CN115720160B - 一种基于量子密钥的数据通信方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于量子密钥的数据通信方法及***。该方法包括量子密钥分发服务器从量子随机数发生器获取量子密钥；第一即时通讯客户端获取所述量子密钥和第二即时通讯客户端的密钥；同时所述量子密钥分发服务器将所述量子密钥删除；所述第一即时通讯客户端和所述第二即时通讯客户端为待数据通信的即时通讯客户端；所述第一即时通讯客户端利用所述量子密钥以及随机获取的加密算法加密待传输的数据，确定加密数据；所述第一即时通讯客户端利用所述第二即时通讯客户端的密钥加密所述量子密钥；并将加密后的量子密钥、所述加密数据以及随机获取的加密算法对应的随机算法指示发送至所述第二即时通讯客户端。本发明能够提高数据通信的安全性。

Description

一种基于量子密钥的数据通信方法及***

技术领域

本发明涉及通信加密领域，特别是涉及一种基于量子密钥的数据通信方法及***。

背景技术

当前，进行加密通信主要是通过固定密钥和软件随机密钥两种方法。这两种方法都存在一些安全隐患问题。

其中，固定密钥是指通信双方使用某个固定的密钥，使用相应的加密算法对数据进行加密。使用固定密钥，如果固定密钥被恶意获取，则通信过程将变得透明，不再有安全可言。而软件随机密钥是指通过软件方法生成的随机密钥，它也称为伪随机数密钥，这种密钥不是真正的随机数，理论上是可以被破解的。

因此，基于上述问题，亟需提供一种安全性高的加密通信方法或***。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于量子密钥的数据通信方法及***，能够提高数据通信的安全性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于量子密钥的数据通信方法，包括：

量子密钥分发服务器从量子随机数发生器获取量子密钥；

第一即时通讯客户端获取所述量子密钥和第二即时通讯客户端的密钥；同时所述量子密钥分发服务器将所述量子密钥删除；所述第一即时通讯客户端和所述第二即时通讯客户端为待数据通信的即时通讯客户端；

所述第一即时通讯客户端利用所述量子密钥以及随机获取的加密算法加密待传输的数据，确定加密数据；

所述第一即时通讯客户端利用所述第二即时通讯客户端的密钥加密所述量子密钥；并将加密后的量子密钥、所述加密数据以及随机获取的加密算法对应的随机算法指示发送至所述第二即时通讯客户端。

可选地，所述第一即时通讯客户端获取所述量子密钥和第二即时通讯客户端的密钥；同时所述量子密钥分发服务器将所述量子密钥删除，具体包括：

IM服务器将自身的公钥发送至所述量子密钥分发服务器；

所述量子密钥分发服务器利用所述IM服务器的公钥将所述量子密钥进行加密，获得第一加密量子密钥；

所述IM服务器从所述量子密钥分发服务器获取所述第一加密量子密钥，并利用自身的私钥对所述第一加密量子密钥进行解密，获得所述量子密钥；与此同时，所述量子密钥分发服务器将所述量子密钥进行删除；

所述IM服务器利用所述第一即时通讯客户端的公钥将所述量子密钥进行加密，获得第二加密量子密钥；

所述第一即时通讯客户端从所述IM服务器中获取所述第二加密量子密钥，并利用自身的的私钥对所述第二加密量子密钥进行解密，获得所述量子密钥；与此同时，所述IM服务器将所述量子密钥进行删除。

可选地，所述IM服务器与所述量子密钥分发服务器之间以及IM服务器与第一即时通讯客户端之间均通过Internet进行通信。

可选地，所述第一即时通讯客户端获取所述量子密钥和第二即时通讯客户端的密钥；同时所述量子密钥分发服务器将所述量子密钥删除，具体包括：

去中心化子服务器将自身的公钥发送至所述量子密钥分发服务器；

所述量子密钥分发服务器利用所述去中心化子服务器的公钥将所述量子密钥进行加密，获得第三加密量子密钥；

所述去中心化子服务器从所述量子密钥分发服务器获取所述第三加密量子密钥，并利用自身的私钥对所述第三加密量子密钥进行解密，获得所述量子密钥；与此同时，所述量子密钥分发服务器将所述量子密钥进行删除；

