量子的數(shù)據(jù)通信安全應(yīng)用

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摘要:現(xiàn)代社會(huì)人們和各類機(jī)構(gòu)越來(lái)越多的傾向于借助互聯(lián)網(wǎng)來(lái)進(jìn)行信息交流，這個(gè)過(guò)程中信息數(shù)據(jù)的產(chǎn)生、傳輸和存儲(chǔ)都是借助于計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)、存儲(chǔ)技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。但信息在網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程中卻存在著眾多的安全問(wèn)題。本文提出了一種基于量子密鑰分配技術(shù)的數(shù)據(jù)安全通信網(wǎng)絡(luò)，以保證在信息傳輸中的安全問(wèn)題，提升信息傳輸過(guò)程中的安全性。由密鑰生成控制服務(wù)器、經(jīng)典交換機(jī)、QKD系統(tǒng)等設(shè)備組成，將量子通信技術(shù)應(yīng)用于專用數(shù)據(jù)保護(hù)的通信網(wǎng)絡(luò)，大幅提高了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

關(guān)鍵詞:數(shù)據(jù)通信；量子密鑰分發(fā)；量子密碼終端；密鑰中繼

量子保密通信是基于量子密鑰分發(fā)的密碼通信解決方案，量子密鑰分發(fā)不依賴于計(jì)算的復(fù)雜性來(lái)保證通信安全，而是基于量子力學(xué)基本原理。只要能夠在通信雙方成功的建立密鑰，這組建立的密鑰就是絕對(duì)安全的，并且這種密鑰是具有絕對(duì)隨機(jī)性的，從原理上無(wú)法破解。由于量子密碼系統(tǒng)基于的這種隨機(jī)性，其安全性不因數(shù)學(xué)水平和計(jì)算能力的提高受到威脅，所以不僅是現(xiàn)在，而且在未來(lái)利用量子密碼系統(tǒng)加密的信息都是安全的。由此，人類目前已知的唯一具有長(zhǎng)期安全性保障的通信解決方案是量子保密通信。并且在世界范圍內(nèi)已有量子通信網(wǎng)絡(luò)初步建成并運(yùn)行。在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)基礎(chǔ)上，使用量子通信保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕岣邤?shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性、安全性和穩(wěn)定性，是一個(gè)值得研究和發(fā)展的方向，兩者結(jié)合能夠有效保證數(shù)據(jù)在通信過(guò)程中的安全可靠。

一、QKD系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

如圖表1.1所示，QKD系統(tǒng)主要由主控模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、系統(tǒng)管理模塊、光電系統(tǒng)（光學(xué)模塊和單光子探測(cè)器）組成。該QKD系統(tǒng)的運(yùn)行受控于密鑰生成控制系統(tǒng)，由密鑰生成控制系統(tǒng)下發(fā)QKD控制指令給終端設(shè)備的系統(tǒng)管理模塊，系統(tǒng)管理模塊將接收到的指令進(jìn)行必要的協(xié)議轉(zhuǎn)換（某些關(guān)鍵指令還需要加解密處理），完成對(duì)QKD系統(tǒng)進(jìn)行工作流程控制。

二、QKD系統(tǒng)與數(shù)據(jù)通信

在當(dāng)前的要求數(shù)據(jù)安全性比較高的網(wǎng)絡(luò)中，會(huì)采用專線進(jìn)行保密的數(shù)據(jù)通信，會(huì)添加防護(hù)設(shè)備，增加一道安全措施。設(shè)備首先需要通過(guò)證書(shū)機(jī)制，完成身份認(rèn)證過(guò)程，然后將一端產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)通過(guò)非對(duì)稱密碼學(xué)算法加密處理后傳輸給另一端，而另一端的防護(hù)設(shè)備將接收到數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)進(jìn)行解密，由此獲得隨機(jī)數(shù)，這樣就完成了對(duì)稱密鑰的分發(fā)過(guò)程。由于目前的對(duì)稱密鑰分發(fā)機(jī)制，必須由經(jīng)典密鑰學(xué)的加解密算法處理，這樣就有可能被攻破。因此，通過(guò)制定一整套完善的量子對(duì)稱密鑰傳輸、同步、中繼等協(xié)議，使得防護(hù)設(shè)備可以使用QKD系統(tǒng)提供的對(duì)稱量子密鑰，對(duì)目前系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)量子加解密處理。圖表2.1：向加密認(rèn)證裝置提供認(rèn)證密鑰

