量子密钥离线预置与本地激活方法、装置及其相关设备与流程

本技术涉及量子安全通信，尤其涉及一种量子密钥离线预置与本地激活方法、装置及其相关设备。

背景技术：

1、随着量子通信技术的发展，量子密钥分发在信息安全领域展现出广阔前景。然而，大量终端设备因地理位置偏远或物理环境限制，无法通过量子链路实时获取密钥，需要通过离线方式将量子密钥材料预置入终端。

2、相关技术中，离线密钥预置方案主要通过密钥管理系统生成密钥材料后，借助物理存储介质将其导入终端设备，预置过程中需与密钥中心进行实时交互认证以保障合法性。

3、然而，由于信任链的建立依赖网络侧的实时在线参与，当终端处于完全断网环境时，预置流程因无法完成交互认证而无法启动，导致密钥部署失效；同时，存储于物理介质中的密钥材料缺乏足够强度的被动安全防护，攻击者在获取介质后可直接提取有效密钥，导致密钥体系安全性受损。

技术实现思路

1、本技术提供一种量子密钥离线预置与本地激活方法、装置及其相关设备，用于实现量子密钥材料在目标终端设备中的安全预置与本地安全激活。

2、第一方面，本技术实施例提供了一种量子密钥离线预置方法，应用于预置工作站，包括：

3、基于量子随机数源生成原始量子密钥材料；

4、基于所述原始量子密钥材料构建merkle树以生成第一根哈希值；

5、生成与所述原始量子密钥材料等长的随机掩码，并将所述原始量子密钥材料与所述随机掩码进行逐比特异或运算，生成白化密钥材料；

6、基于从所述目标终端设备获取的硬件固有物理特征，生成第一设备根密钥，并基于所述第一设备根密钥派生第一包装密钥和第一消息认证密钥；

7、通过非对称密钥对中的非对称公钥对所述第一包装密钥和所述第一消息认证密钥进行加密，生成认证标签，所述非对称密钥对在所述目标终端设备生成；

8、基于所述第一包装密钥对所述白化密钥材料和所述第一根哈希值分别进行加密，生成包含加密结果和所述认证标签的注入容器，并将所述注入容器以及所述随机掩码写入所述目标终端设备。

9、本技术提供的技术方案至少带来以下有益效果：

10、本技术的量子密钥离线预置与本地激活方法通过量子随机数源生成原始密钥材料以确保熵源安全性，再以等长随机掩码进行逐比特异或白化并将掩码独立写入终端，使存储形态中的白化密钥材料脱离掩码后仅为随机噪声；基于终端硬件固有物理特征生成的设备根密钥具有设备唯一性，由此派生的包装密钥和消息认证密钥不会离开安全边界，使容器解密被锚定于特定硬件，脱离原设备无法解封；利用目标终端生成的非对称公钥对包装密钥和消息认证密钥加密形成认证标签，对应私钥仅留存于终端内部，使容器与终端身份实现密码学绑定，有效阻断克隆容器至非法终端的介质复制攻击；基于包装密钥对白化密钥材料和merkle根哈希值加密生成注入容器并写入终端，其中merkle根哈希值为断网下的完整性自验证预留了独立校验基准。上述层层封装使得注入容器的解密须同时满足持有正确掩码、匹配的puf硬件特征和正确的非对称私钥三重条件，任一条件缺失均无法还原有效密钥，使攻击者在获取注入容器的复制件后无法还原出有效的量子密钥材料，且在单个终端设备被攻破的情况下，不会导致其他设备或整个密钥体系的安全性受损。

11、一种可能的实现方式，所述注入容器包括：

12、加密密钥材料字段，用于存储通过所述第一包装密钥加密后的所述白化密钥材料；

13、认证标签字段，用于存储所述认证标签；

14、根哈希值字段，用于存储通过所述第一包装密钥加密后的所述merkle树的第一根哈希值。

15、另一种可能的实现方式，所述基于从所述目标终端设备获取的硬件固有物理特征，生成第一设备根密钥，包括：

16、向所述目标终端设备的物理不可克隆功能puf模块施加激励信号，获取所述puf模块因半导体制造工艺偏差产生的原始物理响应；

17、对所述原始物理响应进行纠错和提取处理，生成所述第一设备根密钥。

18、第二方面，本技术实施例提供了一种量子密钥本地激活方法，应用于目标终端设备，包括：

19、在断网状态下，基于所述目标终端设备的硬件固有物理特征生成第二设备根密钥，并基于所述第二设备根密钥派生第二包装密钥和第二消息认证密钥；

20、通过所述第二包装密钥和预置的非对称密钥对中的非对称私钥，对预置在所述目标终端设备中的注入容器进行双重校验和解密，得到原始量子密钥材料和第一根哈希值，所述注入容器包括通过第一包装密钥对白化密钥材料和第一根哈希值进行加密得到的加密结果，以及通过非对称公钥对所述第一包装密钥和第一消息认证密钥进行加密生成的认证标签；

