基于量子保密通信的公共服務(wù)云平臺建設(shè)

蔣峰建

(黃山學(xué)院 信息工程學(xué)院，安徽 黃山 245041)

隨著云計(jì)算和云存儲技術(shù)的不斷發(fā)展，公共云平臺的建設(shè)不斷成熟，在公共云平臺中進(jìn)行云數(shù)據(jù)存儲和傳輸調(diào)度，結(jié)合數(shù)據(jù)加密方法提高數(shù)據(jù)存儲和傳輸?shù)谋Ｃ苄阅?，在公共云平臺中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)格調(diào)度，需要對云平臺中的大數(shù)據(jù)進(jìn)行加密傳輸設(shè)計(jì)，提高公共云平臺的數(shù)據(jù)安全性。在公共服務(wù)云平臺建設(shè)中，通信的安全加密設(shè)計(jì)是基礎(chǔ)，采用量子保密通信加密傳輸算法設(shè)計(jì)方法，結(jié)合云平臺的傳輸數(shù)據(jù)編碼和加密密鑰設(shè)計(jì)，提高通信數(shù)據(jù)傳輸和調(diào)度的安全性[1]。本文提出一種基于量子中繼糾纏加密的量子保密通信公共服務(wù)云平臺建設(shè)方案。在嵌入式Linux環(huán)境下進(jìn)行量子保密通信的公共服務(wù)云平臺的軟件設(shè)計(jì)，構(gòu)建公共服務(wù)云平臺的通信信息傳輸模型，將加密算法通過交叉編譯的方式加載到公共服務(wù)云平臺中，結(jié)合量子保密通信協(xié)議的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)公共服務(wù)云平臺優(yōu)化建設(shè)。最后進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)分析，展示了改進(jìn)方法在提高公共服務(wù)云平臺建設(shè)中信息加密通信能力方面的優(yōu)越性。

1 公共服務(wù)云平臺的通信信道模型及數(shù)據(jù)采集

1.1 公共服務(wù)云平臺云數(shù)據(jù)交互構(gòu)架及信道模型

為了實(shí)現(xiàn)對公共服務(wù)云平臺中云量子保密通信加密傳輸，在公共服務(wù)云平臺中進(jìn)行數(shù)據(jù)加密設(shè)計(jì)，構(gòu)建公共服務(wù)云平臺的信道模型，采用判決反饋均衡調(diào)度方法實(shí)現(xiàn)量子保密通信加密傳輸設(shè)計(jì)，結(jié)合云平臺的分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行云平臺中的數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[2]，假設(shè)公共服務(wù)云平臺節(jié)點(diǎn)由N=2P個(gè)陣元組成，構(gòu)成量子保密通信的數(shù)據(jù)傳輸陣列，公共服務(wù)云平臺云量子保密通信節(jié)點(diǎn)陣元分布的徑向距離為d，在云服務(wù)中心中量子保密通信調(diào)度的接收模型為：

(1)

采用決策指向性信道估計(jì)方法進(jìn)行量子保密通信信息分配，在公共服務(wù)云平臺中進(jìn)行數(shù)據(jù)交互設(shè)計(jì)，構(gòu)建信道傳輸模型，在云存儲中心進(jìn)行公共云平臺構(gòu)架，在公共服務(wù)云平臺的數(shù)據(jù)交互過程中，進(jìn)行信道數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)，得到公共云服務(wù)平臺中的量子通信系統(tǒng)模型如圖1所示。

圖1 公共云服務(wù)平臺中的量子通信系統(tǒng)模型

按照量子保密通信過程中的量子度量方法，進(jìn)行量子糾纏分布設(shè)計(jì)，構(gòu)建公共服務(wù)云平臺量子保密通信加密傳輸算法，在量子糾纏態(tài)分配中進(jìn)行量子譯碼設(shè)計(jì)[3]，設(shè)計(jì)量子加密器進(jìn)行量子狀態(tài)分析，提取公共服務(wù)云平臺中的量子糾纏態(tài)為：

|φ〉1∈H1,|φ〉2∈H2,…,|φ〉n∈Hn，

(2)

采用自適應(yīng)頻分復(fù)用方法進(jìn)行公共服務(wù)云平臺量子保密通信的算術(shù)編碼設(shè)計(jì)，得到通信傳輸?shù)母郊討B(tài)為：

|φ〉=|φ〉1·|φ〉2·…·|φ〉n。

(3)

如果上面的式(1)成立，表示公共服務(wù)云平臺中的云數(shù)據(jù)為糾纏態(tài)，否則|φ〉為非糾纏態(tài)。對公共服務(wù)云平臺中云數(shù)據(jù)進(jìn)行信息融合處理。假設(shè)兩個(gè)量子傳輸?shù)淖孕隣顟B(tài)為1/2的量子，第1個(gè)量子的自旋態(tài)為|0〉1、|1〉1，結(jié)合混沌密鑰加密方法分析量子保密通信的傳輸狀態(tài)，當(dāng)自旋態(tài)為|0〉2、|1〉2，構(gòu)建公共服務(wù)云平臺云數(shù)據(jù)交互構(gòu)架及信道模型，云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下量子保密通信信道的多徑分布為：

(4)

式中，δkj為Kronecker-δ函數(shù)，由此構(gòu)建公共服務(wù)云平臺的通信信息傳輸模型，進(jìn)行量子保密通信的量子加密器設(shè)計(jì)。

1.2 量子通信加密算法

在上述構(gòu)建公共服務(wù)云平臺云量子保密通信的多徑信道模型基礎(chǔ)上，為了實(shí)現(xiàn)加密傳輸，需要進(jìn)行量子保密通信的信息編碼處理，在公共服務(wù)云平臺的信息發(fā)送端對采集的通信信息采用量子加密器進(jìn)行信號加密[4]，得到通信系統(tǒng)的加密狀態(tài)如下：

|φ〉121=|0〉1|0〉2，

(5)

|φ〉122=|1〉1|1〉2。

(6)

