[發明專利]一種用于量子密鑰分配請求控制與自動實現的模型和方法

無效

• 申請號: 201110057518.5
• 申請日: 2011-03-10
• 公開（公告）號: CN102130769A
• 公開（公告）日: 2011-07-20
• 發明（設計）人: 孫詠梅;程先柱;紀越峰
• 申請（專利權）人: 北京郵電大學
• 主分類號: H04L9/08
• 分類號: H04L9/08
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及基于信任中繼的量子密鑰分配網絡領域，是為實現網絡中任意兩個節點之間密鑰分配的請求控制與自動實現而設計的模型和方法。

背景技術

量子密鑰分配網絡是基于量子力學的基本原理，在任意節點之間分配密鑰的網絡。

在敘述量子密鑰分配網絡之前，先以最為主流的BB84協議為例簡單描述點對點的量子密鑰分配。該協議總共用到4個量子態，且構成兩組正交基，每組正交基同時也是一組測量基。處于不同測量基中的量子態是非正交的，用不同組的測量基去測量一個量子態，結果是不確定的，且概率分別為50％；只有用同組的測量基去測量量子態才能得到正確結果。具體的通信過程是這樣的：密鑰的發送者從4個量子態中隨機選擇一個，并且通過量子信道發送給接收者，接收者隨機選擇一個測量基來測量，并且得到一個結果，雙方記錄自己的選擇和測量結果，并通過公開信道相互比對，刪除那些選錯了測量基的結果。如果有需要，在最后剩余的隨機序列經過“保密放大”等步驟后，便可以在發送者和接收者之間建立起最終的密鑰。但由于技術條件的限制，目前點對點密鑰分配的速度和距離有限。在實驗室環境中，相隔100公里的兩點之間密鑰分配的最高速率只有10kb/s左右，而且隨著距離的增加會急劇下降。

量子密鑰分配網絡便是以這種點對點的量子密鑰分配為基礎，在多個用戶之間分配密鑰的網絡。依據中間節點的不同類型，可將量子密鑰分配網絡分為三種：光學節點網絡、量子中繼網絡和信任中繼網絡。

基于光學節點的量子密鑰分配網絡主要是在網絡中利用分束器，干涉環、光開關等光器件來改變單光子的傳輸方向，這是根據經典光學的特性對量子信息進行路由。這種類型的量子密鑰分配網絡方法較為成熟，在目前技術條件下易于實現，但是光學器件等光學節點的引入使得插入損耗大大增加，因而量子信息安全傳輸的距離縮短；同時當節點用戶數量增加時，整個網絡分配密鑰的速度便會降低。所以這種類型的量子密鑰分配并不適合長距離的廣域網使用。

基于量子中繼的量子密鑰分配網絡的實現思想是：把傳輸通道分為若干段，在每一段制備糾纏對，并發送到分段的兩端，再對這些糾纏對進行鈍化，通過相鄰之間的糾纏交換，把提純后的糾纏對的距離分布得更遠。這種類型的中繼網絡可以實現長距離、多用戶的密鑰分配。但是該網絡所需的關鍵技術如量子中繼器并不成熟，離真正實現還有一定距離。

信任中繼網絡是由若干個節點和連接各個節點的鏈路按照一定的拓撲結構組成。節點之間靠經典信道和量子信道連接。量子信道用于在兩點之間傳輸單光子；經典信道用于對基、身份驗證以及傳輸信令、加密密鑰等。如圖1所示，當網絡中的兩個主機Alice和Bob要進行密鑰K的分配時，由于傳輸距離的限制，并不能在兩點之間直接分配密鑰，需要依靠中間信任節點的接力傳遞。這種需要有信任中繼節點的配合才能傳遞的密鑰K也稱為全局密鑰。首先，在Alice和節點1之間建立共享量子密鑰K1，節點1和節點2之間共享量子密鑰K2，節點2和Bob之間共享量子密鑰K3。Alice利用與節點1共享的量子密鑰K1對要發送的全局密鑰K加密，然后通過經典信道發送給節點1，節點1用K1對信息解密后獲得K，并將K用K2加密發給節點2，節點2使用密鑰K2解密獲得K后，再用K3加密K發給Bob，Bob用K3對信息解密后獲得最后的密鑰K。這樣就完成了在Alice和Bob之間全局密鑰的分配。為保證全局密鑰傳遞的安全性，每一次對K加密采用的量子密鑰都是與K等長度的，且采用“一次一密”的加密方式。假設中間節點的安全性可以得到保證，這種基于信任中繼的量子密鑰分配網絡就可以在理論上實現遠距離，多用戶的密鑰分配。因此信任中繼網絡是一種較為容易實現的未來理想量子密鑰分配網絡方案。

目前在基于信任中繼的量子密鑰分配網絡中，如何實現密鑰分配的請求控制和密鑰的自動分配是一個尚待解決的問題。本發明提出一種用于量子密鑰分配的請求控制與自動實現的分層模型，并設計該模型中的各個模塊，給出實現密鑰自動分配的具體方法。

發明內容

本發明結合當前的技術條件和背景，針對基于信任中繼的量子密鑰分配網絡，提出一種為達到密鑰分配的請求控制和自動實現而設計的模型，設計不同層中應用的功能模塊，并詳細描述實現方法，旨在實現網絡中的任意兩個節點之間密鑰的自動分配。

本發明主要內容如下：