CN202121594U - 基于同步随机数信息库信息检索的量子安全通信系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于量子通信系统和经典网络通信系统构建的量子安全通信系统。本量子安全通信系统包括QRD（量子随机数分发）设备、同步随机数信息库、信息库维护模块、数据检索模块、数据压缩模块、数据预处理模块和通信模块，该安全通信系统包括至少两个通信终端，通信终端之间同时通过量子通信网络和经典信道网络进行连接。本实用新型的有益效果是：合理利用了量子通信系统产生的大数据量随机数所具有的信息性，利用理论上绝对安全的量子通信系统所产生的大数据量同步随机数信息库实现了经典信息在经典信道上的安全通信，降低了通信数据的冗余度，随机数数据不参与运算，理论上具有更高的安全性。

Description

基于同步随机数信息库信息检索的量子安全通信系统

技术领域

本实用新型属于通信安全领域，涉及基于量子通信网络和经典信道网络构建的量子安全通信系统。

背景技术

量子通信是近二十年发展起来的新型交叉学科，是量子论和信息论相结合的新的研究领域。近来这门学科已逐步从理论走向实验，并向实用化发展。高效安全的信息传输日益受到人们的关注。基于量子力学的基本原理，量子通信具有高效率和绝对安全等特点。

现阶段量子通信的实际应用一般是与经典网络相结合实现经典信息的通信，而不是用量子通信传递全部经典信息，原因在于由于信道损失和噪声，用量子通信直接传递全部经典信息反而效率低下、不够安全，使用量子纠错码有可能改善直接传输的效率，但需要生成复杂的量子编码和多次的纠错以及重编码，其成本过于昂贵。因此，现实中人们利用量子通信的方式为：利用量子通信系统提供的同步随机数据作为对称密钥采用一次一密的加密方式来保障经典信息在经典网络中传递的安全。这种通信方式应用量子通信系统所产生的同步数据作为随机密钥，利用了数据的随机性。

当存在大数据量的随机数据时，其局部抽样其随机性涨落具有信息量。本实用新型利用了同步数据库所具有的信息量，提出一种全新的安全通信系统。

对本实用新型的描述，我们将采用以下术语：

量子通信(Quantum communication)：利用量子态进行信息传递的一种新型的通讯方式。

量子通信系统：实现量子通信的物理系统，基本部件包括量子态发生器、量子通道和量子测量装置。

量子安全通信：借助量子通信系统实现的经典信道安全通信。

量子密钥分发(QKD)系统：以单光子为信息载体，以光纤为量子信道，在通信双方建立起共享的密钥，从而完成量子密钥的分发的物理系统。

量子随机数分发(QRD)系统：类似于量子密钥分发(QKD)系统，不同之处在于，QKD系统使用量子态产生经典密钥，而QRD利用量子态产生经典随机数信息库。

通信单元：对应于通信数据，将通信数据进行分割处理得到的通信单位。

信息单元：对应于随机数信息库，由随机数信息库中的随机数据分割得到的数据检索单位。

信息维护表：一系列二进制数据，其位数等于随机数信息库中信息单元的数量，即每一个二进制位对应一个信息单元，表示信息单元是否被使用(检索或索引)过。

通信数据检索：到随机数信息库中查找与通信单元数据区数据相同的信息单元，并记录该信息单元的位置。

通信数据索引：按照信息单元的位置获得信息单元的数据，从而或的通信单元数据区的数据，是通信数据检索的逆过程。

索引通信数据：经过通信数据检索步骤处理后的通信数据。

索引压缩数据：经过压缩的索引通信数据。

实用新型内容

为弥补现有技术的不足，本实用新型构建了一种基于同步随机数信息库信息检索的量子安全通信系统。相对于现阶段量子通信的应用而言，本系统克服了信道损失和噪声，效率高，安全可靠，成本低。

