量子保密通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)技術(shù)原理解析

　　1 引言

　　量子密碼學(xué)的研究源于Bennett和Brassard的開(kāi)創(chuàng)性工作［1］。不同于經(jīng)典密碼學(xué)，量子密碼學(xué)的安全性保障并不來(lái)自于數(shù)學(xué)算法的計(jì)算復(fù)雜度，而是建立在量子物理學(xué)的基本定律之上，能夠提供獨(dú)特的長(zhǎng)期安全性保障。

　　所謂的長(zhǎng)期安全性理念，來(lái)自信息論的創(chuàng)立者香農(nóng)（Shannon C）［2］1949年提出的信息理論安全模型，其證明在一次一密（one-time pad，OTP）加密下，即使敵手的計(jì)算能力無(wú)限強(qiáng)，也無(wú)法從密文中竊取任何信息，這使得竊聽(tīng)者的存在毫無(wú)意義。OTP算法的實(shí)現(xiàn)必須滿足3個(gè)條件，分別是“密鑰必須完全隨機(jī)”“密鑰不能重復(fù)使用”“密鑰需與明文等長(zhǎng)”。它涉及經(jīng)典物理中兩個(gè)不可實(shí)現(xiàn)的任務(wù)：一是如何生成真正隨機(jī)的密鑰；二是如何在不安全的公共信道上無(wú)條件安全地分發(fā)密鑰。隨著量子信息技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)基于量子物理學(xué)可以解決這兩個(gè)難題：真正的隨機(jī)數(shù)可以通過(guò)基本的量子物理過(guò)程生成，通過(guò)量子通信手段則可實(shí)現(xiàn)在公共信道上也無(wú)法被竊聽(tīng)的密鑰分發(fā)。

　　為此，量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器（quantum random number generator，QRNG）和量子密鑰分發(fā)（quantum key distribution，QKD）作為代表性的量子密碼學(xué)技術(shù)受到了廣泛關(guān)注［3］。近年來(lái)，實(shí)用化的QKD技術(shù)正在不斷發(fā)展完善。通過(guò)與經(jīng)典對(duì)稱密碼技術(shù)的結(jié)合，采取一定的性能與安全性折中，QKD可以支持高速率的保密通信應(yīng)用。在設(shè)備方面，QKD的性能增強(qiáng)、小型化甚至芯片化［4-5］已在不斷地迭代升級(jí)。在組網(wǎng)方面，基于可信中繼的QKD網(wǎng)絡(luò)在美國(guó)、奧地利、中國(guó)、日本、瑞士、英國(guó)、韓國(guó)等多個(gè)國(guó)家得到了廣泛的試驗(yàn)部署［6-9］。在標(biāo)準(zhǔn)化方面，歐洲和中國(guó)正在加速制定相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和安全認(rèn)證［10］。在應(yīng)用方面，QKD在一些需要長(zhǎng)期安全性保障的領(lǐng)域（例如金融、政務(wù)、醫(yī)療等方面）的商業(yè)應(yīng)用已在逐步成形。

　　然而，作為人們首次利用量子物理手段來(lái)實(shí)現(xiàn)保密通信的創(chuàng)新實(shí)踐，QKD的發(fā)展仍面臨著傳輸距離和速率、設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)部署成本、標(biāo)準(zhǔn)化與安全認(rèn)證、商業(yè)模式及應(yīng)用需求等多方面的挑戰(zhàn)。如何構(gòu)建可擴(kuò)展、廣域覆蓋的QKD網(wǎng)絡(luò)，提供更廣泛的安全服務(wù)和應(yīng)用，無(wú)疑是QKD產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的關(guān)鍵所在。

　　本文首先簡(jiǎn)要介紹QKD技術(shù)原理，然后針對(duì)如何將點(diǎn)對(duì)點(diǎn)QKD技術(shù)擴(kuò)展為多用戶網(wǎng)絡(luò)，提出一種可擴(kuò)展的、面向應(yīng)用的QKD網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)方案。進(jìn)一步地，通過(guò)與基于對(duì)稱密鑰的密鑰分發(fā)中心（key distribution center，KDC）方案和基于非對(duì)稱密鑰的公鑰基礎(chǔ)設(shè)施（public key infrastructure，PKI）方案的對(duì)比分析，提出將QKD與經(jīng)典密碼方案優(yōu)勢(shì)相結(jié)合的新方案。通過(guò)將量子密鑰應(yīng)用于移動(dòng)終端側(cè)，以解決量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)難以覆蓋“最后一公里”的難題，有望將量子安全服務(wù)拓展到面向新興ICT技術(shù)的移動(dòng)化應(yīng)用中，從而使QKD適用于更廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。

