平台进行通讯，用于实现远程在线量子密钥获取：
S21、MCU向模组调用密钥充注指令；
S22、模组向量子服务平台调用密钥充注接口，并从量子服务平台返回量子密钥；
S23、模组将量子密钥写入芯片，芯片再向模组返回密钥写入结果；
S24、模组向MCU返回密钥充注指令结果；
S3、业务端传输加密，采用通道加密+量子密文的双重加密机制。
所述设备注册包括以下步骤：
S11、模组通过用户密码调用量子服务平台token获取服务，获取交互token；
S12、模组携带token调用量子服务平台设备注册接口注册设备信息；
S13、模组携带token调用量子服务平台证书下载接口获取终端https证书；
S14、模组携带token调用量子服务平台psk密钥获取接口获取设备CoAP通讯密钥。
所述业务端传输加密包括以下步骤：
S31、MCU调用模组发送业务报文指令；
S32、芯片使用量子密钥对业务报文进行加密，产生量子密文，采用CoAP+DTLS加密通道，并调用采集平台接口将报文上传到采集平台；
S33、采集平台接收到量子密文，调用量子服务平台解密接口进行密文解密；
S34、采集平台处理解密后的业务报文，生成下行报文，并调用量子服务平台加密接口对下行报文进行加密，进行实时下发；
S35、模组调用芯片对下发的报文进行解密；
S36、模组向MCU返回明文结果，由MCU进行业务处理。
还包括通过量子密管平台获取量子随机数，并通过离线方式分发到燃气表和采集平台作为预置量子密钥，芯片和模组置于燃气表内，芯片用于对交互的数据加解密，采集平台通过导入的预置量子密钥进行数据加解密。
所述步骤S31中，MCU向模组发送数据，唤醒处于休眠的模组，并且将上报数据发送給模组。
所述步骤S32中，模组唤醒处于休眠状态的芯片，并将需要加密的数据明文发送給芯片，由芯片加密后，将密文返回给模组。
所述模组内部设有模块，模块采用芯翼XY1100平台，将电源模块、基带模块、存储模组和射频模块集成于一块芯片内，存在Active模式、Standby模式和PSM模式三种工作模式。
一种燃气表远程在线量子密钥管理系统，包括：
燃气表：包括MCU、芯片和模组，芯片用于量子密钥的存储和数据的加解密，模组用于燃气表和量子服务平台以及采集平台之间的通信，MCU用于对芯片和模组的控制；
量子服务平台：用于远程和燃气表中的模组连接，将量子密钥写入芯片；
采集平台：采集平台用于调用量子服务平台解密接口进行密文解密，并在处理解密后的密文报文后，生成下行报文，并调用量子服务平台加密接口对下行报文进行加密。
一种燃气表，包括燃气表主体，所述燃气表主体内安装有MCU、芯片和模组，模组和芯片均与MCU电性连接，模组和芯片电性连接；
所述芯片用于量子密钥的存储和数据的加解密，模组用于和量子服务平台以及采集平台之间的通信，MCU用于对芯片和模组的控制。
本发明的有益效果：
一、本发明采用CoAP+DTLS与量子服务平台进行通讯，实现远程在线量子密钥获取，并且利用模组将量子密钥写入芯片，无需大量量子密钥预置，对燃气表内存储空间要求更低，适用范围更广泛，同时相较于传统全量充注方式，本发明可以进行远程控制，实现在线充注和更换密钥，最大程度的保证业务通讯的正常进行。
二、本发明通过量子密钥利用量子物理的不确定性生成，相较于传统密钥更加安全，同时报文采用通道加密+量子密文的双重加密机制，为业务通讯提供可靠的传输环境。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，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他的附图；
图1是本发明实施例一中步骤S1的时序图；
图2是本发明实施例一中步骤S2的时序图；
图3是本发明实施例一中步骤S3的时序图；
图4是本发明实施例二的流程示意图；
图5是本发明实施例三的燃气表内交互流程图；
图6是本发明提供的燃气表远程在线量子密钥管理系统的系统框图；
图7是本发明提供的燃气表的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
请参阅图1、图2和图3，一种燃气表远程在线量子密钥管理方法，包括以下步骤：
S1、设备注册，在量子服务平台进行燃气表注册；
S2、量子密钥充注，模组采用CoAP+DTLS与量子服务平台进行通讯，用于实现远程在线量子密钥获取：
CoAP是一种轻量级的通信协议，全称为ConstrainedApplication Protocol，意为“受限应用协议”，它是专门为受限设备(如传感器、执行器等)与互联网相连而设计的通信协议，可使这些设备在网络中进行低延迟、低带宽消耗的通信；