本实用新型所采用的技术方案如下：

一种基于同步随机数信息库信息检索的量子安全通信系统，该安全通信系统包括至少两个通信终端，通信终端之间同时通过量子通信网络和经典信道网络进行连接；

所述安全通信系统的每个通信终端包括：

量子随机数分发QRD设备，该设备借助于量子通信网络在通信两端生成大数据量同步随机数；

同步随机数信息库，与QRD设备连接，用于存放QRD设备生产的同步随机数，借助大数据量的随机数据局部抽样其随机性涨落所具有的信息量，为通信双方提供信息检索和索引；

信息库维护模块，该模块与同步随机数信息库相连，为同步随机数信息库建立信息维护表，根据信息库信息单元的使用情况更新维护表，根据维护表更新数据库；

数据检索模块，该模块与同步随机数信息库和信息库维护模块相连，负责发送信息的随机数数据库信息检索和接收信息的随机数数据库信息索引；

数据压缩模块，该模块与数据检索模块相连，负责发送信息索引数据的压缩和接收数据的解压；

数据预处理模块，该模块与数据检索模块向连接，负责原始发送信息的预处理；

通信模块，该模块与数据压缩模块相连，实现通信数据在经典网络上的发送和接收。

所述数据预处理模块连接用户的输入系统。

所述数据检索模块连接用户的输出系统。

所述通信终端的同步随机数信息库中的随机数数据量字节数在10⁸以上。

所述通信终端的量子随机数分发QRD设备连接量子通信网络。

所述通信终端的通信模块连接经典通信网络，实现各种形式的经典信道通信。

本实用新型利用量子通信网络——量子随机数分发(Quantum Random Distribution，简称QRD)网络与经典信道通信方式相结合实现经典信息安全通信，以QRD设备产生的随机数信息库作为经典数据安全通信的信息基础。

本实用新型所构建的量子安全通信系统如图1所示，通信双方Alice和Bob借助于量子通信网络的QRD设备获得同步随机数信息库作为双方安全通讯的基础，通过经典信道网络实现安全通信。

本实用新型构建的量子安全通信系统的通信终端的结构和通信数据处理流程如图2所示，现对其收发数据的处理流程做详细说明。

通信双方由QRD设备通过QRD量子通信网络建立同步随机数信息库。

通信终端各个模块按照如下步骤处理通信数据：

1)通信双方根据同步随机数信息库的数据量确定信息单元个数，同时通信终端的信息库维护模块信息库建立信息维护表。

2)在发送方通信终端的数据预处理模块对用户输入的原始通信数据进行预处理，将其输出为为若干通信单元组成的预处理数据。

3)在发送方通信终端的数据检索模块在信息库中搜索与预处理数据通信单元相同的信息单元，将获得的索引数据输出为索引通信数据。

4)在发送方通信终端的压缩模块对索引通信数据进行数据压缩得到索引压缩数据，通信模块通过经典信道网络将其发送到接收端。

5)接收方的通信模块通过经典信道网络接收到发送方的索引压缩数据，由压缩模块进行解压获得索引通信数据，数据检索模块通过索引通信数据的索引值到信息库中获得相应的信息单元，同时更新信息维护表，表示此信息单元已被检索。

6)数据检索模块将获得的信息单元组成的原始通信数据，发送给用户输出设备。

7)信息库维护模块检查更新信息库，返回步骤2)继续执行。

在步骤1)中确定信息单元个数的方法如下：设信息划分的单位长度为n个字节，要使用的信息库数据量为N字节，则信息单元分割后，信息库中共含有N/n个信息单元。

在步骤2)中数据预处理模块采用的预处理方法如下：将通信数据划分为通信单元，通信单元划分的单位长度等于信息库信息单元的长度，从通信数据的首地址开始，每一单位长度数据划分为一个通信单元，同时为每一个通信单元添加一定长度的数据校验位。

在步骤3)中所述索引通信数据为：对于每一个通信单元，数据检索模块按照搜索规则，从信息库中搜索与通信单元中除校验位以外的数据内容相同的信息单元，记录这个信息单元的索引即信息单元在信息库中的位置序号，同时信息库维护模块更新信息库信息维护表，表示此信息单元已被检索，数据检索模块用索引值替换通信单元数据区数据，新的通信单元一起按原来顺序构成的通信数据，为索引通信数据。

在步骤4)中，压缩模块采用如下压缩方法：将索引通信数据转化为16进制字符表示，根据其数据特征采用下列步骤进行编码压缩：

(1)从当前编码位置开始，考察最小匹配串长度MAX_LENGTH的未编码的字符，从与当前编码位置距离不超过查找距离LRNGD的已编码的字符中查找最长的匹配字符串MAXSTR，如果匹配串长度len大于等于最小匹配串长度MIN_LENGTH，则进行(2)，否则进行(3)；

