量子密鑰分發(fā)保密通信系統(tǒng)電力應(yīng)用方向探討

葉志遠(yuǎn)，陳華智，王文清

(1.安徽繼遠(yuǎn)軟件有限公司，合肥230088；2.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州310014）

量子密鑰分發(fā)保密通信系統(tǒng)電力應(yīng)用方向探討

葉志遠(yuǎn)1，陳華智2，王文清1

(1.安徽繼遠(yuǎn)軟件有限公司，合肥230088；2.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州310014）

以量子密鑰分發(fā)為主的量子保密通信系統(tǒng)已在多個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用，但在電力特殊的應(yīng)用場景目前尚無應(yīng)用案例，仍有一些應(yīng)用問題需要解決。對量子保密通信的現(xiàn)狀和近期技術(shù)發(fā)展方向進(jìn)行了討論，并對電力可能的應(yīng)用場景加以分析，為電力應(yīng)用方向提供指導(dǎo)。

量子通信；量子密鑰分發(fā)；電力應(yīng)用

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.07.151

1 引言

量子論所衍生的量子技術(shù)目前在應(yīng)用方面主要分為量子計(jì)算和量子通信等方向。量子計(jì)算的應(yīng)用成果是量子計(jì)算機(jī)和量子算法，其重要應(yīng)用方向就是破譯現(xiàn)有基于經(jīng)典密碼保密的通信信息，發(fā)展非常迅速。從目前公開的量子計(jì)算實(shí)現(xiàn)進(jìn)度來看，年底預(yù)計(jì)可實(shí)現(xiàn)相當(dāng)于消費(fèi)級筆記本電腦的計(jì)算水平，而國際上秘密開展的技術(shù)研究進(jìn)展不得而知，安全形勢非常嚴(yán)峻。量子保密手段將成為唯一在理論上不可破解的保密技術(shù)[1]。并已在多個(gè)領(lǐng)域開始示范應(yīng)用，典型項(xiàng)目有蕪湖量子政務(wù)網(wǎng)、合肥量子城域網(wǎng)、“京滬干線”量子保密通信網(wǎng)等，在電網(wǎng)進(jìn)行技術(shù)應(yīng)用的時(shí)機(jī)已逐步成熟[2]。

2 量子保密通信技術(shù)發(fā)展方向

廣義而言，量子通信是指把量子態(tài)從一個(gè)地方傳送到另一個(gè)地方，包括量子隱形傳態(tài)和量子密鑰分配（QKD）等具體方案。目前投入使用的量子通信技術(shù)都基于QKD方案，而量子隱形傳態(tài)方案一旦走出實(shí)驗(yàn)室，也將會有無法替代的應(yīng)用前景。

QKD方案是將量子技術(shù)引入經(jīng)典保密領(lǐng)域。對稱密碼保密系統(tǒng)邏輯上可分為四種功能，即密鑰生成、加解密、密文傳輸和密鑰傳輸。QKD系統(tǒng)將原有保密系統(tǒng)中的密鑰生成和密鑰傳輸兩部分功能量子化，在有效保護(hù)和利用現(xiàn)有投資的情況下，以對密鑰保護(hù)的強(qiáng)化來提升整個(gè)保密系統(tǒng)的安全性，可有效抵御量子計(jì)算所帶來的安全威脅。該方案各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)目前適合應(yīng)用于高級別骨干通信網(wǎng)，保護(hù)變電站節(jié)點(diǎn)間的重要數(shù)據(jù)，如調(diào)度和保護(hù)業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)交換。QKD方案未來發(fā)展方向如下。

1）距離擴(kuò)展。由于光量子能量極低，量子密鑰的誤碼率隨距離增加的影響極大，目前在光纖介質(zhì)中典型應(yīng)用在100km以內(nèi)。目前量子可信中繼技術(shù)正在攻關(guān)，可實(shí)現(xiàn)量子通道的低成本長距離擴(kuò)展。

