【摘要】：數(shù)據(jù)加密傳輸是保證網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)安全的重要措施,隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)地迅猛發(fā)展,很多領(lǐng)域中的重要和機(jī)密數(shù)據(jù)需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行加密傳輸。云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、量子計(jì)算的興起給依賴數(shù)學(xué)復(fù)雜度來(lái)保障安全的經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)加密方法帶來(lái)了挑戰(zhàn)。原來(lái)需要幾十萬(wàn)年完成的破解任務(wù)被縮短至幾天甚至幾個(gè)小時(shí)內(nèi)完成。經(jīng)典加密方法的優(yōu)勢(shì)是對(duì)于網(wǎng)絡(luò)中的各種傳輸需求和數(shù)據(jù)格式都有較成熟的加密算法,關(guān)鍵在于如何保護(hù)密鑰的安全。通過(guò)量子密鑰分發(fā)技術(shù)進(jìn)行密鑰分發(fā)和加密,實(shí)現(xiàn)對(duì)需要保護(hù)的機(jī)密數(shù)據(jù)基于比特的“一次一密”,是可證安全的加密通信技術(shù)。量子密鑰分發(fā)的優(yōu)勢(shì)是可以保證量子密鑰的高度安全性。因而,將量子密鑰分發(fā)與經(jīng)典加密方法進(jìn)行融合可以有效地利用各自的優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的安全加密。量子密鑰分發(fā)采用與經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)相對(duì)獨(dú)立的量子網(wǎng)絡(luò),在與經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)融合對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密時(shí),存在量子密鑰管理、量子網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)檢測(cè)、量子密鑰的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)存、量子密鑰分發(fā)路由選擇等問(wèn)題。因此,需要設(shè)計(jì)將量子密鑰分發(fā)與經(jīng)典加密有效融合的模型和方法,利用量子密鑰高度安全地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)加密傳輸。本文針對(duì)經(jīng)典加密方法中的對(duì)稱加密方法、非對(duì)稱加密體制以及圖像加密等特定應(yīng)用的加密方法與量子密鑰分發(fā)相融合的關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展了研究工作,主要貢獻(xiàn)和創(chuàng)新點(diǎn)包括:1.量子密鑰分發(fā)與經(jīng)典對(duì)稱加密的融合方法(1)在量子密鑰分發(fā)與經(jīng)典對(duì)稱加密方法融合時(shí),針對(duì)量子密鑰的更新管理問(wèn)題,提出了基于滑動(dòng)窗口的量子密鑰管理算法RSQKW。首先,引入滑動(dòng)窗口機(jī)制管理量子密鑰的消耗;然后,通過(guò)量子密鑰生成速率協(xié)商滑動(dòng)窗口的控制參數(shù);最后,利用量子密鑰本身的隨機(jī)特性計(jì)算滑動(dòng)窗口的滑動(dòng)步長(zhǎng),滑動(dòng)窗口中的量子密鑰序列作為新生成的用于經(jīng)典加密算法的密鑰。在真實(shí)的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該算法可以更有效地管理量子密鑰。(2)在量子密鑰分發(fā)與經(jīng)典對(duì)稱加密方法融合時(shí),基于RSQKW基礎(chǔ)上,進(jìn)一步提出了包含三層結(jié)構(gòu)的依據(jù)量子網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)自適應(yīng)管理量子密鑰的模型SQKR。首先,定義了量子密鑰分發(fā)與經(jīng)典加密方法的融合模型,給出各層的定義和功能;然后,通過(guò)探測(cè)量子網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)QBER等參數(shù),依據(jù)量子網(wǎng)絡(luò)的工作狀態(tài)進(jìn)行密鑰管理,將量子密鑰分發(fā)與AES、DES、VPN等經(jīng)典對(duì)稱加密方法協(xié)同進(jìn)行工作;最后,在真實(shí)的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證SQKR模型可以基于量子網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進(jìn)行量子密鑰的動(dòng)態(tài)管理,有效地將量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)與多種經(jīng)典對(duì)稱加密算法融合對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。(3)當(dāng)數(shù)據(jù)經(jīng)由經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)距離量子加密傳輸時(shí),量子密鑰需經(jīng)多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn),針對(duì)量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)的路由選擇問(wèn)題,提出了動(dòng)態(tài)加權(quán)的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)路由選擇模型QDTM。首先,通過(guò)獲取量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)中的中繼節(jié)點(diǎn)狀態(tài),對(duì)中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信任評(píng)估;然后,計(jì)算量子密鑰分發(fā)路徑選擇的通信代價(jià),將兩者的綜合權(quán)重作為量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)路由選擇的依據(jù),動(dòng)態(tài)選擇量子密鑰分發(fā)路由用于量子網(wǎng)絡(luò)規(guī)模增大時(shí)進(jìn)行遠(yuǎn)程量子對(duì)稱加密數(shù)據(jù)傳輸。2.量子密鑰分發(fā)與非對(duì)稱加密體制的融合方案針對(duì)基于身份加密的公鑰方案中存在的安全問(wèn)題,提出了一種基于量子密鑰和云服務(wù)的身份加密方案QIBE。首先,通過(guò)引入量子加密技術(shù)解決密鑰生成器與云服務(wù)之間用戶隱私信息和撤銷列表等信息安全傳輸問(wèn)題;然后,通過(guò)提出的量子時(shí)間令牌機(jī)制,安全地對(duì)用戶私鑰進(jìn)行分發(fā)和管理;最后,通過(guò)量子密鑰共享和云服務(wù)安全高效地實(shí)現(xiàn)了用戶撤銷管理。在真實(shí)的量子密鑰分發(fā)和云計(jì)算環(huán)境中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方案具有更好的安全性和實(shí)用性,并給出了方案的性能分析。3.量子密鑰分發(fā)與特定加密應(yīng)用的融合方法(1)量子密鑰分發(fā)與經(jīng)典圖像加密算法的融合能有效提高圖像傳輸?shù)陌踩?由此提出了基于量子密鑰的二維logistic映射圖像加密算法。首先,通過(guò)量子密鑰構(gòu)造二維Logistic映射的初始值;然后,通過(guò)二維Logistic映射生成混沌序列對(duì)圖像進(jìn)行加密;最后,通過(guò)量子密鑰分發(fā)持續(xù)更新量子密鑰序列,實(shí)現(xiàn)基于量子密鑰的網(wǎng)絡(luò)多媒體圖像“一次一密”地安全傳輸。(2)針對(duì)大數(shù)據(jù)環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)或核心節(jié)點(diǎn)中需要對(duì)數(shù)據(jù)按照不同安全級(jí)別自動(dòng)分類加密的問(wèn)題,提出了一種Hadoop環(huán)境下的隨機(jī)森林算法,并將其應(yīng)用于對(duì)數(shù)據(jù)自動(dòng)分類進(jìn)行量子加密的場(chǎng)景中。通過(guò)數(shù)據(jù)集驗(yàn)證了分類結(jié)果的準(zhǔn)確性。(3)為有效實(shí)現(xiàn)將量子密鑰安全轉(zhuǎn)儲(chǔ)至移動(dòng)設(shè)備,使其能夠通過(guò)量子加密訪問(wèn)云端數(shù)據(jù),提出基于量子加密的移動(dòng)云數(shù)據(jù)傳輸模型以及基于量子密鑰和距離約束的安全認(rèn)證協(xié)議QHK。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證量子密鑰可以安全地轉(zhuǎn)儲(chǔ)到用戶的移動(dòng)設(shè)備中,并實(shí)現(xiàn)通過(guò)量子密鑰對(duì)移動(dòng)云中數(shù)據(jù)地加密傳輸。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN918;O413
【圖文】：