所述去中心化子服务器利用获取的所述第一即时通讯客户端的公钥将所述量子密钥进行加密，获得第四加密量子密钥；

所述第一即时通讯客户端从所述去中心化子服务器中获取所述第四加密量子密钥，并利用自身的的私钥对所述第四加密量子密钥进行解密，获得所述量子密钥；与此同时，所述去中心化子服务器将所述量子密钥进行删除。

可选地，所述去中心化子服务器与所述量子密钥分发服务器之间通过Internet进行通信。

可选地，所述去中心化子服务器与所述第一即时通讯客户端之间通过协议穿透服务器进行通信。

一种基于量子密钥的数据通信***，包括：

量子密钥获取模块，用于量子密钥分发服务器从量子随机数发生器获取量子密钥；

密钥获取模块，用于第一即时通讯客户端获取所述量子密钥和第二即时通讯客户端的密钥；同时所述量子密钥分发服务器将所述量子密钥删除；所述第一即时通讯客户端和所述第二即时通讯客户端为待数据通信的即时通讯客户端；

数据加密模块，用于所述第一即时通讯客户端利用所述量子密钥以及随机获取的加密算法加密待传输的数据，确定加密数据；

加密数据传输模块，用于所述第一即时通讯客户端利用所述第二即时通讯客户端的密钥加密所述量子密钥；并将加密后的量子密钥、所述加密数据以及随机获取的加密算法对应的随机算法指示发送至所述第二即时通讯客户端。

一种基于量子密钥的数据通信***，包括：至少一个处理器、至少一个存储器以及存储在所述存储器中的计算机程序指令，当所述计算机程序指令被所述处理器执行时实现如所述的一种基于量子密钥的数据通信方法。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明所提供的一种基于量子密钥的数据通信方法及***，利用量子随机数发生器获取量子密钥，即通过量子随机数保证了数据的绝对安全性和量子密钥的真随机性。从量子密钥分发服务器获取量子密钥后，量子密钥分发服务器将自动清除此密钥数据，不再发给其它服务器，从而确保唯一性。利用量子密钥以及随机获取的加密算法加密待传输的数据，确定加密数据，进而保证了数据通信的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的一种基于量子密钥的数据通信方法流程示意图；

图2为采用IM服务器的结构示意图；

图3为采用去中心化子服务器的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于量子密钥的数据通信方法及***，能够提高数据通信的安全性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明所提供的一种基于量子密钥的数据通信方法流程示意图，如图1所示，本发明所提供的一种基于量子密钥的数据通信方法，包括：

S101，量子密钥分发服务器从量子随机数发生器获取量子密钥。

量子随机数发生器作为一种新型的随机数源，拥有物理意义上真正安全的随机数源。传统通过算法及物理噪声采集的数据，只要具有足够的算力，都是可以破解的。而量子随机数在原理上即可保证数据的绝对安全性和真随机性。

量子密钥分发服务器为一个物理实体服务器，量子随机数发生器的物理实体可以是一块PCI板卡，安装在此量子密钥分发服务器中，或者作为一个网络单元通过网络与此量子密钥分发服务器相连。IM服务器通过Internet从量子密钥分发服务器获取密钥，密钥发给IM服务器后，量子密钥分发服务器将自动清除此密钥数据，不再发给其它IM服务器，从而确保唯一性。

量子密钥分发服务器获取量子密钥有两种方法：

方法一：通过局域网从量子随机数发生器来获取，量子密钥分发服务器和量子随机数发生器之间使用TCP协议通信。量子随机数发生器在某个固定的TCP端口上侦听，只要客户端连上来，就发送数据给客户端。由于TCP协议本身支持流控，这样客户端可以通过调节接收的速度来调节发送的速度。