　　2 量子密鑰分發(fā)技術(shù)原理

　　從基本原理上來(lái)看，QKD是通過(guò)光量子態(tài)的信息編碼、傳遞、檢測(cè)等操作來(lái)實(shí)現(xiàn)的量子信息處理過(guò)程。QKD有基于量子態(tài)制備—測(cè)量和基于量子糾纏等多種實(shí)現(xiàn)方式，其安全性通常由如下3個(gè)量子物理原理保障。

　　? 海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理：該原理指出一旦通過(guò)測(cè)量可以獲得某個(gè)量子系統(tǒng)的部分狀態(tài)信息，那么該量子系統(tǒng)狀態(tài)就必然會(huì)發(fā)生擾動(dòng)，除非事先已知該量子系統(tǒng)的可能狀態(tài)是彼此正交的。這使得在QKD過(guò)程中，僅當(dāng)接收方采用與發(fā)送方相同的基（包含正交的兩個(gè)基矢）進(jìn)行制備和測(cè)量時(shí)，雙方可以獲取正確的信息；而竊聽(tīng)者的測(cè)量行為則一定會(huì)改變量子態(tài)的物理特性，從而使竊聽(tīng)行為無(wú)法避免地被檢測(cè)出來(lái)。

　　? 量子不可克隆定理：該定理是指無(wú)法以一個(gè)量子比特為基礎(chǔ)精確地復(fù)制出它的完美副本，對(duì)量子態(tài)進(jìn)行復(fù)制的過(guò)程必然會(huì)破壞其原有的量子比特信息。這意味著竊聽(tīng)者無(wú)法復(fù)制量子比特承載的信息。

　　? 量子糾纏特性：在量子力學(xué)里，當(dāng)多個(gè)粒子彼此相互作用后，由各個(gè)粒子所擁有的特性已綜合成為整體的性質(zhì)，無(wú)法單獨(dú)描述各個(gè)粒子的性質(zhì)，只能描述整體系統(tǒng)的性質(zhì)，這種現(xiàn)象稱為量子糾纏。愛(ài)因斯坦將該現(xiàn)象稱為“遙遠(yuǎn)地點(diǎn)之間的詭異互動(dòng)”。該特性使得發(fā)生量子糾纏的雙方，其信息不可能泄露給第三方。

　　圖1給出一個(gè)典型的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)QKD系統(tǒng)模型。可以看到，QKD是一個(gè)通信雙方協(xié)商產(chǎn)生共享密鑰的過(guò)程。雖然存在BB84、GG02等多種不同的QKD協(xié)議，但均需由量子信道和經(jīng)過(guò)認(rèn)證的經(jīng)典信道相連的發(fā)送和接收裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。量子信道中傳輸?shù)氖怯闪孔討B(tài)承載的量子比特信號(hào)，可以利用光纖、自由空間（包括衛(wèi)星鏈路）等物理媒介進(jìn)行傳輸。經(jīng)典信道則用于發(fā)送方Alice和接收方Bob進(jìn)行基矢比對(duì)等數(shù)據(jù)后處理步驟的信息交互。這里量子信道和經(jīng)典信道均可通過(guò)公共通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸而無(wú)需擔(dān)心竊聽(tīng)者的存在，因?yàn)锳lice和Bob可以利用QKD特殊的處理過(guò)程發(fā)現(xiàn)竊聽(tīng)行為。

　　圖1 QKD工作機(jī)制示意圖

　　當(dāng)Alice與Bob之間進(jìn)行量子保密通信時(shí)，首先需通過(guò)QKD進(jìn)行對(duì)稱密鑰的分發(fā)。QKD的第一個(gè)步驟是量子通信，即通過(guò)量子信道進(jìn)行量子態(tài)的制備（或稱編碼）、傳遞和測(cè)量（或稱解碼）。這里Alice和Bob均具備建立量子信道所需的專用光學(xué)設(shè)備。Alice通過(guò)單/弱光子源將一個(gè)個(gè)單獨(dú)的光子（量子態(tài)的載體）不斷地發(fā)送給Bob，每個(gè)光子可以看作承載著1量子比特（Qbit）的信息。Alice在發(fā)送這些光子時(shí)，會(huì)隨機(jī)選擇兩種不同類型的“基”之一來(lái)進(jìn)行量子編碼處理。在BB84協(xié)議中，“基”是編碼或測(cè)量光子的偏振角度，每類基包含兩個(gè)相互正交的基矢，而兩類基之間則是非正交的，例如由{0°， 90°}偏振組成的垂直正交基和由{45°， ?45°}偏振組成的斜對(duì)角基。