2）成本降低。QKD關(guān)鍵裝備現(xiàn)在雖已實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用，但因元器件和裝備的生產(chǎn)技術(shù)尚不成熟，產(chǎn)業(yè)鏈未完全形成，導(dǎo)致應(yīng)用成本較高。隨著國內(nèi)各行業(yè)需求發(fā)展，產(chǎn)業(yè)鏈有望在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?，降低裝備生產(chǎn)制造成本，從而促進(jìn)量子通信網(wǎng)的大規(guī)模建設(shè)。

3）裝備小型化。受關(guān)鍵元器件的技術(shù)發(fā)展限制，目前裝備尺寸和質(zhì)量較大，必須安裝在標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜中。隨著設(shè)計(jì)水平的提高和生產(chǎn)水平的發(fā)展，日益小型化精細(xì)化的裝備形態(tài)將很快出現(xiàn)，以靈活適應(yīng)各種使用場景。隨著技術(shù)演進(jìn)和產(chǎn)業(yè)自主化，加密設(shè)備最終甚至可以做到電表箱內(nèi)，全面應(yīng)用于各級別骨干網(wǎng)和接入網(wǎng)，為輸變配用調(diào)各環(huán)節(jié)業(yè)務(wù)通道提供不同級別的保護(hù)。

4）多纖合一。由于用于傳遞密鑰的單個(gè)光量子能量微弱，極易受傳送密文的光信號流影響，QKD量子設(shè)備在發(fā)送量子密鑰時(shí)必須單獨(dú)占用一根纖芯。將光量子信號和密文信號合波的QKD專用光復(fù)用設(shè)備正在研發(fā)中，有望于一至兩年內(nèi)投入使用。

此外，基于量子隱形傳態(tài)的大帶寬直接通信也正在進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化研究。大帶寬直接通信將使通信徹底告別密碼和加解密，將提供更加直接的安全通道。

3 QKD方案電力應(yīng)用方向

相比較量子隱形傳態(tài)，QKD方案的發(fā)展更加貼近實(shí)用，并已有部分成果[2]。結(jié)合電力通信的安全需求，可應(yīng)用于以下典型場景。

3.1 在生產(chǎn)調(diào)度方面的應(yīng)用

1）調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)安全性提升。調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)目前采用雙骨干網(wǎng)+多層接入網(wǎng)的架構(gòu)和MPLSVPN為主的數(shù)據(jù)隔離技術(shù)，是主站與廠站之間交換調(diào)度生產(chǎn)數(shù)據(jù)可靠性最好的通道。對關(guān)鍵數(shù)據(jù)的加密可采用IPSec和SSL兩種技術(shù)，前者由《電力二次系統(tǒng)安全防護(hù)規(guī)定》（5號令）所規(guī)范，后者尚無電力統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。QKD核心加密裝備可用于提供和傳送更加安全的量子密鑰，以提升安全性[3]。此方面應(yīng)用需開展裝備的性能設(shè)計(jì)、接口開發(fā)和穩(wěn)定性測試，以及標(biāo)準(zhǔn)修訂工作。

2）量子保密專線電話。隨著電氣自動化水平的逐步提高，調(diào)度專線電話的作用似乎日益平淡，但從國外案例和理論分析來看，調(diào)度專線電話在電網(wǎng)受到嚴(yán)重自然災(zāi)害或大規(guī)模針對性攻擊，電網(wǎng)黑啟動時(shí)具有不可替代的作用。尤其針對大規(guī)模電網(wǎng)攻擊時(shí)，安全性成為首要考慮因素。量子保密電話已為新中國成立60周年國慶閱兵等國家重要活動提供了安全保障，受到國家安全部門高度認(rèn)可，技術(shù)方案較為成熟，可應(yīng)用于重要調(diào)度專線的保護(hù)。