(2)输出指针三元组(flag，off，len)，如三元组的长度大于长为len的字符的长度，则舍弃三元组，进行(3)，否则将当前编码位置向后移动len个字符，继续(1)；其中：off为匹配字符串首字符相对当前编码位置的偏移，flag根据off所需要的实际位数设置不同的值，以标志off的位数；

(3)输出当前编码位置的字符c，然后将前编码位置向后移动1个字符，继续(1)。

在步骤7)中信息库的更新过程如下：数据库维护模块在信息维护表更新时计算信息库中信息单元的使用率，如其大于设定的门限值，则通信双方协商按照同一状态的信息维护表进行信息库更新，根据信息维护表更新已被检索的信息单元，同时更新当前状态的信息维护表。

数据检索模块采用如下搜索规则进行信息单元检索：从信息库首地址开始搜索，首先查看信息维护表，只搜索对应维护表上二进制位为1的信息单元，如果找到信息单元，其数据与通信单元数据区中的数据相同，则记录这个信息单元的索引，停止搜索，同时将信息维护表上对应的二进制位置为0，在校验区设置校验位，表示此通信单元的数据区数据为索引数据；如果搜索失败，即没有找到与通信单元数据区数据相同的信息单元，则选择信息库中使用的索引值最小的信息单元，将此信息单元与通信单元数据区中的数据进行异或运算，将运算数据替换原数据区数据；在通信单元的数据校验区相应的数据位中标明此通信单元数据为异或运算数据，同时为此通信单元附加索引区，记录所使用的信息单元的索引值。

本实用新型优点如下：

1.利用理论上绝对安全的量子通信系统所产生的大数据量同步随机数信息库实现了经典信息在经典信道上的安全通信，合理利用了量子通信系统产生的大数据量随机数所具有的信息性。

2.与利用随机数加密的安全通信方法相比，本实用新型构建的基于同步随机数信息库信息检索的量子安全通信系统基于理论上绝对安全的同步信息库检索进行通信，随机数数据不参与运算，因而理论上具有更高的安全性。

3.本通信系统传递的是基于同步随机数信息库的信息索引数据，其数据特点有利于数据压缩，降低了通信数据的冗余度。

4.通信过程中只需传递信息库信息单元的索引值，这区别于传统的安全通信方法，因此可抵御差分法等传统密文攻击方法。除非破译者拥有整个大数据量随机数信息库，否则不可能破译。

附图说明

图1基于同步随机数信息库信息检索的量子安全通信系统；

图2通信终端结构及数据处理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明：

本实例在本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出详细的实施方式和具体的操作方法，但本实用新型的保护范围不限于下述实例。

一、QRD设备和随机数信息库

通信终端的QRD设备利用量子随机数分发网络在通信两端建立大数据量同步随机数信息库。信息库一般是由0和1组成的二进制数据库。信息库创建后按照如下逻辑划分为信息单元：

首先根据同步信息库的长度确定信息单元划分的单位长度(也是通信数据划分的单位长度)。

确定信息单元划分单位长度的方法如下：

假设信息单元划分的单位长度为n个字节，要使用的信息库信息单元量为N个字节，则信息单元分割后，信息库中共含有N/n个信息单元，某一信息单元不存在的概率P₀为：

$P_0={(1-\frac{1}{2^{8n}})}^{\frac{N}{n}}$

信息单元分割后基于信息单元信息检索的需要，我们希望任意一个长为n个字节的信息单元在信息库中不存在的概率P₀→0，如果信息库的信息单元量N可以估计，那么根据上式即可确定n的取值范围。考虑到数据的通讯冗余度，在n的取值范围内我们可选取一个较大的值。假设n≥2，则P₀可近似为

$P_0={(1-\frac{1}{2^{8n}})}^{\frac{N}{n}}={\left({(1-\frac{1}{2^{8n}})}^{2^{8n}}\right)}^{\frac{N}{n\×2^{8n}}}=e^{-\frac{N}{n\×2^{8n}}}$

假设在本实例中信息库的容量为512M，设信息单元更新的信息单元剩余量门限为256M，取N＝256M＝2²⁸，代人上式可得：

n＝2时

n＝3时

$P_0=e^{-\frac{16}{3}}=0.00483;$

n＝4时

$P_0=e^{-\frac{1}{64}}=0.98445.$

本实例选取n＝3。从信息库的首地址开始，信息库中的信息单元数据每3字节划分为一个信息单元。

二、信息库维护模块

信息库维护模块为信息库建立一张二进制信息维护表，二进制位数等于信息库信息单元的数量，每个二进制位对应一个信息单元，其初始值为1表示此信息单元未使用。当信息库信息单元被使用(被检索或被索引或被用于异或运算)要同步更新信息维护模块的信息维护表响应的二进制位。