　　作為接收方的Bob，為獲取其通過(guò)量子信道接收到的每個(gè)光子所攜帶的信息，Bob需像Alice一樣隨機(jī)選擇兩種可能的“基”之一對(duì)光子進(jìn)行測(cè)量。這里測(cè)量基的選擇必須是隨機(jī)的，且與Alice制備光子時(shí)所用的基無(wú)關(guān)。然后，Alice和Bob可通過(guò)經(jīng)典信道公開(kāi)比對(duì)雙方在制備和測(cè)量光子時(shí)所用的基。當(dāng)且僅當(dāng)Alice和Bob隨機(jī)地選擇了相同的基時(shí)，根據(jù)海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理，雙方會(huì)得到相同的信息，可用于生成密鑰。而當(dāng)Alice和Bob隨機(jī)選擇不同的基時(shí)，則雙方所得到的信息是隨機(jī)的，應(yīng)予以丟棄。圖2形象地描述了基于BB84協(xié)議的基矢比對(duì)過(guò)程。

　　圖2 BB84 QKD協(xié)議原理示意圖

　　在量子通信步驟結(jié)束后，QKD還需要根據(jù)參數(shù)估計(jì)過(guò)程，通過(guò)對(duì)誤碼率等參數(shù)的評(píng)估識(shí)別當(dāng)前是否存在竊聽(tīng)，然后還需通過(guò)密鑰數(shù)據(jù)的糾錯(cuò)、校驗(yàn)、隱私放大等過(guò)程，保證收發(fā)兩端得到完全一致的、安全的隨機(jī)數(shù)，用于生成雙方進(jìn)行保密通信所需的對(duì)稱密鑰。

　　3 量子保密通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

　　將點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的QKD技術(shù)擴(kuò)展為多用戶的QKD網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)多用戶間的保密通信，例如多方的量子加密電話或視頻會(huì)議，才能充分發(fā)揮QKD的應(yīng)用潛力。目前來(lái)看，QKD網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)方案可以分為以下3類。

　　? 基于無(wú)源光器件：通過(guò)光開(kāi)關(guān)進(jìn)行兩兩用戶間的光路切換，以實(shí)現(xiàn)多用戶量子信道的時(shí)分復(fù)用。這種方案無(wú)法突破量子通信鏈路傳輸距離限制（實(shí)際部署中約為80~100 km），不具有可擴(kuò)展性。

　　? 基于可信中繼：首先將點(diǎn)對(duì)點(diǎn)QKD鏈路生成的密鑰緩存在可信中繼節(jié)點(diǎn)中，然后將用戶所需的端到端密鑰，利用多跳鏈路密鑰以O(shè)TP加密方式逐跳進(jìn)行傳遞，以實(shí)現(xiàn)信息理論安全的端到端密鑰分發(fā)。該方案可以突破QKD鏈路傳輸距離限制，但要求密鑰傳輸?shù)闹欣^節(jié)點(diǎn)必須可信。

　　? 基于量子中繼：利用量子糾纏原理實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)，以實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的遠(yuǎn)距離分發(fā)。該技術(shù)無(wú)需中繼節(jié)點(diǎn)可信，但目前仍處于理論研究階段。

　　現(xiàn)有的QKD網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)部署通常采用前兩種方案［11］，但目前尚無(wú)統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)化的QKD網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。本節(jié)主要探討如何基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的QKD技術(shù)構(gòu)建多用戶的、可擴(kuò)展的、面向應(yīng)用的QKD網(wǎng)絡(luò)，首先給出面向大規(guī)模QKD網(wǎng)絡(luò)建設(shè)運(yùn)營(yíng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)需求，進(jìn)而提出一種可擴(kuò)展QKD網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)解決方案，為QKD網(wǎng)絡(luò)部署及其標(biāo)準(zhǔn)化提供參考。

