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基于量子通信的铁路办公信息系统应用方案研究

王建伟, 秦健

王建伟, 秦健. 基于量子通信的铁路办公信息系统应用方案研究[J]. 铁路计算机应用, 2023, 32(5): 53-57. DOI: 10.3969/j.issn.1005-8451.2023.05.11
引用本文: 王建伟, 秦健. 基于量子通信的铁路办公信息系统应用方案研究[J]. 铁路计算机应用, 2023, 32(5): 53-57. DOI: 10.3969/j.issn.1005-8451.2023.05.11
WANG Jianwei, QIN Jian. Application scheme of railway office information system based on quantum communication[J]. Railway Computer Application, 2023, 32(5): 53-57. DOI: 10.3969/j.issn.1005-8451.2023.05.11
Citation: WANG Jianwei, QIN Jian. Application scheme of railway office information system based on quantum communication[J]. Railway Computer Application, 2023, 32(5): 53-57. DOI: 10.3969/j.issn.1005-8451.2023.05.11

基于量子通信的铁路办公信息系统应用方案研究

基金项目: 北京经纬信息技术有限公司科研项目(DZYF21-60)
详细信息
    作者简介:

    王建伟,工程师

    秦 健,高级工程师

  • 中图分类号: U29 : TN918 : TP39

Application scheme of railway office information system based on quantum communication

  • 摘要: 为提升铁路信息系统数据传输的安全性,研究基于量子通信的铁路办公信息系统应用方案。该方案基于量子通信技术,对办公信息系统敏感信息进行加密传输;通过量子密钥管理服务端实现密钥的统一管理,为铁路办公信息系统提供密钥服务;通过量子安全服务平台实现接入系统的移动终端量子密钥使用安全,提升铁路办公信息系统的整体安全性。
    Abstract: In order to improve the security of data transmission in railway information systems, this paper studied the application scheme of railway office information system based on quantum communication. Based on quantum communication technology, this scheme encrypted and transmited sensitive information in the office information system, unified key management through the quantum key management server, provided key services for the railway office information system, implemented secure use of quantum keys for mobile terminals accessing the system by using the quantum security service platform, improved the overall security of railway office information systems.
  • 为保障信息系统的重要数据不被窃取或破解,可采用专网实现物理隔离和对敏感数据进行加密两种策略,而后者更能真正保障数据安全。随着计算能力的不断提高,依靠计算复杂度的经典非对称加密技术存在巨大的信息安全风险[1],亟需研究、利用新技术来保障网络信息安全。量子通信作为一种新型保密通信技术,基于量子的物理特性,可保障密钥传输理论上的无条件安全。当前,利用量子密钥分发(QKD,Quantum Key Distribution)[2-3]技术、可信中继技术和共纤传输技术研制的量子通信设备及系统已在金融(人民币跨境支付、数据中心灾备等方面)[4]、电网(调度自动化、配电自动化和数据中心同城灾备等方面)[5]、政务等行业开展应用。

    铁路行业作为我国国民经济命脉之一,其各类信息系统承载着众多重要数据,一旦遭到破坏,导致数据泄漏,会对国家安全、经济发展、人民生活造成巨大损失[6]。随着铁路信息化的发展,其面临的网络安全形势日趋严峻,研究量子通信技术对确保铁路的安全运营具有重要意义。本文研究基于量子通信的铁路办公信息系统应用方案,以期提升铁路行业信息系统的整体安全性。

    QKD技术是量子通信领域最先实现实用化的技术[7]。利用量子的不可复制性、状态不确定原理和不可分割的物理性质,QKD可为通信双方产生一个随机的、安全的密钥,从而保障通信安全。

    BB84协议[8]是量子密码学中第1个密钥分发协议,该协议通过单光子的偏振方向等物理量来携带量子密钥信息,并通过量子信道进行传输,再通过经典信道协商测量基矢。定义Alice为发送方,Bob为接收方,Bob通过经典信道与Alice协商,去掉有误的比特数据,最终可形成一套共享密钥,如图1所示[9]