三、数据预处理模块

数据预处理模块按照下列逻辑对用户输入的原始通信数据进行预处理：

首先，如果通信数据是非压缩数据，对其进行压缩以降低通信数据冗余度，减少通信数据的数据量，这有利于减少信息库的消耗。

其次，对压缩后的通信数据进行单元划分。通信数据划分的单位长度与信息单元划分的单位长度一致，也为3个字节。从需要传送的通信数据数据包首地址开始每3个字节划分为一个通信单元。一个通信数据数据包如果分割到最后剩余的数据的长度不足3个字节的单位长度，则在尾部加0，补足一个单位长度，构成一个通信单元。

每一个通信单元分割后要在其前面添加5bits的数据校验位，用数据校验位的第2、3位表示数据单元中有效数据位的字节数。

四、数据检索模块

在发送数据的过程中，数据检索模块从预处理模块获得预处理数据，并按照下列逻辑对其进行处理：

在信息库中搜索与通信单元数据区数据内容相同的信息单元。搜索规则是：从信息库首地址开始搜索，首先查看信息维护模块的信息维护表，只搜索对应维护表上二进制位为1的信息单元，如果存在信息单元其数据与通信单元数据区中的数据相等，则记录这个信息单元的索引(位置序号)，同时将信息单元维护表上对应的二进制位置为0，以避免同一个信息单元被重复检索。用信息单元的索引替换通信单元数据区数据。将校验区第一个二进制位设为0，表示此通信单元数据区数据为索引数据。检索成功的通信单元(称之为索引通信单元)的数据结构如表1所示。

表1索引通信单元

B1

B2

B3

Data Area(Message Unit Index)

Data Area：记录通信单元索引值，长度为1至4个字节；

B1：为0，表示此单元为索引通信单元；

B2：2bit，表示通信数据划分后通信单元(数据检索前)的有效字节数(1至3个字节)；

B3：2bit，表示Data Area长度的字节数，即信息单元索引值的长度(1至4个字节)。

如果搜索失败，即没有找到信息单元其数据与通信单元数据区数据相同，由步骤一的计算可知，搜索失败的概率约为0.5％。则用信息库中第一个未使用的信息单元与该通信单元的数据进行异或运算，用运算数据替换数据区原数据。同时在通信单元后面附加索引区，记录该信息单元的索引值(位置序号)。设置校验位表示此通信单元数据区数据为异或运算数据。

通信单元数据区数据的检索无论是否成功，都需要记录信息单元的索引值。考虑到本实例信息库的容量，记录信息单元索引最多需要4个字节，所以我们在校验区中用2个校验位，表示信息单元索引的长度。检索失败的通信单元(称之为运算通信单元)的数据结构如表2所示。

表2运算通信单元

B1

B2

B3

Data Area

Index Area(Message Unit Index)

Data Area：记录异或运算后的数据，长度为3个字节；

Index Area：表示异或运算所使用的信息单元的索引值，长度为1至4个字节；

B1：为1，表示此单元为异或运算通信单元；

B2：2bit，表示通信数据划分后通信单元(数据检索前)的有效字节数(1至3个字节)；

B3：2bit，表示Index Area的数据长度的字节数，及信息单元索引值的长度(1至4个字节)。

经过处理的通信数据我们称之为索引通信数据。

在接收数据的过程中，数据检索模块从压缩模块获得索引通信数据，进行上述接收过程的逆操作：根据索引通信数据中的信息单元索引到接收端的同步信息库中找到相应的信息单元，根据校验区数据从而获得通信数据。同时相应的信息单元在信息维护模块的信息维护表上的对应值置为0，表示此信息单元已使用过。

五、数据压缩模块

在发送数据的过程中，压缩模块从数据检索模块获得索引通信数据，将其转化为转化为16进制字符表示，根据其数据特征采用下列步骤进行编码压缩：

A.根据信息单元坐标的特点我们将MAX_LENGTH设为8，从当前编码位置开始，考察长度为MAX_LENGTH的未编码的字符，从与当前编码位置距离不超过查找距离512(将LRNGD设为512)的已编码的字符中查找最长的匹配字符串MAXSTR(MAXSTR的头字符为当前编码位置的字符)，如果匹配串长度len大于等于最小匹配串长度3(len＞＝3)，则进行B，否则进行C。