三、多用戶應(yīng)用場(chǎng)景下的量子密鑰分配、存儲(chǔ)和管理機(jī)制

如圖表3.1所示，在要求較高的專線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)多用戶應(yīng)用場(chǎng)景下，可將該專線網(wǎng)絡(luò)分為“客戶大區(qū)”和“管理大區(qū)”兩大部分。該場(chǎng)景下的兩個(gè)用戶之前數(shù)據(jù)通信的安全通信可由QKD系統(tǒng)直接向認(rèn)證設(shè)備提供的量子密鑰保證。圖表3.1：多用戶應(yīng)用場(chǎng)景下的QKD與防護(hù)設(shè)備結(jié)合在該網(wǎng)絡(luò)中，可使用一個(gè)全通型光量子交換機(jī)，掛接6臺(tái)量子網(wǎng)關(guān)，在密鑰生成控制服務(wù)器的調(diào)度下，實(shí)現(xiàn)任意兩個(gè)設(shè)備間的量子密鑰分發(fā)，并直接把生成的量子密鑰存儲(chǔ)在各自設(shè)備內(nèi)。管理大區(qū)用戶與客戶大區(qū)用戶之間進(jìn)行通信，其防護(hù)設(shè)備可以使用QKD系統(tǒng)提供的量子密鑰，完成數(shù)據(jù)加解密功能，達(dá)到安全的保密通信要求。多用戶應(yīng)用場(chǎng)景量子加密數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕襟E如下：

(1)場(chǎng)景內(nèi)，每個(gè)用戶終端部署一臺(tái)QKD系統(tǒng)，由密鑰生成控制服務(wù)器定時(shí)監(jiān)控每個(gè)用戶的當(dāng)前量子密鑰量，根據(jù)制定的排隊(duì)策略，把各個(gè)QKD系統(tǒng)按照規(guī)則進(jìn)行配對(duì)，啟動(dòng)量子密鑰分發(fā)；

(2)各個(gè)QKD系統(tǒng)必須由唯一的ID號(hào)標(biāo)識(shí)身份，該QKD與其他的QKD系統(tǒng)進(jìn)行量子密鑰分發(fā)，并且會(huì)使用對(duì)方ID號(hào)對(duì)生成的量子密鑰進(jìn)行標(biāo)識(shí)和保存。

(3)通過(guò)具體的用戶通信進(jìn)行演示：客戶大區(qū)的用戶2需要與用戶4進(jìn)行通信，密鑰生成控制服務(wù)器會(huì)統(tǒng)一管理，安排用戶2與用4進(jìn)行通信，用戶2的QKD系統(tǒng)會(huì)根據(jù)ID號(hào)與用戶4的QKD系統(tǒng)分發(fā)的量子密鑰進(jìn)行設(shè)備認(rèn)證，而用戶4的QKD系統(tǒng)也會(huì)根據(jù)ID號(hào)與用戶2的QKD系統(tǒng)分發(fā)的量子密鑰提供給認(rèn)證設(shè)備；

(4)認(rèn)證設(shè)備采用量子密鑰，對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行加解密處理，使保密通信過(guò)程完成。

