基于量子保密通信的公共服务云平台建设

蒋峰建

(黄山学院 信息工程学院，安徽 黄山 245041)

随着云计算和云存储技术的不断发展，公共云平台的建设不断成熟，在公共云平台中进行云数据存储和传输调度，结合数据加密方法提高数据存储和传输的保密性能，在公共云平台中实现数据的网格调度，需要对云平台中的大数据进行加密传输设计，提高公共云平台的数据安全性。在公共服务云平台建设中，通信的安全加密设计是基础，采用量子保密通信加密传输算法设计方法，结合云平台的传输数据编码和加密密钥设计，提高通信数据传输和调度的安全性[1]。本文提出一种基于量子中继纠缠加密的量子保密通信公共服务云平台建设方案。在嵌入式Linux环境下进行量子保密通信的公共服务云平台的软件设计，构建公共服务云平台的通信信息传输模型，将加密算法通过交叉编译的方式加载到公共服务云平台中，结合量子保密通信协议的优化设计，实现公共服务云平台优化建设。最后进行仿真实验分析，展示了改进方法在提高公共服务云平台建设中信息加密通信能力方面的优越性。

1 公共服务云平台的通信信道模型及数据采集

1.1 公共服务云平台云数据交互构架及信道模型

为了实现对公共服务云平台中云量子保密通信加密传输，在公共服务云平台中进行数据加密设计，构建公共服务云平台的信道模型，采用判决反馈均衡调度方法实现量子保密通信加密传输设计，结合云平台的分层结构设计方法进行云平台中的数据存储结构设计[2]，假设公共服务云平台节点由N=2P个阵元组成，构成量子保密通信的数据传输阵列，公共服务云平台云量子保密通信节点阵元分布的径向距离为d，在云服务中心中量子保密通信调度的接收模型为：

(1)

采用决策指向性信道估计方法进行量子保密通信信息分配，在公共服务云平台中进行数据交互设计，构建信道传输模型，在云存储中心进行公共云平台构架，在公共服务云平台的数据交互过程中，进行信道数学模型设计，得到公共云服务平台中的量子通信系统模型如图1所示。

图1 公共云服务平台中的量子通信系统模型

按照量子保密通信过程中的量子度量方法，进行量子纠缠分布设计，构建公共服务云平台量子保密通信加密传输算法，在量子纠缠态分配中进行量子译码设计[3]，设计量子加密器进行量子状态分析，提取公共服务云平台中的量子纠缠态为：

|φ〉1∈H1,|φ〉2∈H2,…,|φ〉n∈Hn，

(2)

采用自适应频分复用方法进行公共服务云平台量子保密通信的算术编码设计，得到通信传输的附加态为：

|φ〉=|φ〉1·|φ〉2·…·|φ〉n。

(3)

如果上面的式(1)成立，表示公共服务云平台中的云数据为纠缠态，否则|φ〉为非纠缠态。对公共服务云平台中云数据进行信息融合处理。假设两个量子传输的自旋状态为1/2的量子，第1个量子的自旋态为|0〉1、|1〉1，结合混沌密钥加密方法分析量子保密通信的传输状态，当自旋态为|0〉2、|1〉2，构建公共服务云平台云数据交互构架及信道模型，云计算网络环境下量子保密通信信道的多径分布为：

(4)

式中，δkj为Kronecker-δ函数，由此构建公共服务云平台的通信信息传输模型，进行量子保密通信的量子加密器设计。

1.2 量子通信加密算法

在上述构建公共服务云平台云量子保密通信的多径信道模型基础上，为了实现加密传输，需要进行量子保密通信的信息编码处理，在公共服务云平台的信息发送端对采集的通信信息采用量子加密器进行信号加密[4]，得到通信系统的加密状态如下：

|φ〉121=|0〉1|0〉2，

(5)

|φ〉122=|1〉1|1〉2。

(6)

公共服务云平台通信节点阵元分布的径向距离为d，对于云数据集合{x1,x2,…,xN},公共服务云平台中量子保密通信调度子集表示为{S1,S2,…,SL}，公共服务云平台量子保密通信信息传输的信道分配模型描述为：

(7)

采用动态加密方法进行量子编码，根据量子系统的动量矩和动量矩定理，得到量子质心动力学方程。在量子保密通信的公共服务云平台中，为保证量子信息在量子信道中传送时不衰减，提高传输信道的均衡性和加密性，需要对量子中继端进行解码设计，结合信源加密方案[5]，采用量子纠缠方法进行通信链路的扩频编码设计，构建公共云平台下的量子编码融合状态方程为：

(8)

式中：

(9)

在量子通信，引入能量梯度的概念，根据量子的能量衰减进行量子通信过程中的码元传输控制[6]，得到量子编码的动力学方程为：

(10)

量子通信加密的码元转换关系为：

(11)

(12)

(13)

根据上述分析，实现量子编码算法设计，构建量子通信的加密解密密钥，实现公共服务云平台的通信加密设计。

2 量子保密通信公共服务云平台建设优化

2.1 量子编码译码的密钥设计

(14)

其中：

(15)

在有限域内采用量子纠缠编码方法生成一个信源码比特序列分布式集合{pi,j}1≤i,j≤μ，其中pi,j表示为公共服务云平台的通信加密的公钥。

2.2 保密通信优化和平台建设实现

(16)

(17)

(18)

在分布式协同算法分配下，可将加密算法通过交叉编译的方式加载到公共服务云平台中[9]，结合量子保密通信协议的优化设计，得到标准化的通信协议为：

(19)

图2 分布式的量子保密通信任务分布

图3 任务分配模型

综上分析，在嵌入式Linux环境下进行量子保密通信的公共服务云平台的软件设计，采用量子编码和译码方法进行公共服务云平台通信数据加密的密钥设计，将加密算法通过交叉编译的方式加载到公共服务云平台中，得到优化平台设计方案。

3 仿真实验分析

在上述设计的公共服务云平台中进行量子保密通信性能测试，实验采用Matlab设计，取Pe=0.5，Pm=Pd=0.7，通信信道的带宽为120Kbps，信道的干扰信噪比为-10dB，公共服务云平台网络的云量子保密通信节点的最大辐射距离Rmax为100 m，得到分布式的量子保密通信任务分布，如图2所示。

以图2的传输任务为样本，进行公共服务云平台的通信信息传输性能测试，得到保密通信输出的任务分配模型，如图3所示。

从图3可以看出，采用该方法进行公共服务云平台建设，任务分配的均衡性较好，量子保密通信的传输性能得到提升，测试不同方法进行量子保密通信的传输误码率，得到对比结果见表1，分析表1结果得知，所提方法的误码率较低，说明在该公共服务云平台建设体系下通信质量得到提升。

表1 误码率对比

4 结语

提出一种基于量子中继纠缠加密的量子保密通信公共服务云平台建设方案。在嵌入式Linux环境下进行的量子保密通信的公共服务云平台的软件设计，构建公共服务云平台的通信信息传输模型，在公共服务云平台的信息发送端对采集的通信信息采用量子加密器进行信号加密，设计量子通信加密算法，采用量子编码和译码方法进行公共服务云平台通信数据加密的密钥设计，将加密算法通过交叉编译的方式加载到公共服务云平台中，结合量子保密通信协议的优化设计，实现公共服务云平台优化建设。采用该方法进行量子保密通信的公共服务云平台建设，通信加密性能较好，传输误码率较低，提高了通信质量。