    图  1  BB84协议示意

    信息系统要使用量子通信技术,需要先构建QKD网络,依托既有机房、光缆等通信基础设施,增设QKD的相关设备。

    根据铁路行业既有信息系统密钥的应用情况,量子通信与信息系统融合的方式可分为以下2种。

    不需要改造信息系统的业务应用层,仅需要通过构建QKD网络,实现量子密钥的安全分发,并通过对加密机或加密路由器等进行软硬件改造,添加可实时传递量子密钥的接口,方便用户使用量子密钥进行业务系统数据的加解密。此外,还可通过改造现有的密钥管理模块,实现对现有密钥和量子密钥的统一管理。

    可直接使用量子加密相关设备,构建QKD网络,通过设置量子密钥管理模块实现密钥的分发和管理,提供量子密钥进行业务数据的加解密。国铁集团办公信息系统适用于该种融合方式。

    量子通信组网策略主要分为独立光纤信道的组网策略和经典–量子波分复用信道的组网策略。本文方案中采用后者。

    独立光纤信道按照功能的不同分为3类信道:(1)用于传输量子信息的量子信道,以光纤传输为主;(2)用于协商管理相关信息的交互信道,可采用网线、光纤或无线等传输方式;(3)用于传输用户加密后数据的业务信道,可采用网线、光纤或无线等传输方式。独立光纤信道的量子通信组网策略如图2所示[10]

    图  2  独立光纤信道的量子通信组网策略

    铁路办公信息系统构建了集内网门户网站、电子公文、工作日志、通讯录及移动办公为一体的协同办公平台,实现了中国国家铁路集团有限公司(简称:国铁集团)与铁路局集团公司等下属单位办公信息的互联互通和收发公文的全电子流转,促进办公流程优化。该系统采用集中统一部署,系统总体架构如图3所示。

    图  3  铁路办公信息系统总体架构

    系统主体运行在铁路内部服务网中,移动终端对系统的访问需要调用移动安全接入平台的接口服务,进入铁路外部服务网,再通过安全平台实现与铁路内部服务网的数据交互[11]。在京单位、国铁集团各机关直属机构、各铁路局集团公司的PC端用户通过相应网络接入铁路内部服务网进行访问。铁路办公信息系统通过和统一身份认证系统集成,实现单点登录,通过电子公文子系统与档案管理系统间的数据共享,实现相关档案的电子化归档管理。

    铁路办公信息系统包括内网门户网站、电子公文、工作日志、通讯录、移动办公等主要子系统。

    (1)内网门户网站子系统主要功能包括内容管理、网站管理、搜索服务等。

    (2)电子公文子系统主要功能包括发文管理、收文管理、二级单位收发文管理、会议活动通知等。

    (3)工作日志子系统主要功能包括工作日历查看、统计分析、系统设置等。

    (4)通讯录子系统功能包括国铁集团机关各部门、直属机构、铁路局集团公司的人员信息查询、管理等。

    (5)移动办公子系统通过国铁集团移动办公App,实现与国铁集团办公信息系统同步的业务办理、信息查询、综合服务等功能。

    上述功能涉及的密钥需求包括对用户名登录密码、个人敏感信息、领导批示意见、存储文档、电子签章数字证书及移动传输数据等进行加密处理。

    基于量子通信技术的铁路办公信息系统应用方案在设施部署上应与铁路网络基础设施相贴合,在量子密钥资源管理和使用上应与铁路办公信息系统自上而下的业务管理方式相贴合。该应用方案总体架构如图4所示,包括铁路传输链路层、量子密钥基础设施层、量子密钥管理层、量子密钥应用层和系统业务层。

    图  4  应用方案总体架构

    依托铁路基础传输网络,构建基本的传输通道,由骨干传输网、汇聚传输网和接入传输网组成。铁路拥有丰富的光纤资源,遍布全国各主要城市和地区,为构建铁路量子密钥分发网络提供了良好的基础条件。

    主要功能是在量子密钥管理层的控制下,完成光路的切换及量子密钥的生成,并将生成的量子密钥上传至量子密钥管理层。量子密钥基础设施层的主要设备类型包括光交换设备和QKD设备。

    从量子密钥基础设施层接收量子密钥,通过密钥管理终端将点对点的量子密钥转变为用户可直接使用的密钥,向量子密钥应用层输出,完成量子密钥的再分配。通过量子密钥管理服务端可实现密钥的统一管理调配,向量子密钥应用层提供密钥服务。