四、通信網(wǎng)絡(luò)與量子網(wǎng)絡(luò)融合

(一)通信網(wǎng)絡(luò)中的加密認(rèn)證設(shè)備部署

專線網(wǎng)絡(luò)要實(shí)現(xiàn)“分級(jí)管理”的要求，各級(jí)數(shù)據(jù)調(diào)度中心以及下屬的各個(gè)數(shù)據(jù)站點(diǎn)部署了加密認(rèn)證設(shè)備，根據(jù)總部調(diào)度通信關(guān)系建立加密隧道（理論上只能在上級(jí)和下級(jí)之間建立加密隧道），加密隧道拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

(二)量子通信網(wǎng)絡(luò)融入實(shí)例

在一級(jí)分部調(diào)度中心管理中，加密認(rèn)證設(shè)備需要對(duì)相鄰的二級(jí)分部使用QKD系統(tǒng)提供的量子密鑰進(jìn)行加解密處理。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D表

4.3所示：

一級(jí)分部調(diào)度中心控制二級(jí)分部1和二級(jí)分部2的通信網(wǎng)絡(luò)，一級(jí)分部與兩個(gè)二級(jí)分部都可以通過(guò)量子集控站，完成兩兩間的量子信道建立，在集控站的統(tǒng)一協(xié)調(diào)下，使其具備兩兩之間能夠分發(fā)量子密鑰的能力。由此，一級(jí)分部調(diào)度中心與兩個(gè)分部之間就可以實(shí)現(xiàn)兩兩加密認(rèn)證設(shè)備通過(guò)使用量子密鑰進(jìn)行加解密處理的保密通信。該場(chǎng)景下的通信數(shù)據(jù)加解密與傳輸流程如下所示：

(1（)這里一級(jí)分部調(diào)度中心簡(jiǎn)稱為一級(jí)中心；二級(jí)分部1簡(jiǎn)稱為二分1；二級(jí)分部2簡(jiǎn)稱為二分2）。

(2)一級(jí)中心的集控站與二分1的集控站、一級(jí)中心的集控站與二分2的集控站，在密鑰生成控制服務(wù)器（處于集控站中）的統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理下，實(shí)現(xiàn)量子密鑰分發(fā)；

(3)二分1需要完成與一級(jí)中心的通信數(shù)據(jù)傳輸，二分1的認(rèn)證設(shè)備先用與一級(jí)中心分發(fā)的量子密鑰，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，然后由經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)傳給一級(jí)中心；

(4)一級(jí)中心接收到二分1傳輸?shù)募用軘?shù)據(jù)，一級(jí)中心認(rèn)證設(shè)備使用與二分1分發(fā)的量子密鑰進(jìn)行解密，這樣就實(shí)現(xiàn)了二分1傳輸通信數(shù)據(jù)給一級(jí)中心的功能；

(5)與此同時(shí)，一級(jí)中心下發(fā)調(diào)度指令給二分1，一級(jí)中心的認(rèn)證設(shè)備使用與二分1分發(fā)的量子密鑰，對(duì)調(diào)度指令進(jìn)行加密處理，然后通過(guò)經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)傳輸給二分1；

(6)二分1接收到一級(jí)中心傳輸?shù)募用苷{(diào)度指令，二分1認(rèn)證設(shè)備使用與一級(jí)中心分發(fā)的量子密鑰進(jìn)行解密，這樣就完成了一級(jí)中心傳輸數(shù)據(jù)給二分1的功能；

(7)二分2與一級(jí)中心之間的通信數(shù)據(jù)傳輸與二分1相似。在二級(jí)分部1下，用戶1和用戶2的量子信道通過(guò)全通光量子交換機(jī)與該分部集控站連接，實(shí)現(xiàn)用戶1、用戶2和二級(jí)分部1兩兩之間的量子密鑰分發(fā)。該場(chǎng)景下的通信數(shù)據(jù)加解密與傳輸流程如下所示：

(1)用戶1與二級(jí)分部1、用戶2與二級(jí)分部1，在密鑰生成控制服務(wù)器（處于集控站中）的統(tǒng)一協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)量子密鑰分發(fā)；