　　3.1 QKD網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)需求

　　QKD網(wǎng)絡(luò)作為一種提供密碼學(xué)服務(wù)的通信網(wǎng)絡(luò)，其具備經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)類似的特征，即同樣由大量的信號(hào)調(diào)制、發(fā)射、接收、檢測(cè)、后處理等通信功能模塊組成。因此，其必須滿足通信網(wǎng)絡(luò)部署所需要的靈活擴(kuò)展、成本經(jīng)濟(jì)、兼容互通等基本需求。另外，QKD網(wǎng)絡(luò)所提供的服務(wù)與經(jīng)典通信系統(tǒng)不同，是隨機(jī)的密鑰而非有序的信息。因此，QKD網(wǎng)絡(luò)還需要滿足密碼學(xué)服務(wù)的各種需求，包括嚴(yán)格的安全性、與安全應(yīng)用的結(jié)合等。

　　綜合考慮通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)運(yùn)營(yíng)和保密通信服務(wù)兩方面要求，QKD網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的總體需求包括如下7個(gè)方面。

　?。?）可擴(kuò)展性

　　? 可實(shí)現(xiàn)通過(guò)QKD網(wǎng)絡(luò)相連的任意兩節(jié)點(diǎn)間的信息論安全密鑰分發(fā)；

　　? 可靈活支持廣域組網(wǎng)所需的骨干、城域、接入等多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

　　? 可根據(jù)業(yè)務(wù)需求變化進(jìn)行靈活、經(jīng)濟(jì)地?cái)U(kuò)容升級(jí)和重配置。

　　（2）高效性

　　可根據(jù)用戶需求和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的變化，靈活選擇密鑰的傳輸路徑，調(diào)度網(wǎng)絡(luò)物理資源，提供高效的密鑰輸出容量和性能，可滿足各類用戶業(yè)務(wù)要求的密鑰帶寬、時(shí)延等性能要求。

　?。?）生存/可用性

　　在某些鏈路或節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，可實(shí)現(xiàn)快速故障定位和恢復(fù)，保證業(yè)務(wù)連續(xù)性，不影響用戶體驗(yàn)。

　?。?）應(yīng)用靈活性

　　可為上層ICT應(yīng)用提供靈活開(kāi)放的密鑰服務(wù)集成方案和方便易用的可編程應(yīng)用接口（API）。

　?。?）差異化策略控制

　　網(wǎng)絡(luò)可根據(jù)不同用戶的特定安全等級(jí)及業(yè)務(wù)需求，提供差異化的密鑰服務(wù)質(zhì)量管理，并提供多種靈活計(jì)費(fèi)方式。

　?。?）安全性

　　? 采用安全可靠的QKD協(xié)議及收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)，具備嚴(yán)格的理論安全性證明，可防御各種已知的量子層安全威脅；

　　? 密碼技術(shù)的使用應(yīng)符合相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證；

　　? 密鑰中繼節(jié)點(diǎn)能保證無(wú)人值守情況下的可靠安全運(yùn)行；

　　? 具備完整的入侵檢測(cè)、安全防御等功能和措施。

　?。?）互操作能力

　　支持來(lái)自不同設(shè)備生產(chǎn)商的QKD設(shè)備及組網(wǎng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)異廠商設(shè)備互操作能力。

　　3.2 QKD網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)方案

　　參考現(xiàn)有QKD網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案，結(jié)合上述網(wǎng)絡(luò)需求，這里給出一種QKD網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的參考設(shè)計(jì)方案，如圖3所示。

　　圖3 量子保密通信網(wǎng)絡(luò)參考架構(gòu)

　　為實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)QKD向多用戶QKD網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展，需在QKD信號(hào)發(fā)射機(jī)（Q-Tx）和QKD信號(hào)接收機(jī)發(fā)機(jī)（Q-Rx）的基礎(chǔ)上，增加量子密鑰管理（quantum key manager，QKM）功能，以構(gòu)成基本的QKD網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)量子密鑰的控制、管理或中繼轉(zhuǎn)發(fā)等功能。