    向量子密钥管理层申请量子密钥,接收业务应用层的用户数据,完成用户数据的加解密业务。量子密钥应用层主要包括:量子加密虚拟专用网络(VPN,Virtual Private Network)、量子安全服务平台、量子无线加密终端等,通过量子安全服务平台可实现移动端量子密钥的安全应用。

    可使用量子密钥应用层提供的密钥,结合办公系统相关业务开展应用,例如:个人敏感信息的加密存储和移动端数据加密传输等。

    使用量子通信需要先构建QKD网络,并在此基础上开展应用。基于量子通信的国铁集团办公信息系统应用方案的逻辑架构如图5所示。

    图  5  应用方案逻辑架构

    铁路办公信息系统的QKD网络使得系统业务层可从该网络中获取量子密钥;量子密钥管理服务端可对量子密钥进行统一管理,为整个办公系统提供密钥服务,实现系统中各办公终端信息的安全加密;量子安全服务平台可对移动端设备提供密钥充注,解决系统移动端用户使用过程中的安全问题。

    本文的应用方案基于QKD网络,产生安全的量子密钥,并传输给量子密钥管理服务端。量子密钥管理服务端基于对系统密钥业务量的评估,为各终端用户提供统一的密钥服务,各子系统可直接采用对称密钥进行加密,也可对数字证书等进行二次加密。通过量子密钥管理服务端对密钥的统一管理,可保障系统内各级用户间的各项业务工作的安全有效开展,在应用方案中设置量子密钥管理服务端的优点如下:

    (1)结合系统的用户权限实现密钥的分级管理。量子密钥管理服务端根据系统业务安全等级、具体业务情况和各级用户的密钥资源使用情况等因素,分配相应的密钥资源;

    (2)不同业务采用不同密钥。可实现不同子系统业务数据间的安全隔离,同时保障关键业务密钥定期更新,提高系统安全性;

    (3)兼容量子密钥和传统密钥。可实现多种密钥资源的融合统一管理,系统可逐步使用量子密钥替代传统密钥,方便各项业务的平稳过渡。

    考虑到系统移动端用户使用系统时的安全问题,在应用方案中设计了量子安全服务平台,实现对系统用户所使用的移动终端进行量子密钥充注,并对终端密钥进行统一管理,更安全地向移动端用户提供登录认证和数据存储等服务。若进一步与现有量子通信厂商、电信运营商及相关厂商开展合作,还可为核心涉密用户提供手机加密通话等服务,满足更多信息安全需求。在应用方案中设置量子安全服务平台的优点如下:

    (1)用户的移动终端内使用的密钥源是根据QKD协商形成的量子密钥,是基于量子特性的“真随机”,与传统诸多“伪随机”相比更加安全。

    (2)移动终端由量子安全服务平台提供密钥充注,可保障各终端的相对独立。很多安全方案中移动终端采用的根密钥相同,一旦移动终端丢失,可能造成不可估量的损失。本方案采用独立密钥,如果发生移动终端丢失损坏,只需要通过量子安全服务平台对该用户单独进行注销即可,不影响其他用户的使用。

    本文介绍了量子通信的相关内容,及铁路办公信息系统的总体架构,将铁路办公信息系统与量子通信相结合,提出了基于量子通信的铁路办公信息系统应用方案,通信双方使用基于量子通信技术安全分发的对称密钥进行加/解密,通过量子密钥管理服务端和量子安全服务平台实现量子密钥的统一管理和对移动端数据传输的安全加密,进而保障铁路办公信息系统数据的安全传输。未来,在铁路行业全面完成量子通信网络建设后,各业务系统均可实现使用量子密钥加密,进而提升铁路行业信息系统的整体安全性。

  • 图  1   BB84协议示意

    图  2   独立光纤信道的量子通信组网策略

    图  3   铁路办公信息系统总体架构

    图  4   应用方案总体架构

    图  5   应用方案逻辑架构

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    其他类型引用(2)

图(5)
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-11-30
  • 网络出版日期:  2023-05-28
  • 刊出日期:  2023-05-24

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