方法二：通过库函数从PCI卡式的量子随机数发生器来获取，当PCI卡式的量子随机数发生器工作在量子密钥分发服务器内部时，量子密钥分发服务器通过相应库函数和驱动来获取量子密钥。

S102，第一即时通讯客户端获取所述量子密钥和第二即时通讯客户端的密钥；同时所述量子密钥分发服务器将所述量子密钥删除；所述第一即时通讯客户端和所述第二即时通讯客户端为待数据通信的即时通讯客户端；

如图2所示，若采用IM(即时通讯)服务器，进行密钥的传输，则S102具体包括：

IM服务器将自身的公钥发送至所述量子密钥分发服务器。

所述量子密钥分发服务器利用所述IM服务器的公钥将所述量子密钥进行加密，获得第一加密量子密钥。

所述IM服务器从所述量子密钥分发服务器获取所述第一加密量子密钥，并利用自身的私钥对所述第一加密量子密钥进行解密，获得所述量子密钥；与此同时，所述量子密钥分发服务器将所述量子密钥进行删除。

所述IM服务器利用所述第一即时通讯客户端的公钥将所述量子密钥进行加密，获得第二加密量子密钥。

所述第一即时通讯客户端从所述IM服务器中获取所述第二加密量子密钥，并利用自身的的私钥对所述第二加密量子密钥进行解密，获得所述量子密钥；与此同时，所述IM服务器将所述量子密钥进行删除。

IM服务器从量子密钥分发服务器取到量子密钥后，暂存在本地，即时通讯客户端IMAPP通过Internet通信来获取这些量子密钥，IM服务器把量子密钥发给IMAPP后，也会自动清除此密钥数据，不再发给其它IMAPP，从而确保唯一性。

IMAPP与IM服务器之间通过Internet进行通信。为了安全分发量子密钥，采用RSA公钥和私钥对量子密钥进行加解密，IMAPP在每次登录***之前，都会重新生成一对RSA密钥。

以下通过一个具体的实施例进行具体说明：

IM服务器在通过Internet连接上量子密钥分发服务器后，IM服务器向量子密钥分发服务器发送带有RSA公钥的UPDATE_RSA_KEY_REQ消息。

量子密钥分发服务器向IM服务器发送更新RSA公钥确认消息UPDATE_RSA_KEY_ACK，然后使用IM服务器发过来的公钥对量子密钥进行加密，之后都会使用此RSA公钥将量子密钥数据加密。

IM服务器向量子密钥分发服务器发送量子密钥数据获取请求消息RANDOM_DATA_REQ。

量子密钥分发服务器通过RANDOM_DATA_ACK消息向IM服务器发送用公钥加密后的量子密钥(为提高效率和灵活性，量子密钥数据的长度可以在RANDOM_DATA_REQ指定)。

IM服务器接收到加密的量子密钥后，用自身的私钥进行解密，得到量子密钥。

IMAPP向IM服务器发送带有RSA公钥的PUBLIC_KEY_UPDATE_REQ消息。

IM服务器向IM APP发送更新RSA公钥确认消息PUBLIC_KEY_UPDATE_ACK，然后IMAPP发过来的公钥对量子密钥进行加密。

IM APP向IM服务器发送量子密钥数据获取请求消息RANDOM_DATA_REQ。

IM服务器通过RANDOM_DATA_ACK消息向IMAPP发送用公钥加密后的量子密钥，并自动清除此密钥数据，不再发给其它IMAPP，从而确保唯一性(为提高效率和灵活性，量子密钥数据的长度可以在RANDOM_DATA_REQ指定)。

