面向电力调度业务的量子密钥应用技术研究

发布时间：2020-10-26 10:27

　　 电力调度数据网是现代大规模互联电网的重要组成部分,是实现电网调度自动化的基础。随着信息通信技术的快速发展,电力调度数据网的规模以及承载业务数量不断增加,使其在电力系统运行中的作用更加突出。但目前电力调度业务系统的安全措施基于经典的密码算法,密钥的长期安全性难以保障,同时在电力调度系统中还有相当数量的业务直接采用明文传输,因而使得电力调度系统存在着较大的信息安全隐患。本文将当今最为成熟的量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)技术引入电力调度系统中,首先重点分析了诱骗态量子密钥分发技术,保证了非理想光源情况下量子密钥分发的安全性。进一步分析了无限数据集和含有统计抖动的有限数据集下的真空+弱诱骗态量子密钥分发,并通过局部搜索算法(Local Search Algorithm,LSA)对其无限解和有限解进行了全参数优化,在安全密钥生成率和安全传输距离上展现了更好的性能。然后设计了电力调度业务密钥供给及动态调整方案,提出了一种基于业务排队的实时动态化的密钥调整算法。通过采用不同的量子密钥应用方式和预分配密钥量进行密钥供给,利用逐级调整密钥应用方式和降低密钥更新频率的调整算法实时调整,最大程度保证量子密钥的充足供应。最后建立电力调度业务模型,对算法在调度网络架构中的应用性能进行仿真测试。并针对传统时分复用方法站点密钥产生与消耗不匹配问题,提出了一种基于观测时间内密钥产销比的时隙分配方案。通过分析正常情况和异常情况下产销比的调整情况,验证了量子密钥供给方案及动态调整实际效果,从而最大限度地提升量子密钥分发使用的效率,保障了电力调度网中业务数据传输的安全性。
【学位单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM73;TN918.4;O413
【部分图文】：

ＱＫＤ主要由合法的通信双方Ａｌｉｃｅ和Ｂｏｂ、公共的量子和经典信道以及??量子态集构成，可以在不安全的信道上利用量子力学基本原理协商出加解密使??用的密钥。基于ＱＫＤ的量子保密通信系统如图２－１所示：??信息——？?ｏｔｐ加密???？解密??密性放大?密性放大??｜基＾对比?｜随机数?｜随机数丨」基＾对比??Ｉ信息协调ｒ￣￣ｉ发生器?｜发生器ｍ信息协调?????：?［???????????量子信号源一调制－舒舗？测量基一？？探测器??图２－１量子保密通信系统框图??在整个量子保密通信系统中，ＱＫＤ单元是最重要的构成部分，包括：信号??源、调制器与探测器。在密钥协商的过程中，主要有基失对比信息协调和纠错??密性放大。量子信道用于传输由光源发送的光子脉冲，经典信道用于测量基的??对比，以及加密后密文的传送。通信双方利用预先协商好的密钥，常采用一次??一密（Ｏｎｅ－Ｔｉｍｅ?Ｐａｄ，ＯＴＰ）的方式对传输的信息进行加解密处理，从而实现??理论上的安全通信。??５??

可能是两个或多个光子。２０００年Ｂｒａｓｓａｒｄ等人发现了所谓的“光子数分离攻击??（Ｐｈｏｔｏｎ－Ｎｕｍｂｅｒ－Ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ－ａｔｔａｃｋｓ，ＰＮＳ）?”［２９，３Ｑ］，攻击会对弱相干光源的安全??性带来严重的威胁。ＰＮＳ攻击过程如图２－４所示。??Ｅｖｅ??Ａｌｉｃｅ??声?Ｂｏｂ??／??Ｅｖｅ??图２－２?ＰＮＳ攻击??在ＰＮＳ攻击中，由于弱相干光源遵循泊松分布，Ａｌｉｃｅ发射的光子不都是??单光子，可能有两个或多个光子。窃听者Ｅｖｅ利用光源的不完美，在Ａｌｉｃｅ和??Ｂｏｂ通信时检测Ａｌｉｃｅ发送光子的数量，若发射的是单光子，则Ｅｖｅ会把单光??子拦截，使其不到达Ｂｏｂ端。若发射的不是单光子，则将窃取的多光子分离出??一个自己保存，将其他剩余光子发送给接收方Ｂｏｂ。由于信道中存在着损耗，??１１??

的方向继续搜索。??选取有限数据集下真空＋诱骗态在Ｌ＝７５ｋｍ时为例，采用表３－１实验参数，??通过扫描＾和ｖ以及优化其他参数，可以看出该函数结果是凸函数（见图３－３）。??因此可以采用ＬＳＡ进行参数优化，且通过分析ｙ，ｅｉ值与ｋ和ｖ关系，由图３－４??和３－５可以看出：在？；最大值，ｅ，最小值附近处，密钥生成速率达到最大值，??验证了公式（３－１０）。??＊１〇?ｉ．?ｒ－－－－??Ｉ?鐘＾１１??１１?ＵＢ??图３－３密钥生成速率及与ｗ，?ｖ关系图??２２??
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本文编号：2856875