CN106685650A - 一种基于量子通信技术的电力广域工业控制网通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于量子通信技术的电力广域工业控制网通信方法，属于量子通信技术应用领域，第一量子加密/解密设备利用第一量子通信设备产生的量子密钥，对业务发送端发送的信息进行加密；第一量子加密/解密设备通过业务光纤将密文信息发送至第二量子加密/解密设备；第一量子通信设备将量子密钥通过第二量子通信设备发送至第二量子加密/解密设备；第二量子加密/解密设备利用量子密钥对密文信息解密后将解密后的信息发送至接收端。通过在电力广域工业控制网典型业务场景中使用量子密钥对业务收发端之间的业务信息进行加密，保证了业务发送端与业务接收端之间的信息不被窃取、篡改，保证了电力广域工业控制网的通信安全以及业务安全。

Description

一种基于量子通信技术的电力广域工业控制网通信方法

技术领域

本发明涉及量子通信技术应用领域，特别涉及一种在具备广域工业控制网特征的电力通信网中实现安全通信的方法。

背景技术

电力通信专网主要承载电网生产、企业运营两大类业务，其中，电网生产业务涉及电网运行状态、调控指令等敏感信息，企业运营涉及企业人、财、物等敏感信息，一旦被篡改或者窃取将对公司生产、运营造成重大损失。

目前，保障电力广域工业控制网业务通信安全运行的方法一般包括网络隔离、访问控制、安全监控、终端加固、准入认证、恶意代码防护、传统加密算法保护等防御手段，这些手段有效的阻止了各类攻击手段度信息节点的入侵。但是现有的这些手段主要完成的是对经典通信网以及经典通信协议的安全保护，随着计算机计算能力的不断提升，攻击手段的不断增加、破译能力的不断提升，这些传统的加密方式势必存在被攻击的可能，因此传统的加密方式也会变得不安全。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于量子通信技术的电力广域工业控制网通信方法，以保证电力广域工业控制网通信的安全运行。

为实现以上目的，本发明采用的技术方案为：提供一种基于量子通信技术的电力广域工业控制网通信方法，该方法包括：

第一量子加密/解密设备利用量子通信设备产生的量子密钥，对业务发送端发送的信息进行加密以得到密文信息；

第一量子加密/解密设备通过业务光纤将密文信息发送至第二量子加密/解密设备；

第一量子通信设备将产生的量子密钥通过第二量子通信设备发送至第二量子加密/解密设备；

第二量子加密/解密设备根据接收到的量子密钥对密文信息进行解密，得到解密后的信息；

第二量子加密/解密设备将解密后的信息发送至接收端；

其中，所述的第一量子加密/解密设备、第一量子通信设备设置在当前业务发送端，所述的第二量子加密/解密设备、第二量子通信设备安装在当前业务接收端。

与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：本发明通过在电力广域工业控制网中使用量子密钥对业务收发端之间的业务信息进行加密处理，实现了电力通信网中，业务发送端与业务接收端之间的信息不被窃取、篡改，从而保证了电力广域工业控制网的通信安全以及业务安全。

附图说明

将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是本发明一实施例提供的一种基于量子通信技术的电力广域工业控制网通信方法方法的流程示意图；