來(lái)保障安全的經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)加密方法帶來(lái)了挑戰(zhàn)。谷歌公司最新的子比特的通用量子計(jì)算機(jī) Bristlecone，可以將原來(lái)需要幾十萬(wàn)幾天甚至幾個(gè)小時(shí)內(nèi)完成。為解決經(jīng)典加密方法所面臨的安全尋找有效的方式提高經(jīng)典加密方法的安全性。分發(fā)[1](Quantum Key Distribution,QKD)是根據(jù)量子不確定性原量子物理原理保障密鑰安全的量子通信技術(shù)。BB84、B92 和 E[2-4]已經(jīng)逐步進(jìn)入了實(shí)際應(yīng)用階段。量子加密依靠量子密鑰的物，而不依賴數(shù)學(xué)復(fù)雜性，因此具有極高的安全性，是一種可證加密技術(shù)快速發(fā)展，在電話網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中都可進(jìn)行更為安全有效地?cái)?shù)據(jù)加密[7, 8]。量子密鑰分發(fā)是量子保密通密鑰分發(fā)時(shí)需要量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)和經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)的各項(xiàng)機(jī)制協(xié)調(diào)如圖 1.1 所示。

1 0 1 1 1 0 1r t 圖 1.2 BB84 協(xié)議量子密鑰分發(fā)原理聽(tīng)者對(duì)量子態(tài)進(jìn)行測(cè)量或竊聽(tīng)，都會(huì)使子密鑰分發(fā)過(guò)程，收發(fā)雙方同時(shí)獲得相一次一密”。工作的對(duì)稱加密方法、非對(duì)稱加密體制以及相融合的關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展了一系列研究工量子密鑰更新管理問(wèn)題、建立量子密鑰 QKD 網(wǎng)絡(luò)路由選擇問(wèn)題、量子密鑰分發(fā)與圖像加密特定加密應(yīng)用的融合問(wèn)題等

10=151，雙方的量子密鑰滑動(dòng)窗口均向前滑動(dòng) 151 位；而在量子網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)受到影響，量子密鑰生成速率降低時(shí)，圖2.1(c)中再次協(xié)商后的η降為6，λ=(110100)10=52，在 η=6 時(shí)，根據(jù)性質(zhì) 2，窗口移動(dòng) λ 的最大值為 64，與 η=8 時(shí)移動(dòng) λ 最大為 256 相比，減小了每輪加密使用新鮮量子密鑰的數(shù)量規(guī)模，相當(dāng)于倍增了量子密鑰的數(shù)量，在量子網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)不穩(wěn)定

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2775863