　　基于目前的QKD技術(shù)水平，QKD網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過(guò)光纖連接組成QKD網(wǎng)絡(luò)是其組網(wǎng)的主要方式，基于衛(wèi)星等自由空間信道的QKD鏈路將作為特殊場(chǎng)景下的輔助組網(wǎng)手段。從QKD網(wǎng)絡(luò)功能和節(jié)點(diǎn)配置角度出發(fā)，將QKD網(wǎng)絡(luò)劃分為量子骨干網(wǎng)（quantum backbone network，QBB）和量子接入網(wǎng)（quantum access network，QAN）兩部分。QBB由遠(yuǎn)距離、大容量的QKD骨干線路組成，負(fù)責(zé)連接多個(gè)城域網(wǎng)組成更大規(guī)模的廣域網(wǎng)絡(luò)，通常采用環(huán)形或mesh組網(wǎng)結(jié)構(gòu)以保證其頑健性。QAN負(fù)責(zé)將大量的用戶節(jié)點(diǎn)鏈路匯聚接入骨干網(wǎng)，在網(wǎng)絡(luò)末梢通常采用星形組網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

　　這里將QKD網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分為用戶節(jié)點(diǎn)（Q-UN）、接入節(jié)點(diǎn)（Q-AN）、中繼節(jié)點(diǎn)（Q-RN）3類。QKD用戶節(jié)點(diǎn)可直接與QKD接入節(jié)點(diǎn)相連接入QKD網(wǎng)絡(luò)，也可通過(guò)光量子復(fù)用器（optical quantum multiplexer，Q-Mux）接入，以實(shí)現(xiàn)多路QKD用戶信號(hào)的復(fù)用，降低對(duì)接入節(jié)點(diǎn)側(cè)QKD接收機(jī)的需求。然后，通過(guò)多個(gè)QKD中繼節(jié)點(diǎn)組成的QBB骨干鏈路，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的密鑰中繼。由QKD用戶節(jié)點(diǎn)、接入節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)連接組成的多跳路徑，構(gòu)成了端到端的量子密鑰傳輸通道。該通道通過(guò)逐跳生成的量子密鑰進(jìn)行一次性密碼本（OTP）方式的加密傳輸，即可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的任意兩個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)之間信息論安全（information theoretic secure，ITS）的密鑰分發(fā)。

　　QKD節(jié)點(diǎn)兩兩之間的通信涉及3類邏輯接口，包括Q-Tx與Q-Rx之間的量子接口（Q1）、密鑰協(xié)商接口（K1）、QKM之間的密鑰中繼接口（K2）。Q-Tx與Q-Rx之間通過(guò)Q1接口實(shí)現(xiàn)收發(fā)信機(jī)之間的量子信號(hào)同步、量子比特信息的發(fā)送和探測(cè)；通過(guò)K1接口實(shí)現(xiàn)QKD的基矢比對(duì)、竊聽(tīng)檢測(cè)、密鑰糾錯(cuò)、隱私放大等功能，以生成安全的量子密鑰；通過(guò)K2接口進(jìn)行全局密鑰（用戶間的共享對(duì)稱密鑰）的中繼傳輸。Q1接口必須承載在基于光纖或衛(wèi)星鏈路的量子信道上，K1和K2接口則可通過(guò)經(jīng)典通信信道承載。注意這里的量子信道可通過(guò)波分復(fù)用（WDM）技術(shù)與經(jīng)典光通信網(wǎng)絡(luò)共用現(xiàn)有的光纖資源，由于這種部署方式對(duì)于QKD網(wǎng)絡(luò)是透明的，不涉及功能和協(xié)議影響，因此并未在該參考架構(gòu)中體現(xiàn)。

　　為高效實(shí)現(xiàn)QKD網(wǎng)絡(luò)的管理和控制，考慮當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)SDN化的演進(jìn)趨勢(shì)，這里在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中引入QKD網(wǎng)絡(luò)控制器（QKD network controller，Q-NC），負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的鑒權(quán)認(rèn)證，密鑰服務(wù)的資源管理、業(yè)務(wù)策略控制等功能。Q-NC目前主要由QKD密鑰服務(wù)管理中心（Q-KMS）、鑒權(quán)中心（Q-AuC）、策略控制中心（Q-PCRF）3部分功能模塊組成。Q-NC與網(wǎng)絡(luò)中的各QKD中繼節(jié)點(diǎn)及接入節(jié)點(diǎn)通過(guò)M1接口相連，收集各節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)及請(qǐng)求消息，并下發(fā)相應(yīng)的控制指令。具體的，其將通過(guò)Q-AuC連接實(shí)現(xiàn)用戶節(jié)點(diǎn)的鑒權(quán)認(rèn)證，通過(guò)Q-KMS完成密鑰中繼過(guò)程中的資源調(diào)度和路徑選擇，通過(guò)Q-PCRF根據(jù)量子網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商（quantum network operator，QNO）定義的服務(wù)質(zhì)量（quality of service，QoS）及計(jì)費(fèi)策略，為每個(gè)用戶密鑰會(huì)話業(yè)務(wù)執(zhí)行特定的QoS服務(wù)等級(jí)和計(jì)費(fèi)規(guī)則。