图2是本发明一实施例中的步骤S3的细分步骤的流程示意图；

图3是本发明一实施例中判断量子密钥是否存在不安全行为的流程示意图；

图4是本发明一实施例提供的另一种基于量子通信技术的电力广域工业控制网通信方法方法的流程示意图；

图5是本发明一实施例中用于实现本发明方法的***结构示意图；

图6是本发明一实施例中的在电信息采集业务中，实现实现本发明方法的***结构示意图；

图7是本发明一实施例中的在配电通信网业务中，实现本发明方法的***结构示意图；

图8是本发明一实施例中的在调度数据网中调度自动化业务中，实现本发明方法的***结构示意图。

具体实施方式

下面结合图1至图8，对本发明做进一步详细叙述。

如图1、图5所示，本实施例公开了一种基于量子通信技术的电力广域工业控制网通信方法方法，该方法如下细分步骤S1至S5：

S1、第一量子加密/解密设备利用量子通信设备产生的量子密钥，对业务发送端发送的信息进行加密以得到密文信息；

S2、第一量子加密/解密设备通过业务光纤将密文信息发送至第二量子加密/解密设备；

具体地，该处的业务光纤即为原有通信网中的业务传输通信通道，这里不对原有通信网中的业务传输通信通道进行改造及升级适配，节省了经济成本。

S3、第一量子通信设备将产生的量子密钥通过第二量子通信设备发送至第二量子加密/解密设备；

S4、第二量子加密/解密设备根据接收到的量子密钥对密文信息进行解密，得到解密后的信息；

S5、第二量子加密/解密设备将解密后的信息发送至接收端。

具体地，第一量子加密/解密设备、第一量子通信设备设置在当前业务发送端，第二量子加密/解密设备、第二量子通信设备安装在当前业务接收端。

具体地，在步骤S1之前，首先要对当前业务发送端和当前业务接收端进行判定，过程具体为：

基于业务规约，判断业务主站或业务子站的启/停；

根据业务主站或业务子站的启/停，判断当前的业务传输方向；

如果当前的业务传输方向是正向传输，则判断业务主站为当前发送端；

如果当前的业务传输方向是逆向传输，则判断业务子站为当前发送端。

也就是说，在电力应用场景的量子通信应用网络搭建完成时，业务主站102默认为业务发送端，业务子站108默认为业务接收端，正向传输即为电力生产及管理单位101通过业务主站102向业务子站107发送业务信息。在量子通信应用网络进行通信之间，首先根据业务规约，判断业务主站或业务子站的启/停，当启动的是业务主站、停止的是业务子站时，则将业务主站确定为当前业务发送端、将业务子站确定为业务接收端，当启动的是业务子站、停止的是业务主站时，则将业务子站确定为业务发送端、将业务主站确定为业务接收端。

以业务主站102作为业务发送端进行举例说明如下：量子加密/解密设备103分别与业务主站102的业务发送端和业务主站102的量子通信设备106连接，业务主站102的发送端通过业务光纤111向量子加密/解密设备103发送业务信息，量子加密/解密设备103利用业务主站102的量子通信设备106产生的量子密钥对业务发送端发送的业务信息进行加密，业务主站102的量子加密/解密设备103将加密后的业务信息通过业务主站102的网络设备104、电力通信专网105以及业务子站107的网络设备104发送至业务子站107的量子加密/解密设备103中。业务子站107的量子加密/解密设备103分别与业务子站107的量子通信设备106和业务子站107连接，业务子站107的量子加密/解密设备103利用业务子站的量子通信设备106发送的量子密钥对接收到的加密后的密文信息进行解密，然后将解密得到的业务信息发送至业务子站107的业务接收端。

具体地，如图2、图5所示，步骤S3，具体包括：

S31、第一量子通信设备将产生的量子密钥通过第一光纤发送至第二量子通信设备；

具体地，这里将第一光纤作为业务发送端通信设备和业务接收端通信设备之间的密钥信息的传输。

S32、第二量子通信设备通过第二光纤对接收到的量子密钥进行正确性验证，并在量子密钥验证正确的情况下将量子密钥发送至第二量子加密/解密设备。

具体地，这里将第二光纤作为第一、第二量子通信设备间的密钥协商、验证信息的传输通道。这里第二量子通信设备只有在对接收到的量子密钥验证正确的情况下，才会将量子密钥传输至第二加密/解密设备中，以保证所发送的量子密钥能正确的对加密后的业务信息进行解密。

具体地，本实施例公开的另一种基于量子通信技术的电力广域工业控制网通信方法方法，在上述实施例公开的方法的基础上还包括步骤：在第一量子通信设备产生量子密钥时，首先要判断量子密钥是否存在不安全行为，然后再进行量子密钥的分发，具体过程如下：