21、基于解密得到的所述原始量子密钥材料重新构建merkle树，将重新生成的第二根哈希值与解密得到的所述第一根哈希值进行比对；

22、在比对通过的情况下，基于所述原始量子密钥材料派生激活密钥，通过所述激活密钥生成业务会话密钥池，以完成量子密钥本地激活，并对所述原始量子密钥材料、所述激活密钥以及所述注入容器进行安全擦除。

23、一种可能的实现方式，所述通过所述第二包装密钥和预置的非对称密钥对中的非对称私钥，对预置在所述目标终端设备中的注入容器进行双重校验和解密，得到原始量子密钥材料和第一根哈希值，包括：

24、通过所述第二包装密钥对所述注入容器中的所述加密结果进行解密，得到所述白化密钥材料和所述第一根哈希值；

25、通过所述非对称私钥对所述注入容器中的所述认证标签进行解密，得到所述第一包装密钥和所述第一消息认证密钥；

26、将解密得到的所述第一包装密钥和所述第一消息认证密钥，与基于所述第二设备根密钥派生的所述第二包装密钥和所述第二消息认证密钥进行比对；

27、在比对通过的情况下，通过预置的随机掩码对所述白化密钥材料进行逐比特异或运算，恢复得到所述原始量子密钥材料。

28、另一种可能的实现方式，所述基于解密得到的所述原始量子密钥材料重新构建merkle树，将重新生成的第二根哈希值与解密得到的所述第一根哈希值进行比对，包括：

29、将所述原始量子密钥材料分割为多个分片，并对每个所述分片分别计算哈希值，得到重建的叶子节点；

30、对所述重建的叶子节点递归进行两两拼接后计算哈希值，直至得到所述第二根哈希值，以将所述第二根哈希值与所述第一根哈希值进行比对。

31、又一种可能的实现方式，所述基于所述原始量子密钥材料派生激活密钥，通过所述激活密钥生成业务会话密钥池，包括：

32、以所述原始量子密钥材料为输入密钥材料，以基于所述第二设备根密钥派生的激活种子为盐值，通过密钥派生函数生成所述激活密钥；

33、基于所述激活密钥和硬件单调计数器的当前计数值，通过伪随机函数逐次生成多个业务会话密钥，填充至所述业务会话密钥池中。

34、又一种可能的实现方式，在生成所述业务会话密钥池之后，还包括：

35、在每次从所述业务会话密钥池中分配一个业务会话密钥时，控制所述硬件单调计数器执行原子递增操作；

36、在所述硬件单调计数器的计数值大于或等于预警阈值且小于所述业务会话密钥池的容量上限的情况下，触发密钥耗尽预警，以指示所述目标终端设备需要重新注入原始量子密钥材料；

37、在所述硬件单调计数器的计数值大于或等于所述容量上限的情况下，触发自锁保护，以禁止继续从所述业务会话密钥池中分配业务会话密钥，并清空所述业务会话密钥池。

38、又一种可能的实现方式，在所述基于所述目标终端设备的硬件固有物理特征生成第二设备根密钥之前，还包括：

39、检测所述目标终端设备的防拆传感器信号状态，在检测到所述信号状态指示设备外壳被非法开启时，触发紧急擦除序列，以销毁预置在所述目标终端设备内的所述随机掩码和所述非对称私钥。

40、第三方面，本技术实施例提供了一种量子密钥离线预置与本地激活系统，包括预置工作站和目标终端设备；

41、所述预置工作站用于执行如第一方面所述的量子密钥离线预置方法；

42、所述目标终端设备用于执行如第二方面所述的量子密钥本地激活方法。

43、第四方面，本技术实施例提供了一种量子密钥离线预置装置，包括：

44、生成模块，用于基于量子随机数源生成原始量子密钥材料；

45、所述生成模块，还用于基于所述原始量子密钥材料构建merkle树以生成第一根哈希值；

46、运算模块，用于生成与所述原始量子密钥材料等长的随机掩码，并将所述原始量子密钥材料与所述随机掩码进行逐比特异或运算，生成白化密钥材料；

47、获取模块，用于基于从所述目标终端设备获取的硬件固有物理特征，生成第一设备根密钥，并基于所述第一设备根密钥派生第一包装密钥和第一消息认证密钥；

48、加密模块，用于通过非对称密钥对中的非对称公钥对所述第一包装密钥和所述第一消息认证密钥进行加密，生成认证标签，所述非对称密钥对在所述目标终端设备生成；

49、写入模块，用于基于所述第一包装密钥对所述白化密钥材料和所述第一根哈希值分别进行加密，生成包含加密结果和所述认证标签的注入容器，并将所述注入容器以及所述随机掩码写入所述目标终端设备。