IMAPP接收到加密的量子密钥后，用自身的私钥进行解密，得到量子密钥，进而作为加密算法的密钥来使用。

如图3所示，采用去中心化子服务器，进行密钥的传输，则S102具体包括：

去中心化子服务器将自身的公钥发送至所述量子密钥分发服务器。

所述量子密钥分发服务器利用所述去中心化子服务器的公钥将所述量子密钥进行加密，获得第三加密量子密钥。

所述去中心化子服务器从所述量子密钥分发服务器获取所述第三加密量子密钥，并利用自身的私钥对所述第三加密量子密钥进行解密，获得所述量子密钥；与此同时，所述量子密钥分发服务器将所述量子密钥进行删除。

所述去中心化子服务器利用获取的所述第一即时通讯客户端的公钥将所述量子密钥进行加密，获得第四加密量子密钥。

所述第一即时通讯客户端从所述去中心化子服务器中获取所述第四加密量子密钥，并利用自身的的私钥对所述第四加密量子密钥进行解密，获得所述量子密钥；与此同时，所述去中心化子服务器将所述量子密钥进行删除。

所述去中心化子服务器与所述第一即时通讯客户端之间通过协议穿透服务器进行通信。

去中心化子服务器是一个移动终端，它通过WIFI、以太网或者可***SIM卡的无线通信模块来连接互联网，完成IM服务器的工作。它获得的IP地址是一个内网地址，正因为如此，IMAPP和此去中心化子服务器之间的通信，需要通过协议穿透服务器来完成。它从量子密钥分发服务器取到量子密钥后，暂存在本地，IMAPP通过Internet通信来获取这些量子密钥，去中心化子服务器把量子密钥发给IMAPP后，也会自动清除此密钥数据，不再发给其它IM APP，从而确保唯一性。

协议穿透服务器提供去中心化子服务器和IMAPP之间的桥接服务。它不会存储IMAPP的任何信息，也不会存储通信过程的任何通信内容。

IMAPP与去中心化子服务器之间通过协议穿透服务器进行通信。为了安全分发量子密钥，采用RSA公钥和私钥对量子密钥进行加解密，IMAPP在每次登录***之前，都会重新生成一对RSA密钥。

以下通过具体的实施例进行说明：

去中心化子服务器在通过Internet连接上量子密钥分发服务器后，去中心化子服务器向量子密钥分发服务器发送带有RSA公钥的UPDATE_RSA_KEY_REQ消息。

量子密钥分发服务器向去中心化子服务器发送更新RSA公钥确认消息UPDATE_RSA_KEY_ACK，然后使用去中心化子服务器发过来的公钥对量子密钥进行加密，之后都会使用此RSA公钥将量子密钥数据加密，并发送给去中心化子服务器。

去中心化子服务器向量子密钥分发服务器发送量子密钥数据获取请求消息RANDOM_DATA_REQ。

量子密钥分发服务器通过RANDOM_DATA_ACK消息向去中心化子服务器发送用公钥加密后的量子密钥(为提高效率和灵活性，量子密钥数据的长度可以在RANDOM_DATA_REQ指定)。

去中心化子服务器接收到加密的量子密钥后，用自身的私钥进行解密，得到量子密钥。

IM APP向去中心化子服务器发送带有RSA公钥的PUBLIC_KEY_UPDATE_REQ消息。

去中心化子服务器向IM APP发送更新RSA公钥确认消息PUBLIC_KEY_UPDATE_ACK，然后根据IMAPP发过来的公钥对量子密钥进行加密。

IM APP向去中心化子服务器发送量子密钥数据获取请求消息RANDOM_DATA_REQ。

去中心化子服务器通过RANDOM_DATA_ACK消息向IMAPP发送用公钥加密后的量子密钥，并自动清除此密钥数据，不再发给其它IMAPP，从而确保唯一性(为提高效率和灵活性，量子密钥数据的长度可以在RANDOM_DATA_REQ指定)。

IMAPP接收到加密的量子密钥后，用自身的私钥进行解密，得到量子密钥，进而作为加密算法的密钥来使用。

为了保护量子密钥在传输过程中的安全性，我们使用RSA公密钥对其加解密。IMAPP在每次登录***之前，会重新生成一对RSA密钥，分别是公开密钥(Public Key)和私有密钥(Private Key)。登录***之后，IMAPP把公钥上传到IM服务器，同时把私钥保存在本地。