在所述的第一、第二量子通信设备两端均按照ON-OFF开关模型进行量子密钥成码率的统计和分析；

根据量子密钥的成码率，检测量子密钥是否存在不安全行为；

如果量子密钥存在不安全行为，则基于预设的二进制指数退避算法将量子密钥延迟传输。

需要说明的是，该处的不安全行为包括窃听、攻击、复制等损害业务通信通道安全、信息安全的行为。

具体地，该处的在所述的第一、第二量子通信设备两端均按照ON-OFF开关模型进行量子密钥成码率的统计和分析的具体过程如下：

当开关模型处于ON状态时，以恒定的持续时间进行量子密钥成码率的统计和分析；

当开关模型处于OFF状态时，停止统计当前时间段内的量子密钥成码率。

需要说明的是，本实施例中通过按照ON-OFF开关模型进行量子密钥成码率的统计和分析，可以避免窃听者发现检测规律，提高检测窃听行为等共计行为的可靠性。

具体地，如图3所示，根据量子密钥的成码率，检测量子密钥是否存在不安全行为，具体包括如下步骤：

在开关模型处于ON状态时；

判断量子密钥的成码率是否小于25％；

如果小于25％，则确定量子密钥存在不安全行为；

如果不小于25％，则确定量子密钥在所述的第一光纤通道上传输安全。

具体地，在量子密钥存在不安全行为时，基于预设的二进制指数退避算法将量子密钥延迟传输，具体包括：

将量子密钥不安全行为发生的最长时间t的两倍2t作为一个时隙；

当检测到量子密钥第一次发生不安全行为时，所述的第一量子通信设备等待0或者1个时隙后再进行量子密钥传输；

当检测发到量子密钥第二次发生不安全行为时，所述的第一量子通信设备随机等待0、1、2或3个时隙后再进行量子密钥传输；

当检测到量子密钥第i次发生不安全行为时，所述的第一量子通信设备在0至2ⁱ-1个时隙内随机选取一个时隙数进行等待，并在等待结束后进行量子密钥传输，其中i>2；

当量子密钥发生不安全行为次数i大于或等于预设次数时，所述的第一量子通信设备停止传输量子密钥。

具体地，本实施例公开的一种基于量子通信技术的电力广域工业控制网通信方法，在上述实施例公开的内容的基础上，还包括增设一条第三光纤，具体应用过程如下：

在所述的第一量子通信设备停止传输量子密钥时，所述的第一量子通信设备通过第三光纤将量子密钥传输至所述的第二量子通信设备。

通过增设第三光纤，在发生不安全行为时作为备用的量子密钥传输通道，即使在发生不安全行为时，保证量子密钥的安全传输，从而保证整个业务信息传输的安全有序进行，提高了量子通信网的使用安全。

具体地，在量子密钥存在不安全行为，通过第三光纤将量子密钥传输至第二量子通信设备后，第一、二量子通信设备需要重新按照ON-OFF开关模型进行量子密钥成码率的统计和分析，具体过程如下：

判断量子密钥成码率是否小于25％；

如果量子密钥成码率小于25％，则重新搭建量子通信网络；

如果量子密钥成码率不小于25％，则确定量子密钥在所述的第三光纤通道上传输安全。

需要说明的是，在判断第三光纤通道安全后，即可用第三光纤代替第一光纤来传输量子密钥。

具体地，如图4所示，在步骤S2之前，还包括如下步骤：

对所述的第一光纤、第二光纤以及第三光纤进行光衰测试，以验证所述的第一光纤、第二光纤以及第三光纤是否满足量子密钥传输的衰耗需求。

具体地，如图5所示，通过增设光衰测试仪器112对第一光纤108、第二光纤109和第三光纤110进行光衰测试。验证光纤通道是否满足量子密钥传输的衰耗需求，这里的光衰测试仪器112按照仪器的实用规范进行测试即可。

具体地，如图4所示，在上述实施例中的步骤S5之后，还包括：

根据电力生产/企业运营的业务场景采用的业务规约，判断信息业务传输是否完成；

如果信息业务传输未完成，则根据业务规约进行业务响应以控制所述的第一量子通信设备生成量子密钥；

如果信息业务完成，则断开链路，信息传输过程结束。

本发明提出的方法为电力通信网应用提供了操作流程简单、应用场景丰富、使用方法简洁、保护能力高效的安全防护方法，同时可极大程度防护业务安全、加固通信通道，在不改变现有典型业务应用模式的基础上，仅借助已有光纤通道，独立占用两根裸光纤资源，以及备用光纤通道的灵活切换，降低了光缆铺设实施费用、设备线路改造费用等，极大节省人工成本、物资成本等，但不限于此，本领域的相关技术研究人员，在电力广域工业控制网中的电力生产业务、企业运营业务应用量子通信技术均能够参照本发明提出的方法进行实例化应用，均属于本发明方法的保护范围。

具体地，图6至图8是本发明保护的思想在电力广域工业控制网中的具体应用：

用电信息采集业务中的应用如图6所示：主要包括用电信息采集终端-用电信息采集主站之间的业务应用，具体包括集中器、采集器等采集终端，但不限于此，在用电信息采集业务领域各电压等级相关业务终端均可参照该方法实现量子保密通信技术的应用。

配电自动化业务中的应用如图7所示：主要包括配电自动化业务终端-配电自动化主站之间的业务应用，具体包括配电自动化子站、馈线开关监控终端(FTU，FeederTerminal Unit)、开闭所监控终端(DTU，Distribution Terminal Unit)、配电变压器监测终端(TTU，Transformer Terminal Unit)等，但不限于此，在配电自动化业务领域均可参照该方法设计实现量子保密通信技术的配电自动化应用。

