[发明专利]一种基于量子加密的无线传感器网络系统

说明书

一种基于量子加密的无线传感器网络系统，包括多个传感器节点、多个网络中继节点。所述传感器节点包括第一量子通信系统、第一加密解密系统、第一无线通信系统、第一数据采集及处理系统。所述网络中继节点包括第二量子通信系统、第二无线通信系统、第二加密解密系统、第二数据存储及转发系统、密钥管理系统。传感器节点向在邻近区域的网络中继节点申请密钥，二者之间可以建立量子通信信道；对于不在邻近区域的网络中继节点，所述传感器节点、网络中继节点之间无法建立量子通信信道，传感器节点通过网络中继节点来转发密文至目的节点，整个传感器网络通过量子信道来协商密钥，并通过无线通信信道来传输密文流。本发明系统构建的无线传感器网络数据传输安全可靠。

技术领域

本发明属于量子通信领域，尤其涉及一种基于量子加密的无线传感器网络系统。

背景技术

无线传感器网络是一种信息获取和处理技术，是由大量静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络。其目的是协作地感知、采集、处理和传感网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息并报告给用户。无线传感器网络由分布在监测区域内的大量无线传感器节点、具有接收和发射功能的汇聚节点、互联网或通信卫星和任务管理节点构成。由于无线传感器网络技术具有覆盖区域广泛、监测精度高、低功耗、分布式和自组织的特点，因此广泛的应用于工业、农业、军事、医疗等方面。在一些场合需要保证传感器节点之间的数据传输安全，特别是保护数据机密性和完整性，因此无线传感器网络的安全问题显得尤为重要。

根据近代密码学观点，密码系统的安全取决于密钥的安全。由于传感器节点的存储空间、计算能力和电池能量都有限，因此传统网络中的密钥分配方式并不适用于无线传感器网络。目前无线传感器网络的密钥预分配模型主要有：预安装模型、确定预分配模型、和随机预分配模型。预安装模型无需进行密钥协商，包括主密钥模型和成对密钥模型。主密钥模型安全弹性差，攻击者一旦俘获了任一节点中的主密钥，就相当于俘获了整个网络；成对密钥模型安全性能较高，但是对于存储能力有限的节点来说是不现实的，并不利于网络的扩展。确定预分配模型通常基于数学方法，在安全门限内提供无限安全，其缺点是计算开销大，且当俘获节点超过安全门限值时，整个网络被攻破的概率急剧提高。随机预分配模型可缓解节点存储空间限制的问题，网络安全弹性也较好，但共享密钥的过程通常比较复杂，同时存在安全连通的问题。

1994年，Peter Shor提出利用量子计算机将大数的素因子分解从NP问题简化为P问题，使得双密钥系统土崩瓦解(如RSA算法)。对N进行分解为例，利用Shor算法经过 O(logN)次重复计算后即可完成N的素因子分解。从上可知，以量子计算分解大数质因子所需的步数为logN的多项式，即将问题简化为P问题。2003年，英国伯明翰大学Younes 提出了一种使用局部扩散算子的搜索算法，该算法中算子的均值反转操作仅在系统的一个局部子空间上执行。理论推导和实验证明，该算法比基本Grover算法具有更优良的性能，尤其适用于多目标搜索。该算法的时间复杂度为与经典算法的平均复杂度为O(N) 相比，Groover量子搜索算法实现了计算的平方加速，因此可以利用Groover的“量子搜索算法”破译DES密码体系。由以上可知，目前的加密算法已无法应对未来的量子计算机的强大破解能力。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于量子加密的无线传感器网络系统，整个传感器网络通过量子信道来协商密钥，并通过无线通信信道来传输密文流。系统构建的无线传感器网络数据传输安全可靠。

本发明采取的技术方案为：

一种基于量子加密的无线传感器网络系统，包括多个传感器节点、多个网络中继节点。所述传感器节点包括第一量子通信系统、第一加密解密系统、第一无线通信系统、第一数据采集及处理系统；

第一量子通信系统，用于建立量子通信信道并接收无线通信时所需的密钥；

第一加密解密系统，用于加密明文和解密密文；

第一无线通信系统，用于传输密文和协商通信参数；