在IM通信中，使用了量子密钥作为实际传输用户数据内容的密钥，并结合随机算法(随机从DES，3DES，AES等算法中选取一种)对用户数据内容进行加密。

作为一个具体的实施例，假设***中有一个用户A和一个用户B，用户A发送消息(文本，图片，语音，文件或者视频)给用户B。

1，通过IM服务器获取到量子密钥。

2，通过IM服务器获取到用户B的公钥。

3，使用用户B的公钥加密量子密钥。

4，随机选择一种加密算法(DES，3DES，AES等)。

5，用第4步得到的加密算法和第1步得到的密钥，加密消息正文内容。

6，用户A将加密后的量子密钥，加密后的消息正文内容，随机算法指示，都发给用户B，同时用户A将此量子密钥从自身清除，不再使用此量子密钥，保证了量子密钥的唯一性。

7，用户B收到消息后，通过自己的私钥解密出量子密钥，并根据随机算法指示，找到加密算法，结合两者，解密出消息正文内容。

针对上述方法，本发明所提供的一种基于量子密钥的数据通信***，包括：

量子密钥获取模块，用于量子密钥分发服务器从量子随机数发生器获取量子密钥；

密钥获取模块，用于第一即时通讯客户端获取所述量子密钥和第二即时通讯客户端的密钥；同时所述量子密钥分发服务器将所述量子密钥删除；所述第一即时通讯客户端和所述第二即时通讯客户端为待数据通信的即时通讯客户端；

数据加密模块，用于所述第一即时通讯客户端利用所述量子密钥以及随机获取的加密算法加密待传输的数据，确定加密数据；

加密数据传输模块，用于所述第一即时通讯客户端利用所述第二即时通讯客户端的密钥加密所述量子密钥；并将加密后的量子密钥、所述加密数据以及随机获取的加密算法对应的随机算法指示发送至所述第二即时通讯客户端。

为了执行上述实施例一对应的方法，以实现相应的功能和技术效果，本发明所提供的一种基于量子密钥的数据通信***，包括：至少一个处理器、至少一个存储器以及存储在所述存储器中的计算机程序指令，当所述计算机程序指令被所述处理器执行时实现如所述的一种基于量子密钥的数据通信方法。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的***而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种基于量子密钥的数据通信方法，其特征在于，包括：

量子密钥分发服务器从量子随机数发生器获取量子密钥；

第一即时通讯客户端获取所述量子密钥和第二即时通讯客户端的密钥，同时所述量子密钥分发服务器将所述量子密钥删除；所述第一即时通讯客户端和所述第二即时通讯客户端为待数据通信的即时通讯客户端；

所述第一即时通讯客户端利用所述量子密钥以及随机获取的加密算法加密待传输的数据，确定加密数据；

所述第一即时通讯客户端利用所述第二即时通讯客户端的密钥加密所述量子密钥；并将加密后的量子密钥、所述加密数据以及随机获取的加密算法对应的随机算法指示发送至所述第二即时通讯客户端；

所述第一即时通讯客户端获取所述量子密钥和第二即时通讯客户端的密钥，同时所述量子密钥分发服务器将所述量子密钥删除，具体包括：

IM服务器将自身的公钥发送至所述量子密钥分发服务器；

所述量子密钥分发服务器利用所述IM服务器的公钥将所述量子密钥进行加密，获得第一加密量子密钥；

所述IM服务器从所述量子密钥分发服务器获取所述第一加密量子密钥，并利用自身的私钥对所述第一加密量子密钥进行解密，获得所述量子密钥；与此同时，所述量子密钥分发服务器将所述量子密钥进行删除；