调度数据网业务中的应用图如8所示：在本发明专利实施例基础上，本行业专业技术人员，可将该方法延伸至国家电力调度数据一级网、区域二级网、省级三级网、地市四级网和县级五级网，涵盖各级调度中心和直调的发电场、变电站等领域，同时量子通信技术的应用主要针对电力生产实时信息的安全传输，具体包括电网自动化信息、调度指挥指令、继电保护与安全自动装置控制信息等与电网生产指挥、调度相关业务内容。

Claims (10)

1.一种基于量子通信技术的电力广域工业控制网通信方法，其特征在于，所述方法包括：

第一量子加密/解密设备利用量子通信设备产生的量子密钥，对业务发送端发送的业务信息进行加密以得到密文信息；

第一量子加密/解密设备通过业务光纤将密文信息发送至第二量子加密/解密设备；

第一量子通信设备将产生的量子密钥通过第二量子通信设备发送至第二量子加密/解密设备；

第二量子加密/解密设备根据接收到的量子密钥对密文信息进行解密，得到解密后的信息；

第二量子加密/解密设备将解密后的信息发送至业务接收端；

其中，所述的第一量子加密/解密设备、第一量子通信设备设置在当前业务发送端，所述的第二量子加密/解密设备、第二量子通信设备安装在当前业务接收端。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的第一量子通信设备将产生的量子密钥通过第二量子通信设备发送至第二量子加密/解密设备，具体包括：

第一量子通信设备将产生的量子密钥通过第一光纤发送至第二量子通信设备；

第二量子通信设备通过第二光纤对接收到的量子密钥进行正确性验证，并在量子密钥验证正确的情况下将量子密钥发送至第二量子加密/解密设备。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

在所述的第一、第二量子通信设备两端均按照ON-OFF开关模型进行量子密钥成码率的统计和分析；

根据量子密钥的成码率，检测量子密钥是否存在不安全行为；

如果量子密钥存在不安全行为，则基于预设的二进制指数退避算法将量子密钥延迟传输。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述的第一、第二量子通信设备两端均按照ON-OFF开关模型进行量子密钥成码率的统计和分析，具体包括：

当开关模型处于ON状态时，以恒定的持续时间进行量子密钥成码率的统计和分析；

当开关模型处于OFF状态时，停止统计当前时间段内的量子密钥成码率。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的根据量子密钥的成码率，检测量子密钥是否存在不安全行为，具体包括：

判断量子密钥的成码率是否小于25%；

如果小于25%，则确定量子密钥存在不安全行为；

如果不小于25%，则确定量子密钥在所述的第一光纤通道上传输安全。

6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的基于预设的二进制指数退避算法将量子密钥延迟传输，具体包括：

将量子密钥不安全行为发生的最长时间t的两倍2t作为一个时隙；

当检测到量子密钥第一次发生不安全行为时，所述的第一量子通信设备等待0或者1个时隙后再进行量子密钥传输；

当检测发到量子密钥第二次发生不安全行为时，所述的第一量子通信设备随机等待0、1、2或3个时隙后再进行量子密钥传输；

当检测到量子密钥第i次发生不安全行为时，所述的第一量子通信设备在0至-1个时隙内随机选取一个时隙数进行等待，并在等待结束后进行量子密钥传输，其中i>2；

当量子密钥发生不安全行为次数i大于或等于预设次数时，所述的第一量子通信设备停止传输量子密钥。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述的第一量子通信设备停止传输量子密钥时，所述方法还包括：

所述的第一量子通信设备通过第三光纤将量子密钥传输至所述的第二量子通信设备。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述的第一量子通信设备通过第三光纤将量子密钥传输至所述的第二量子通信设备之后，还包括：

所述的第一、二量子通信设备重新按照ON-OFF开关模型进行量子密钥成码率的统计和分析；

判断量子密钥成码率是否小于25%；

如果量子密钥成码率小于25%，则重新搭建量子通信网络；

如果量子密钥成码率不小于25%，则确定量子密钥在所述的第三光纤通道上传输安全。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述的第一量子加密/解密设备通过业务光纤将密文信息发送至第二量子加密/解密设备之前，还包括：

对所述的第一光纤、第二光纤以及第三光纤进行光衰测试，以验证所述的第一光纤、第二光纤以及第三光纤是否满足量子密钥传输的衰耗需求。

10.如权利要求1-9任一项所述的方法，其特征在于，在所述的第二量子加密/解密设备将解密后的信息发送至接收端之后，还包括：

根据电力生产/企业运营的业务场景采用的业务规约，判断信息业务传输是否完成；

如果信息业务传输未完成，则根据业务规约进行业务响应以控制所述的第一量子通信设备生成量子密钥；

如果信息业务完成，则断开链路，信息传输过程结束。