50、一种可能的实现方式，所述注入容器包括：

51、加密密钥材料字段，用于存储通过所述第一包装密钥加密后的所述白化密钥材料；

52、认证标签字段，用于存储所述认证标签；

53、根哈希值字段，用于存储通过所述第一包装密钥加密后的所述merkle树的第一根哈希值。

54、另一种可能的实现方式，所述获取模块，具体用于：

55、向所述目标终端设备的物理不可克隆功能puf模块施加激励信号，获取所述puf模块因半导体制造工艺偏差产生的原始物理响应；

56、对所述原始物理响应进行纠错和提取处理，生成所述第一设备根密钥。

57、第五方面，本技术实施例提供了一种量子密钥本地激活装置，包括：

58、生成模块，用于在断网状态下，基于所述目标终端设备的硬件固有物理特征生成第二设备根密钥，并基于所述第二设备根密钥派生第二包装密钥和第二消息认证密钥；

59、校验与解密模块，用于通过所述第二包装密钥和预置的非对称密钥对中的非对称私钥，对预置在所述目标终端设备中的注入容器进行双重校验和解密，得到原始量子密钥材料和第一根哈希值，所述注入容器包括通过第一包装密钥对白化密钥材料和第一根哈希值进行加密得到的加密结果，以及通过非对称公钥对所述第一包装密钥和第一消息认证密钥进行加密生成的认证标签；

60、构建模块，用于基于解密得到的所述原始量子密钥材料重新构建merkle树，将重新生成的第二根哈希值与解密得到的所述第一根哈希值进行比对；

61、所述生成模块，还用于在比对通过的情况下，基于所述原始量子密钥材料派生激活密钥，通过所述激活密钥生成业务会话密钥池，以完成量子密钥本地激活，并对所述原始量子密钥材料、所述激活密钥以及所述注入容器进行安全擦除。

62、一种可能的实现方式，所述校验与解密模块，具体用于：

63、通过所述第二包装密钥对所述注入容器中的所述加密结果进行解密，得到所述白化密钥材料和所述第一根哈希值；

64、通过所述非对称私钥对所述注入容器中的所述认证标签进行解密，得到所述第一包装密钥和所述第一消息认证密钥；

65、将解密得到的所述第一包装密钥和所述第一消息认证密钥，与基于所述第二设备根密钥派生的所述第二包装密钥和所述第二消息认证密钥进行比对；

66、在比对通过的情况下，通过预置的随机掩码对所述白化密钥材料进行逐比特异或运算，恢复得到所述原始量子密钥材料。

67、另一种可能的实现方式，所述构建模块，具体用于：

68、将所述原始量子密钥材料分割为多个分片，并对每个所述分片分别计算哈希值，得到重建的叶子节点；

69、对所述重建的叶子节点递归进行两两拼接后计算哈希值，直至得到所述第二根哈希值，以将所述第二根哈希值与所述第一根哈希值进行比对。

70、又一种可能的实现方式，所述生成模块，具体用于：

71、以所述原始量子密钥材料为输入密钥材料，以基于所述第二设备根密钥派生的激活种子为盐值，通过密钥派生函数生成所述激活密钥；

72、基于所述激活密钥和硬件单调计数器的当前计数值，通过伪随机函数逐次生成多个业务会话密钥，填充至所述业务会话密钥池中。

73、又一种可能的实现方式，所述量子密钥本地激活装置还包括执行模块；

74、在生成所述业务会话密钥池之后，所述执行模块，用于：

75、在每次从所述业务会话密钥池中分配一个业务会话密钥时，控制所述硬件单调计数器执行原子递增操作；

76、在所述硬件单调计数器的计数值大于或等于预警阈值且小于所述业务会话密钥池的容量上限的情况下，触发密钥耗尽预警，以指示所述目标终端设备需要重新注入原始量子密钥材料；

77、在所述硬件单调计数器的计数值大于或等于所述容量上限的情况下，触发自锁保护，以禁止继续从所述业务会话密钥池中分配业务会话密钥，并清空所述业务会话密钥池。

78、又一种可能的实现方式，在所述基于所述目标终端设备的硬件固有物理特征生成第二设备根密钥之前，所述执行模块，还用于：

79、检测所述目标终端设备的防拆传感器信号状态，在检测到所述信号状态指示设备外壳被非法开启时，触发紧急擦除序列，以销毁预置在所述目标终端设备内的所述随机掩码和所述非对称私钥。

80、第六方面，本技术提供一种电子设备，该电子设备包括：处理器和存储器；该存储器存储可在处理器上运行的程序或指令，上述程序或指令被该处理器执行时实现上述第一方面或第二方面的方法。

81、第七方面，本技术提供一种可读存储介质，该可读存储介质上存储程序或指令，上述程序或指令被计算机执行时实现上述第一方面或第二方面的方法。

82、第八方面，本技术提供一种计算机程序产品，该计算机程序产品被存储在存储介质中，当该计算机程序产品被计算机执行时以实现上述第一方面或第二方面的方法。

83、第九方面，本技术实施例提供了一种芯片，该芯片包括处理器和通信接口，所述通信接口和所述处理器耦合，所述处理器用于运行程序或指令，实现如第一方面或第二方面所述的方法。

84、上述第二方面至第九方面的有益效果参考第一方面的对应描述，不再赘述。