　　基于QKD網(wǎng)絡(luò)為用戶生成的全局密鑰（對(duì)稱共享量子密鑰），即可進(jìn)行量子安全的保密通信。這里進(jìn)一步定義了量子安全應(yīng)用（Q-App），其通過(guò)A1接口調(diào)用QKD用戶節(jié)點(diǎn)生成的量子密鑰，即可利用現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)現(xiàn)基于QKD的端到端量子保密通信。

　　4 量子密鑰分發(fā)移動(dòng)化應(yīng)用方案

　　雖然基于現(xiàn)有的QKD網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)可以開(kāi)展一系列實(shí)際業(yè)務(wù)應(yīng)用。但是，由于量子信道的特殊要求，量子保密通信中的密鑰分發(fā)仍然離不開(kāi)高成本的光纖或衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。這在一定程度上限制了量子通信應(yīng)用的發(fā)展，尤其在業(yè)務(wù)移動(dòng)化特征突出的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，量子通信難以與新興的ICT技術(shù)融合應(yīng)用。本節(jié)將探討如何結(jié)合QKD與經(jīng)典密碼的優(yōu)勢(shì)，并將QKD的應(yīng)用場(chǎng)景拓展至更廣泛的移動(dòng)業(yè)務(wù)中。

　　4.1 QKD與經(jīng)典密碼學(xué)方案的對(duì)比分析

　　這里將基于QKD網(wǎng)絡(luò)的保密通信方案抽象為如圖4所示的模型，其執(zhí)行過(guò)程可分解為表1所示的4個(gè)步驟，便于進(jìn)一步分析其優(yōu)缺點(diǎn)。

　　首先是密鑰預(yù)置過(guò)程，QKD網(wǎng)絡(luò)仍然需要為每個(gè)用戶提供特定的根密鑰，分別預(yù)置到QKD網(wǎng)絡(luò)的鑒權(quán)中心和每個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)中，以進(jìn)行QKD設(shè)備的初始身份認(rèn)證和鑒權(quán)。當(dāng)鑒權(quán)通過(guò)后，用戶可通過(guò)QKD網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行會(huì)話密鑰的協(xié)商，通過(guò)特有的OTP方式將密鑰安全地分發(fā)到收發(fā)兩端用戶。然后，用戶使用這些對(duì)稱的會(huì)話密鑰進(jìn)行基于AES加密的安全通信。

　　可以看到，基于QKD的會(huì)話密鑰分發(fā)是QKD方案最重要的優(yōu)勢(shì)，它同時(shí)具備信息理論安全、抗量子計(jì)算攻擊、前向安全性、可提供高速密鑰交換等優(yōu)勢(shì)。但是，其僅適用于用戶能夠通過(guò)光纖或衛(wèi)星接入QKD網(wǎng)絡(luò)的場(chǎng)景。

　　這里進(jìn)一步考慮現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)常見(jiàn)應(yīng)用場(chǎng)景下的保密通信方案，以與QKD進(jìn)行對(duì)比分析。經(jīng)典的保密通信方案可以分為基于對(duì)稱密鑰和非對(duì)稱密鑰兩種基本類型。

　　? 基于對(duì)稱密鑰：通常采用基于密鑰分發(fā)中心（key distribution center，KDC）方案，常用于移動(dòng)通信系統(tǒng)、基于Kerberos的企業(yè)網(wǎng)及部分銀行系統(tǒng)。例如在3G/4G通信系統(tǒng)中，運(yùn)營(yíng)商會(huì)為每位移動(dòng)用戶提供特殊的128位根密鑰（Ki），分別預(yù)置在手機(jī)的SIM卡和3G/4G網(wǎng)絡(luò)的用戶簽約管理中心（HSS），以進(jìn)行鑒權(quán)認(rèn)證和會(huì)話密鑰的生成。

　　? 基于非對(duì)稱密鑰：通常稱為公鑰技術(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中通常采用基于公鑰基礎(chǔ)設(shè)施（public key infrastructure，PKI）的方案以防止中間人攻擊。目前，大多數(shù)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用均基于此方案，包括基于SSL/TLS的HTTPS、軟件版本更新的驗(yàn)證、虛擬專用網(wǎng)（VPN）、安全電子郵件以及新興的區(qū)塊鏈等技術(shù)。