B.输出指针三元组(flag，off，len)，其中off为匹配字符串首字符相对当前编码位置的偏移，flag根据off所需要的实际位数设置不同的值，以标志off的位数；如三元组的长度大于长为len的字符的长度，则舍弃三元组，进行C，否则将当前编码位置向后移动len个字符，继续A。

flag的设置规则为：

如果off＜2⁴，flag设为10，占1个二进制位，为off分配4bits的存储位；

如果2⁴≤off＜2⁸，flag设为0，占2个二进制位，为off分配8bits的存储位；

如果off≥2⁸，flag设为11，占2个二进制位为off分配9bits的存储位；

C.输出当前编码位置的字符c，然后将前编码位置向后移动1个字符，继续A；

经过压缩的索引通信数据压缩称之为索引压缩数据，发送到通信模块。

在接收数据的过程中，数据压缩模块从通信模块获得索引压缩数据，按照压缩步骤的逆操作进行解压，获得索引通信数据。

六、通信模块

与经典信道通信网关相连，负责通信数据的收发，同时与信息库维护模块相连负责收发数据库更新信号。

七、信息库维护模块

信息库维护模块为信息库建立信息维护表，监控信息库信息单元的使用情况，当信息单元的使用率超过一定门限值时，按照下列逻辑协商更新同步随机数信息库：

设定信息单元更新的门限为50％。信息维护模块根据信息库信息维护表进行计算，如果通信双方的一方发现信息库中信息单元的使用率大于50％，即与对方协商进行信息库更新。

协商规则如下：A方在一个通信数据包信息检索完成时进行，如发现信息单元的使用率已超过设定门限50％，则备份此时状态的信息维护表，并在此数据包对应的索引压缩数据包中添加标志信息，告知B方当此数据包处理完毕时备份信息维护表。当B方根据标志信息备份信息维护表，完成后可通知A方，此时即可根据双方备份的维护表进行信息单元同步更新。信息单元更新时要同时更新当前的信息维护表(非备份维护表)。

以上所述，仅是本实用新型发明所作的一个较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、变更及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于同步随机数信息库信息检索的量子安全通信系统，其特征在于，该安全通信系统包括至少两个通信终端，通信终端之间同时通过量子通信网络和经典信道网络进行连接；

所述安全通信系统的每个通信终端包括：

量子随机数分发QRD设备，该设备借助于量子通信网络在通信两端生成大数据量同步随机数；

同步随机数信息库，与QRD设备连接，用于存放QRD设备生产的同步随机数，借助大数据量的随机数据局部抽样其随机性涨落所具有的信息量，为通信双方提供信息检索和索引；

信息库维护模块，该模块与同步随机数信息库相连，为同步随机数信息库建立信息维护表，根据信息库信息单元的使用情况更新维护表，根据维护表更新数据库；

数据检索模块，该模块与同步随机数信息库和信息库维护模块相连，负责发送信息的随机数数据库信息检索和接收信息的随机数数据库信息索引；

数据压缩模块，该模块与数据检索模块相连，负责发送信息索引数据的压缩和接收数据的解压；

数据预处理模块，该模块与数据检索模块向连接，负责原始发送信息的预处理；

通信模块，该模块与数据压缩模块相连，实现通信数据在经典网络上的发送和接收。

2.如权利要求1所述的基于同步随机数信息库信息检索的量子安全通信系统，其特征在于，所述数据预处理模块连接用户的输入系统。

3.如权利要求1基于同步随机数信息库信息检索的量子安全通信系统，其特征在于，所述数据检索模块连接用户的输出系统。

4.如权利要求1基于同步随机数信息库信息检索的量子安全通信系统，其特征在于，所述通信终端的同步随机数信息库中的随机数数据量字节数在以上。

5.如权利要求1基于同步随机数信息库信息检索的量子安全通信系统，其特征在于，所述通信终端的量子随机数分发QRD设备连接量子通信网络。

6.如权利要求1和权利要求2所述的量子安全通信系统，其特征在于，所述通信终端的通信模块连接经典通信网络，实现各种形式的经典信道通信。

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