3）服務(wù)配網(wǎng)自動化采集數(shù)據(jù)。配網(wǎng)自動化的采集數(shù)據(jù)在接入端主要采用EPON和工業(yè)級交換機(jī)設(shè)備提供通道，均為IP模式[4]，其通道安全主要依靠上層調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)的二次安防方案來保障。在未來量子裝備自主化和小型化后，可在終端側(cè)提供安全防護(hù)。

3.2 在電力營銷方面的應(yīng)用

1）保護(hù)營銷支付信息。電網(wǎng)營銷的支付信息主要是與銀行及銀聯(lián)等外部單位間通信。目前銀聯(lián)內(nèi)部已對核心業(yè)務(wù)開展量子保密應(yīng)用，開始積累技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，未來與銀行間可協(xié)商共同建立量子保密通道。

2）保護(hù)用電信息數(shù)據(jù)采集。用戶用電信息關(guān)乎電費(fèi)結(jié)算，是重要的交易信息。目前用電信息采集的安全主要靠智能電表內(nèi)的安全芯片來提供對稱加密保護(hù)，未來在量子加密裝備小型化后，可應(yīng)用于保護(hù)用電信息數(shù)據(jù)采集的保護(hù)。

3.3 在綜合管理方面

數(shù)據(jù)備份和容災(zāi)。數(shù)據(jù)中心通道上的數(shù)據(jù)均為重要層級較高的主站綜合數(shù)據(jù)，其功能定位決定了對通道安全性的嚴(yán)格要求。在容災(zāi)中心之間建立量子安全通道，通信節(jié)點(diǎn)少，投資小，保護(hù)數(shù)據(jù)價(jià)值高，效果明顯。目前受距離所限，QKD可應(yīng)用在同城災(zāi)備中心間。待量子中繼等技術(shù)投入使用，可擴(kuò)展到異地災(zāi)備的通道保護(hù)上。

4 總結(jié)

近期烏克蘭電網(wǎng)事故和以色列電網(wǎng)受攻擊等針對電網(wǎng)的安全攻擊事件接連出現(xiàn)，電網(wǎng)信息安全形勢嚴(yán)峻。文章對量子保密通信的現(xiàn)狀和近期技術(shù)發(fā)展方向進(jìn)行了討論，并對電力可能的應(yīng)用場景加以分析，以加強(qiáng)電力信息安全，保障電網(wǎng)可靠運(yùn)行。

【1】吳華,王向斌,潘建偉.量子通信現(xiàn)狀與展望[J].中國科學(xué):信息科學(xué), 2014（3）：296-311.

【2】徐啟建,金鑫,徐曉帆.量子通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景分析[J].中國電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào),2009（5）：491-497.

【3】周靜,盧利鋒,雷煜卿,陳希.量子密鑰技術(shù)提升電力系統(tǒng)二次防護(hù)安全性研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2014（6）：1518-1522.

【4】葉志遠(yuǎn),王光發(fā),李志浩,陳軍.RS系列串口在PTN架構(gòu)上的實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013（23）：91-94+98.

Exploring the Power Application Direction of Secure Communication Systemfor Quantum Key Distribution

YEZhi-yuan1,CHENHua-zhi2,WANGWen-qing1
(1.AnhuiJiyuanSoftwareCo.Ltd.,Hefei230088,China; 2.StateGridZhejiangElectricPowerCompanyElectricPowerResearchInstitute,Hangzhou310014,China)

Quantumsecure communication systembased on theQuantumKeyDistribution(QKD) has been applied inmanyfields, but in the special scenarioofpower there isno application case, and there are still some problemsneed to be solved.Thispaper discussesthe present situation ,recent development directionofquantumsecurecommunicationtechnology,analyzestheapplicationofpower,andprovideguidanceforthedirectionofpowergridapplication.

quantumcommunication;QuantumKeyDistribution(QKD);powerapplication

TN918.91

A

1007-9467（2016）07-0238-02

2016-6-30

葉志遠(yuǎn)（1982～），男，安徽蚌埠人，從事電力信息化建設(shè)、電力通信建設(shè)研究，（電子信箱）lefthand@qq.com。