DTLS(Datagram Transport Layer Security)是基于UDP场景下数据包可能丢失或重新排序的现实情况下，为UDP定制和改进的TLS协议。
S21、MCU向模组调用密钥充注指令；
MCU(微控制器)是一种小型、低成本、低功耗的单片机，通常用于日常家用电器。
S22、模组向量子服务平台调用密钥充注接口，并从量子服务平台返回量子密钥；
S23、模组将量子密钥写入芯片，芯片再向模组返回密钥写入结果；
S24、模组向MCU返回密钥充注指令结果；
S3、业务端传输加密，采用通道加密+量子密文的双重加密机制。
所述设备注册包括以下步骤：
S11、模组通过用户密码调用量子服务平台token获取服务(鉴权认证服务)，获取交互token(获取可信任授权权柄)；
S12、模组携带token(授权权柄)调用量子服务平台设备注册接口注册设备信息；
S13、模组携带token(授权权柄)调用量子服务平台证书下载接口获取终端https证书(轻量级认证证书)；
S14、模组携带token(授权权柄)调用量子服务平台psk密钥获取接口获取设备CoAP通讯密钥。
psk技术是一种对称密钥加密技术，通过事先共享密钥，实现通信双方之间的数据加密和解密过程，CoAP是轻量级的应用层协议，用于物联网设备之间的通信，通过获取CoAP通讯密钥，完成最终可信认证。
所述业务端传输加密包括以下步骤：
S31、MCU调用模组发送业务报文指令；
S32、芯片使用量子密钥对业务报文进行加密，产生量子密文，采用CoAP+DTLS加密通道，并调用采集平台接口将报文上传到采集平台；
S33、采集平台接收到量子密文，调用量子服务平台解密接口进行密文解密；
S34、采集平台处理解密后的业务报文，生成下行报文，并调用量子服务平台加密接口对下行报文进行加密，进行实时下发；
S35、模组调用芯片对下发的报文进行解密；
S36、模组向MCU返回明文结果，由MCU进行业务处理。
整个燃气表终端由MCU、模组和芯片构成，配合终端外部的量子服务平台和采集平台完成量子密钥充注和信号传输，量子服务平台用于密钥充注管理，加解密，采集平台采用CoAP+DTLS进行通讯，步骤S32中，量子密钥采用国密算法对业务报文进行加密，步骤S1中，注册的每一步都会返回到模组。
与相关技术相比较，本发明提供的一种燃气表远程在线量子密钥管理方法及系统具有如下有益效果：
一、本发明采用CoAP+DTLS与量子服务平台进行通讯，实现远程在线量子密钥获取，并且利用模组将量子密钥写入芯片，无需大量量子密钥预置，对燃气表内存储空间要求更低，适用范围更广泛，同时相较于传统全量充注方式，本发明可以进行远程控制，实现在线充注和更换密钥，最大程度的保证业务通讯的正常进行。
二、本发明通过量子密钥利用量子物理的不确定性生成，相较于传统密钥更加安全，同时报文采用通道加密+量子密文的双重加密机制，为业务通讯提供可靠的传输环境。
实施例二
请参阅图4，所述燃气表远程在线量子密钥管理方法还包括通过量子密管平台获取量子随机数，并通过离线方式分发到燃气表和采集平台作为预置量子密钥，芯片和模组置于燃气表内，芯片用于对交互的数据加解密，采集平台通过导入的预置量子密钥进行数据加解密。
量子密管平台为现有技术中，可以通过云服务方式提供，通过量子密管平台可以直接获取量子随机数。
在芯片中存储预置量子密钥，芯片通过模组和位于燃气表内MCU之间实现收发业务数据，同时芯片通过模组和采集平台之间进行加密数据传输；
燃气表内的MCU，调用接口将要发送到采集平台的业务数据给芯片，芯片将业务数据用预置密钥加密后，将密文数据发送给采集平台，采集平台收到密文数据后，进行解密。
为提高采集平台的密钥管理系统及密码安全性，可以采用SDK+密码服务系统的方式集成，以提升密钥管理系统和采集平台之间的信息安全性。
SDK是一套由软件开发厂商提供的开发工具集合，包括了软件开发所需的代码库、编译器、调试器、文档等开发者所需的工具。
实施例三
请参阅图5，所述步骤S31中，MCU向模组发送数据，唤醒处于休眠的模组，并且将上报数据发送給模组。
所述步骤S32中，模组唤醒处于休眠状态的芯片，并将需要加密的数据明文发送給芯片，由芯片加密后，将密文返回给模组。
通过将模组和芯片处于休眠状态，降低整个燃气表的功耗，只需要进行加解密或者数据传输时，通过MCU进行唤醒，模组将燃气表原有上报数据中的明文部分替换为密文数据，上报到网络侧的采集平台。
实施例四
模组中的模块采用芯翼XY1100平台，将电源模块、基带模块、存储模组和射频模块集成于一块芯片内，极大程度简化了外围电路。
模块有三种工作模式，分别为Active模式、Standby模式和PSM模式；
Active模式：模块处于活动状态，所有功能正常可用，可以进行数据发送和接收；模块在此模式下可切换到Standby模式或PSM模式；