　　對(duì)于這兩類傳統(tǒng)的保密通信方案，同樣可以抽象為表1中所示的四步模型進(jìn)行分析。如圖5所示，對(duì)于基于對(duì)稱密鑰的KDC方案，終端和KDC首先分別預(yù)置用戶特殊（user-specific）的對(duì)稱密鑰作為根密鑰，終端入網(wǎng)時(shí)首先通過(guò)根密鑰進(jìn)行鑒權(quán)認(rèn)證；然后通過(guò)KDC的協(xié)商，與通信對(duì)端使用對(duì)稱密鑰加隨機(jī)數(shù)的方式產(chǎn)生新鮮的會(huì)話密鑰，用于后續(xù)的數(shù)據(jù)加解密傳輸。KDC方案不涉及基于算法的非對(duì)稱公鑰密碼技術(shù)，因此具有抗量子計(jì)算攻擊能力。但是大量終端根密鑰的管理十分復(fù)雜，且根密鑰長(zhǎng)期不變，無(wú)法保證前向安全性，一旦根密鑰泄露，歷史數(shù)據(jù)會(huì)將全部被黑客破解，造成巨大危害?！　?/p> ?

　　圖5 基于對(duì)稱密鑰的KDC方案模型

　　基于非對(duì)稱密鑰的PKI方案模型如圖6所示，首先通信雙方的終端A和服務(wù)器B需分別預(yù)置根CA證書(shū)（含公鑰等信息），然后終端在本地計(jì)算生成其公私鑰對(duì)，并向CA申請(qǐng)簽署下發(fā)代表用戶身份的證書(shū)。當(dāng)終端與服務(wù)器之間發(fā)起通信時(shí)，終端需首先向服務(wù)器出示其證書(shū)，服務(wù)器通過(guò)CA驗(yàn)證終端證書(shū)有效性后，完成終端的身份認(rèn)證。然后，服務(wù)器使用終端公鑰加密隨機(jī)生成的會(huì)話密鑰并發(fā)送給終端側(cè)，終端通過(guò)本地私鑰解密后獲取對(duì)稱的會(huì)話密鑰。最后，雙方可進(jìn)行基于對(duì)稱會(huì)話密鑰的數(shù)據(jù)加密通信。PKI方案無(wú)需預(yù)置用戶特殊的根密鑰，其管理相對(duì)簡(jiǎn)單，適用于大規(guī)模的互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。其缺點(diǎn)是身份認(rèn)證和會(huì)話密鑰協(xié)商過(guò)程均涉及非對(duì)稱公鑰算法，無(wú)法抵抗量子計(jì)算攻擊。

　　圖6 基于非對(duì)稱密鑰的PKI方案模型

　　4.2 QKD與經(jīng)典密碼學(xué)結(jié)合的移動(dòng)化應(yīng)用方案

　　通過(guò)上述分析可以看到，QKD和經(jīng)典的對(duì)稱、非對(duì)稱密碼方案均具有其優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，這里將進(jìn)一步探討如何利用QKD自身的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)結(jié)合經(jīng)典密碼學(xué)方案，進(jìn)一步延伸QKD的應(yīng)用場(chǎng)景。

　　這里提出一種新型解決方案，利用QKD自身的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，同時(shí)結(jié)合經(jīng)典的KDC和PKI方案特點(diǎn)，將基于量子密鑰分發(fā)的安全服務(wù)擴(kuò)展到移動(dòng)終端側(cè)。如圖7（a）所示，這里在QKD網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建面向量子安全服務(wù)的KDC（QSS-KDC）用于管理QKD網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的量子密鑰。同時(shí)，還需提供量子密鑰更新終端設(shè)備，以將QKD網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的量子密鑰緩存在終端的安全存儲(chǔ)介質(zhì)中（例如SD卡、SIM卡、U盾、安全芯片等），用于其通信過(guò)程中的鑒權(quán)和會(huì)話加密。該方案在移動(dòng)辦公、移動(dòng)作業(yè)、移動(dòng)支付、物聯(lián)網(wǎng)等場(chǎng)景均可以應(yīng)用。