所述IM服务器利用所述第一即时通讯客户端的公钥将所述量子密钥进行加密，获得第二加密量子密钥；

所述第一即时通讯客户端从所述IM服务器中获取所述第二加密量子密钥，并利用自身的私钥对所述第二加密量子密钥进行解密，获得所述量子密钥；与此同时，所述IM服务器将所述量子密钥进行删除；

所述第一即时通讯客户端获取所述量子密钥和第二即时通讯客户端的密钥，同时所述量子密钥分发服务器将所述量子密钥删除，具体包括：

去中心化子服务器将自身的公钥发送至所述量子密钥分发服务器；

所述量子密钥分发服务器利用所述去中心化子服务器的公钥将所述量子密钥进行加密，获得第三加密量子密钥；

所述去中心化子服务器从所述量子密钥分发服务器获取所述第三加密量子密钥，并利用自身的私钥对所述第三加密量子密钥进行解密，获得所述量子密钥；与此同时，所述量子密钥分发服务器将所述量子密钥进行删除；

所述去中心化子服务器利用获取的所述第一即时通讯客户端的公钥将所述量子密钥进行加密，获得第四加密量子密钥；

所述第一即时通讯客户端从所述去中心化子服务器中获取所述第四加密量子密钥，并利用自身的私钥对所述第四加密量子密钥进行解密，获得所述量子密钥；与此同时，所述去中心化子服务器将所述量子密钥进行删除。

2.根据权利要求1所述的一种基于量子密钥的数据通信方法，其特征在于，所述IM服务器与所述量子密钥分发服务器之间以及所述IM服务器与所述第一即时通讯客户端之间均通过Internet进行通信。

3.根据权利要求1所述的一种基于量子密钥的数据通信方法，其特征在于，所述去中心化子服务器与所述量子密钥分发服务器之间通过Internet进行通信。

4.根据权利要求1所述的一种基于量子密钥的数据通信方法，其特征在于，所述去中心化子服务器与所述第一即时通讯客户端之间通过协议穿透服务器进行通信。

5.一种基于量子密钥的数据通信***，其特征在于，包括：

量子密钥获取模块，用于量子密钥分发服务器从量子随机数发生器获取量子密钥；

密钥获取模块，用于第一即时通讯客户端获取所述量子密钥和第二即时通讯客户端的密钥，同时所述量子密钥分发服务器将所述量子密钥删除；所述第一即时通讯客户端和所述第二即时通讯客户端为待数据通信的即时通讯客户端；

数据加密模块，用于所述第一即时通讯客户端利用所述量子密钥以及随机获取的加密算法加密待传输的数据，确定加密数据；

加密数据传输模块，用于所述第一即时通讯客户端利用所述第二即时通讯客户端的密钥加密所述量子密钥；并将加密后的量子密钥、所述加密数据以及随机获取的加密算法对应的随机算法指示发送至所述第二即时通讯客户端；

所述密钥获取模块具体包括：

去中心化子服务器将自身的公钥发送至所述量子密钥分发服务器；

所述量子密钥分发服务器利用所述去中心化子服务器的公钥将所述量子密钥进行加密，获得第三加密量子密钥；

所述去中心化子服务器从所述量子密钥分发服务器获取所述第三加密量子密钥，并利用自身的私钥对所述第三加密量子密钥进行解密，获得所述量子密钥；与此同时，所述量子密钥分发服务器将所述量子密钥进行删除；

所述去中心化子服务器利用获取的所述第一即时通讯客户端的公钥将所述量子密钥进行加密，获得第四加密量子密钥；

所述第一即时通讯客户端从所述去中心化子服务器中获取所述第四加密量子密钥，并利用自身的私钥对所述第四加密量子密钥进行解密，获得所述量子密钥；与此同时，所述去中心化子服务器将所述量子密钥进行删除。

6.一种基于量子密钥的数据通信***，其特征在于，包括：至少一个处理器、至少一个存储器以及存储在所述存储器中的计算机程序指令，当所述计算机程序指令被所述处理器执行时实现如权利要求1-4中任一项所述的一种基于量子密钥的数据通信方法。