Standby模式：模块处于浅睡眠状态，网络处于DRX/eDRX状态，可接收寻呼消息，模块在此模式下可切换至Active或PSM模式；
PSM模式：模块内部只有UTC引脚工作，网络处于非连接状态，不可接收下行数据，不可通AT命令，此时模块可以进入深睡眠状态；MCU上的WAKEUP引脚发出低电平脉冲可将模块唤醒。
AT命令是以AT作首、字符结束的字符串，AT命令的响应数据包在中，AT指令集可分为三个类型，分别为执行命令、测试命令和查询命令。
如图6，一种燃气表远程在线量子密钥管理系统，包括：
燃气表：燃气表包括MCU、芯片和模组，芯片用于量子密钥的存储和数据的加解密，模组用于燃气表和量子服务平台以及采集平台之间的通信，MCU用于对芯片和模组的控制；
量子服务平台：用于远程和燃气表中的模组连接，将量子密钥写入芯片；
采集平台：采集平台用于调用量子服务平台解密接口进行密文解密，并在处理解密后的密文报文后，生成下行报文，并调用量子服务平台加密接口对下行报文进行加密。
量子服务平台还有加解密接口和充注接口，加解密接口使得采集平台可以通过量子服务平台进行报文的加解密，充注接口使得量子服务平台可以连接燃气表中的模组，向芯片中写入量子密钥，完成量子密钥充注。
如图7，一种燃气表，包括燃气表主体1，所述燃气表主体1内安装有MCU2、芯片3和模组4，模组4和芯片3均与MCU2电性连接，模组4和芯片3电性连接；
所述芯片3用于量子密钥的存储和数据的加解密，模组4用于和量子服务平台以及采集平台之间的通信，MCU2用于对芯片3和模组4的控制。
燃气表主体1为现有技术，燃气表和外部燃气管道的连接，燃气表对燃气的监测，燃气表相关数值的显示均为现有技术，此处不再进行赘述，通过在燃气表主体1内加入模组4，实现燃气表和量子服务平台以及采集平台之间的通信，MUC2可以对芯片3和模组4的工作进行控制，芯片3可以存储量子密钥，以及对数据进行加解密。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (3)
1.一种燃气表远程在线量子密钥管理方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、设备注册，在量子服务平台进行燃气表注册；
燃气表包括MCU、芯片和模组；
S2、量子密钥充注，模组采用CoAP+DTLS与量子服务平台进行通讯，用于实现远程在线量子密钥获取：
S21、MCU向模组调用密钥充注指令；
S22、模组向量子服务平台调用密钥充注接口，并从量子服务平台返回量子密钥；
S23、模组将量子密钥写入芯片，芯片再向模组返回密钥写入结果；
S24、模组向MCU返回密钥充注指令结果；
S3、业务端传输加密，采用通道加密+量子密文的双重加密机制；
所述业务端传输加密包括以下步骤：
S31、MCU调用模组发送业务报文指令；
S32、芯片使用量子密钥对业务报文进行加密，产生量子密文，采用CoAP+DTLS加密通道，并调用采集平台接口将报文上传到采集平台；
S33、采集平台接收到量子密文，调用量子服务平台解密接口进行密文解密；
S34、采集平台处理解密后的业务报文，生成下行报文，并调用量子服务平台加密接口对下行报文进行加密，进行实时下发；
S35、模组调用芯片对下发的报文进行解密；
S36、模组向MCU返回明文结果，由MCU进行业务处理；
所述步骤S31中，MCU向模组发送数据，唤醒处于休眠的模组，并且将上报数据发送給模组；
所述步骤S32中，模组唤醒处于休眠状态的芯片，并将需要加密的数据明文发送給芯片，由芯片加密后，将密文返回给模组。
2.根据权利要求1所述的一种燃气表远程在线量子密钥管理方法，其特征在于，所述设备注册包括以下步骤：
S11、模组通过用户密码调用量子服务平台token获取服务，获取交互token；
S12、模组携带token调用量子服务平台设备注册接口注册设备信息；
S13、模组携带token调用量子服务平台证书下载接口获取终端https证书；
S14、模组携带token调用量子服务平台psk密钥获取接口获取设备CoAP通讯密钥。
3.根据权利要求1所述的一种燃气表远程在线量子密钥管理方法，其特征在于，所述模组内部设有模块，模块采用芯翼XY1100平台，将电源模块、基带模块、存储模组和射频模块集成于一块芯片内，存在Active模式、Standby模式和PSM模式三种工作模式。
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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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