　　圖7（b）中，同樣可將新型量子密鑰分發(fā)增強(qiáng)方案抽象為上述的四步模型。在根密鑰預(yù)置階段，在QKD用戶終端中預(yù)置基于后量子密碼學(xué)算法（PQC）的CA證書(shū)。當(dāng)用戶首次接入量子密鑰更新設(shè)備提取密鑰時(shí)，通過(guò)基于PQC的證書(shū)完成身份認(rèn)證，以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化的用戶初始認(rèn)證管理。然后，終端可以從QKD網(wǎng)絡(luò)末梢的量子密鑰更新設(shè)備獲取足夠的量子密鑰，用于后續(xù)的身份認(rèn)證和會(huì)話加密。在終端間進(jìn)行通信時(shí)，可通過(guò)終端與KDC預(yù)先共享的對(duì)稱量子密鑰進(jìn)行鑒權(quán)認(rèn)證，然后利用KDC協(xié)商產(chǎn)生終端間的對(duì)稱會(huì)話密鑰。這里所使用的量子密鑰，可以采取一次性使用、隨用隨棄的策略，保證鑒權(quán)和會(huì)話密鑰的新鮮性，以實(shí)現(xiàn)信息理論安全、抗量子計(jì)算攻擊等優(yōu)勢(shì)。

　　圖7 QKD向移動(dòng)終端延伸的增強(qiáng)方案

　　QKD與KDC、PQC結(jié)合的增強(qiáng)方案分析見(jiàn)表2，該方案相比KDC方案，可保證會(huì)話密鑰的前向安全性；相比PKI方案，則可保證身份認(rèn)證和會(huì)話密鑰協(xié)商過(guò)程的量子安全性；相比傳統(tǒng)的QKD方案，則可有效延伸其使用范圍。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　量子密鑰分發(fā)，作為第二次量子革命中率先實(shí)用化的量子信息技術(shù)之一，近年來(lái)從關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)、試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)部署到行業(yè)應(yīng)用示范都已取得長(zhǎng)足進(jìn)步，人們對(duì)其寄予厚望。然而，量子保密通信從實(shí)用化到產(chǎn)業(yè)化規(guī)模商用發(fā)展，仍然面臨來(lái)自量子層、組網(wǎng)層面、與經(jīng)典ICT應(yīng)用融合等多方面的實(shí)際挑戰(zhàn)。作為一項(xiàng)跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的系統(tǒng)工程，其需要量子物理學(xué)與經(jīng)典通信、密碼學(xué)、網(wǎng)絡(luò)工程、信息安全等多學(xué)科的廣泛合作與融合創(chuàng)新。

　　本文基于現(xiàn)有技術(shù)提出基于可信中繼的可擴(kuò)展QKD網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并進(jìn)一步提出將量子密鑰分發(fā)能力通過(guò)離線密鑰緩存方式延伸到移動(dòng)終端側(cè)的解決方案，希望對(duì)于當(dāng)前QKD網(wǎng)絡(luò)的部署和應(yīng)用發(fā)展發(fā)揮積極作用。隨著QKD技術(shù)的不斷發(fā)展，未來(lái)小型化、芯片化、移動(dòng)化的QKD技術(shù)和量子中繼技術(shù)取得突破后，QKD將有望作為電信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，為各類信息通信技術(shù)提供量子安全保障。

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　　王健全（1974?），男，博士（后），國(guó)科量子通信網(wǎng)絡(luò)有限公司副總裁、首席科學(xué)家、教授級(jí)高級(jí)工程師、博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)空間安全、網(wǎng)絡(luò)能力開(kāi)放、量子密鑰分發(fā)、量子互聯(lián)網(wǎng)等。

　　馬彰超（1984?），男，博士，國(guó)科量子通信網(wǎng)絡(luò)有限公司標(biāo)準(zhǔn)總監(jiān)、高級(jí)工程師， CCSA ST7量子信息處理子組副組長(zhǎng)，主要從事量子保密通信網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用技術(shù)演進(jìn)研究和標(biāo)準(zhǔn)化方面的工作。

　　李新中（1984?），男，國(guó)科量子通信網(wǎng)絡(luò)有限公司高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榱孔油ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)及在移動(dòng)通信系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用，天線技術(shù)研究和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)等。

　　孫雷（1984?），男，博士，國(guó)科量子通信網(wǎng)絡(luò)有限公司高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)移動(dòng)通信技術(shù)、量子通信網(wǎng)絡(luò)及其在移動(dòng)通信系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用等。

　　胡昌瑋（1978?），男，國(guó)科量子通信網(wǎng)絡(luò)有限公司高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榱孔油ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)及應(yīng)用。