公共服務(wù)云平臺通信節(jié)點(diǎn)陣元分布的徑向距離為d，對于云數(shù)據(jù)集合{x1,x2,…,xN},公共服務(wù)云平臺中量子保密通信調(diào)度子集表示為{S1,S2,…,SL}，公共服務(wù)云平臺量子保密通信信息傳輸?shù)男诺婪峙淠Ｐ兔枋鰹椋?/p>

(7)

采用動(dòng)態(tài)加密方法進(jìn)行量子編碼，根據(jù)量子系統(tǒng)的動(dòng)量矩和動(dòng)量矩定理，得到量子質(zhì)心動(dòng)力學(xué)方程。在量子保密通信的公共服務(wù)云平臺中，為保證量子信息在量子信道中傳送時(shí)不衰減，提高傳輸信道的均衡性和加密性，需要對量子中繼端進(jìn)行解碼設(shè)計(jì)，結(jié)合信源加密方案[5]，采用量子糾纏方法進(jìn)行通信鏈路的擴(kuò)頻編碼設(shè)計(jì)，構(gòu)建公共云平臺下的量子編碼融合狀態(tài)方程為：

(8)

式中：

(9)

在量子通信，引入能量梯度的概念，根據(jù)量子的能量衰減進(jìn)行量子通信過程中的碼元傳輸控制[6]，得到量子編碼的動(dòng)力學(xué)方程為：

(10)

量子通信加密的碼元轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

(11)

(12)

(13)

根據(jù)上述分析，實(shí)現(xiàn)量子編碼算法設(shè)計(jì)，構(gòu)建量子通信的加密解密密鑰，實(shí)現(xiàn)公共服務(wù)云平臺的通信加密設(shè)計(jì)。

2 量子保密通信公共服務(wù)云平臺建設(shè)優(yōu)化

2.1 量子編碼譯碼的密鑰設(shè)計(jì)

(14)

其中：

(15)

在有限域內(nèi)采用量子糾纏編碼方法生成一個(gè)信源碼比特序列分布式集合{pi,j}1≤i,j≤μ，其中pi,j表示為公共服務(wù)云平臺的通信加密的公鑰。

2.2 保密通信優(yōu)化和平臺建設(shè)實(shí)現(xiàn)

(16)

(17)

(18)

在分布式協(xié)同算法分配下，可將加密算法通過交叉編譯的方式加載到公共服務(wù)云平臺中[9]，結(jié)合量子保密通信協(xié)議的優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到標(biāo)準(zhǔn)化的通信協(xié)議為：

(19)

圖2 分布式的量子保密通信任務(wù)分布

圖3 任務(wù)分配模型

綜上分析，在嵌入式Linux環(huán)境下進(jìn)行量子保密通信的公共服務(wù)云平臺的軟件設(shè)計(jì)，采用量子編碼和譯碼方法進(jìn)行公共服務(wù)云平臺通信數(shù)據(jù)加密的密鑰設(shè)計(jì)，將加密算法通過交叉編譯的方式加載到公共服務(wù)云平臺中，得到優(yōu)化平臺設(shè)計(jì)方案。

3 仿真實(shí)驗(yàn)分析

在上述設(shè)計(jì)的公共服務(wù)云平臺中進(jìn)行量子保密通信性能測試，實(shí)驗(yàn)采用Matlab設(shè)計(jì)，取Pe=0.5，Pm=Pd=0.7，通信信道的帶寬為120Kbps，信道的干擾信噪比為-10dB，公共服務(wù)云平臺網(wǎng)絡(luò)的云量子保密通信節(jié)點(diǎn)的最大輻射距離Rmax為100 m，得到分布式的量子保密通信任務(wù)分布，如圖2所示。

以圖2的傳輸任務(wù)為樣本，進(jìn)行公共服務(wù)云平臺的通信信息傳輸性能測試，得到保密通信輸出的任務(wù)分配模型，如圖3所示。

從圖3可以看出，采用該方法進(jìn)行公共服務(wù)云平臺建設(shè)，任務(wù)分配的均衡性較好，量子保密通信的傳輸性能得到提升，測試不同方法進(jìn)行量子保密通信的傳輸誤碼率，得到對比結(jié)果見表1，分析表1結(jié)果得知，所提方法的誤碼率較低，說明在該公共服務(wù)云平臺建設(shè)體系下通信質(zhì)量得到提升。

表1 誤碼率對比

4 結(jié)語

提出一種基于量子中繼糾纏加密的量子保密通信公共服務(wù)云平臺建設(shè)方案。在嵌入式Linux環(huán)境下進(jìn)行的量子保密通信的公共服務(wù)云平臺的軟件設(shè)計(jì)，構(gòu)建公共服務(wù)云平臺的通信信息傳輸模型，在公共服務(wù)云平臺的信息發(fā)送端對采集的通信信息采用量子加密器進(jìn)行信號加密，設(shè)計(jì)量子通信加密算法，采用量子編碼和譯碼方法進(jìn)行公共服務(wù)云平臺通信數(shù)據(jù)加密的密鑰設(shè)計(jì)，將加密算法通過交叉編譯的方式加載到公共服務(wù)云平臺中，結(jié)合量子保密通信協(xié)議的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)公共服務(wù)云平臺優(yōu)化建設(shè)。采用該方法進(jìn)行量子保密通信的公共服務(wù)云平臺建設(shè)，通信加密性能較好，傳輸誤碼率較低，提高了通信質(zhì)量。