(2)用戶1需要與一級(jí)分部調(diào)度中心進(jìn)行通信數(shù)據(jù)傳輸，用戶1的認(rèn)證設(shè)備首先使用其與一級(jí)分部1交互分發(fā)的量子密鑰，加密通信數(shù)據(jù)，然后由經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)傳輸給一級(jí)分部1；

(3)一級(jí)分部1收到用戶1傳輸?shù)慕?jīng)過(guò)加密通信數(shù)據(jù)，一級(jí)分部1的認(rèn)證設(shè)備使用與用戶1分發(fā)的量子密鑰對(duì)加密數(shù)據(jù)進(jìn)行解密，這樣就實(shí)現(xiàn)了用戶1傳輸數(shù)據(jù)給一級(jí)分部1的功能；

(4)同時(shí)，一級(jí)分部1可以下發(fā)調(diào)度指令給用戶1，一級(jí)分部1的認(rèn)證設(shè)備使用與用戶1分發(fā)的量子密鑰，加密調(diào)度指令，然后經(jīng)由經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)傳輸給用戶1；

(5)用戶1接收到二級(jí)分部1傳輸?shù)募用苷{(diào)度指令，其認(rèn)證設(shè)備使用與二級(jí)分部1分發(fā)的量子密鑰進(jìn)行解密，這樣就完成了二級(jí)分部1傳輸通信數(shù)據(jù)給用戶1的功能；

(6)用戶2與二級(jí)分部1之間的通信數(shù)據(jù)傳輸與用戶1類似。

如果用戶1或用戶2需要與一級(jí)分部調(diào)度中心直接傳輸通信數(shù)據(jù)，則要用到密鑰中繼功能，以用戶2上傳數(shù)據(jù)給一級(jí)分部調(diào)度中心為例，主要步驟如下所示：

(1)一級(jí)分部調(diào)度中心的集控站與二級(jí)分部1下的用戶2，通過(guò)它們之間的二級(jí)分部1集控站，利用經(jīng)典密鑰中繼的方式，使一級(jí)分部調(diào)度中心與用戶2之間擁有共享的量子密鑰；

(2)用戶2的認(rèn)證設(shè)備，需要給傳輸給一級(jí)分部調(diào)度中心的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，加密密鑰為上述共享的量子密鑰，然后由經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)傳輸給一級(jí)分部調(diào)度中心；

(3)一級(jí)分部調(diào)度中心的認(rèn)證設(shè)備，利用對(duì)應(yīng)的量子密鑰作為業(yè)務(wù)密鑰，將用戶2傳輸過(guò)來(lái)的加密數(shù)據(jù)進(jìn)行解密，這樣就實(shí)現(xiàn)了用戶2與一級(jí)分部調(diào)度中心之間數(shù)據(jù)加解密傳輸功能

五、結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)QKD設(shè)備應(yīng)用于專線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析和闡述，從目前通信網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀以及現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的安全性特點(diǎn)出發(fā)，給出了系統(tǒng)多用戶應(yīng)用場(chǎng)景下的量子密鑰分配、存儲(chǔ)和管理機(jī)制實(shí)現(xiàn)方案；同時(shí)，提出一種融合量子密鑰分配技術(shù)與通信網(wǎng)關(guān)的安全通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)技術(shù)。本文還介紹了量子保密通信網(wǎng)絡(luò)與光纖通信網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)互通技術(shù)，提出量子網(wǎng)絡(luò)與專用通信網(wǎng)的融合實(shí)現(xiàn)方案，并研究任意節(jié)點(diǎn)之間的互聯(lián)互通機(jī)理以及針對(duì)量子保密通信網(wǎng)絡(luò)的密鑰中繼技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)量子安全通信網(wǎng)絡(luò)奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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[2]張睿汭.光纖通信網(wǎng)絡(luò)竊聽(tīng)方法及防御措施[J].電信科學(xué).2012(11)

作者：陳立佳 劉菲 史銘 趙波 單位：新華通訊社 科大國(guó)盾量子技術(shù)股份有限公司