基于量子加密安全通信的物联网数据采集处理方法及主机与流程

本发明涉及物联网通信，尤其涉及基于量子加密安全通信的物联网数据采集处理方法及主机。

背景技术：

1、随着物联网技术的快速发展，越来越多的设备和传感器被连接到网络中，以实现数据的采集、传输和处理。这些物联网设备在各类应用场景中发挥着重要作用，如智能家居、工业自动化、环境监测和智慧城市等。然而，随着物联网设备数量的增加，数据传输的安全性问题也变得日益突出。现有的加密技术，如对称加密和非对称加密，虽然能够在一定程度上保护数据的安全，但仍然存在一些无法忽视的缺陷。

2、传统加密技术主要依赖于复杂的数学难题，如质因数分解和离散对数问题。这些问题对于经典计算机来说非常困难，基于这些问题的加密算法在过去几十年里被认为是安全的。然而，随着量子计算技术的发展，量子计算机可以在多项式时间内高效解决质因数分解和离散对数问题。当前使用广泛的rsa和椭圆曲线加密算法在量子计算机面前将变得不再安全。

3、现有的密钥分发方式主要依赖于公共密钥基础设施，但pki系统也有其脆弱性，例如，中间人攻击、证书伪造等安全威胁。在物联网环境中，由于设备数量庞大，密钥管理变得更加复杂。一旦密钥被窃取，攻击者可以解密数据通信，导致信息泄露和篡改。传统的加密技术主要集中在数据本身的保护上，而对通信链路的实时监测和安全性保障相对薄弱。现有的链路监测技术大多依赖于检测异常流量和模式，但面对复杂和高级的攻击手段，这些监测方法可能无法及时发现并应对窃听和篡改行为。

4、在现有的物联网系统中，数据传输过程中的安全性和可靠性往往得不到充分保障。特别是在无线通信环境下，数据容易受到干扰和攻击，导致数据丢失、篡改和窃取。无线通信的开放性使得攻击者可以在不接触物理设备的情况下进行攻击，这给数据传输带来了极大的安全隐患。现有的物联网系统在数据传输过程中可能会产生各种误差，但传统的纠错技术无法有效应对量子态误差。量子态误差是由于量子测量和量子态变化引起的，传统的纠错技术无法解决这类问题，导致数据传输的准确性和可靠性受到影响。

5、因此，如何提供基于量子加密安全通信的物联网数据采集处理方法及主机是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的一个目的在于提出基于量子加密安全通信的物联网数据采集处理方法及主机，本发明充分利用了量子密钥分发、量子态超级密钥协商、混沌理论多层加密、链路安全监测和量子态纠错技术，详细描述了实现高安全性物联网数据传输的方法，并且具有模块化设计、适应性强、能够灵活配置不同模块以满足特定需求的优点。

2、根据本发明实施例的基于量子加密安全通信的物联网数据采集处理方法及主机，包括如下步骤：

3、s1、在物联网设备中部署包括温度传感器、湿度传感器、压力传感器和光强传感器的各类传感器，实时采集环境数据和相关参数；

4、s2、利用量子随机数发生器生成量子密钥，通过量子密钥分发系统将量子密钥分发至物联网设备和数据处理主机，采用量子态超级密钥协商机制，动态调整量子密钥的分发频率和方式，适应不同环境和传感器的需求；

5、s3、物联网设备使用接收到的密钥对采集的数据进行加密，在数据加密过程中引入基于混沌理论的多层加密算法，实现多层次加密；

6、s4、加密后的数据通过无线通信技术传输至数据处理主机，在传输过程中利用链路监测传感器监测通信链路的安全性，及时发现并应对窃听行为；

7、s5、数据处理主机接收加密数据，并使用量子密钥进行解密，恢复原始数据，结合量子态纠错技术，自动修复传输过程中产生的量子态误差；

8、s6、解密后的数据在数据处理模块中进行处理，包括数据分析、挖掘和存储，数据处理模块配备量子计算加速器；

9、s7、在数据处理和传输过程中，采用量子态信任管理机制，通过量子态认证和信任评估，优化数据传输节点的可信度，防止恶意节点的攻击；

10、s8、在分布式环境中对数据进行管理和处理，利用自适应学习的动态负载均衡技术，根据节点计算能力和实时数据流量，动态调整数据分配。

11、可选的，所述s2具体包括：

12、s21、利用量子随机数发生器生成高熵随机数r，并将高熵随机数转换为初始量子密钥k；

13、s22、通过量子密钥分发系统将量子密钥k分发至物联网设备和数据处理主机，量子密钥分发系统包括发送端和接收端，分别部署在物联网设备和数据处理主机上；

14、s23、采用量子态超级密钥协商机制，动态调整量子密钥的分发频率和方式，物联网设备和数据处理主机分别生成各自的初始密钥k0,device和k0,host，通过量子通道交换初始密钥；

15、s24、根据接收到的初始密钥，物联网设备和数据处理主机分别生成协商后的量子密钥kneg；

16、s25、在协商后的量子密钥kneg基础上，动态调整量子密钥的分发频率fdis和分发方式mdis，利用环境感知模块和传感器数据分析模块，根据环境变化和传感器状态实时更新量子密钥分发参数，通过自适应算法调整分发策略，适应不同环境和传感器的需求：

17、

18、其中，wi和vj分别为环境参数和传感器类型的权重系数，envi和sensor_j分别表示不同的环境参数和传感器类型；

19、s26、将动态调整后的量子密钥kdyn分发至物联网设备和数据处理主机，使在不同环境和传感器条件下保持高效且安全的密钥分发机制。

20、可选的，所述s3具体包括：

21、s31、物联网设备接收到动态调整后的量子密钥kdyn后，对采集的数据进行加密；

22、s32、利用基于混沌理论的多层加密算法对数据进行初步加密，生成初步加密数据d1：

23、d1＝c1(data,kdyn)＝sin(a·data+b·kdyn)×cos(c·data+d·kdyn)；

24、其中，c1表示混沌理论的加密函数，data为采集的原始数据，kdyn为动态调整后的量子密钥，a、b、c和d为混沌加密的参数；

25、s33、对初步加密后的数据d1进行二次加密，生成二次加密数据d2；

26、s34、将二次加密后的数据d2进行多层次加密处理，最终生成多层次加密数据dfinal：

27、dfinal＝cn(dn-1,kdyn)；

28、其中，cn表示混沌理论的第n层加密函数，dn-1为第n-1层加密数据，kdyn为动态调整后的量子密钥，n为加密层数；

29、s35、将多层次加密后的数据dfinal存储在物联网设备的安全存储模块中，并通过安全通信通道传输至数据处理主机。

30、可选的，所述s4具体包括：

31、s41、将多层次加密后的数据dfinal通过无线通信技术传输至数据处理主机；

32、s42、在数据传输过程中，利用链路监测传感器对通信链路进行实时监测，链路监测传感器包括检测模块和分析模块，实时获取通信链路状态参数link_status；

33、s43、链路监测传感器通过分析获取的通信链路状态参数link_status，检测并识别潜在的窃听和篡改行为，生成安全警报salert；

34、s44、在检测到的安全警报salert表明存在窃听行为时，链路监测传感器立即触发安全应对机制，包括重新分配通信信道和调整加密参数；

35、s45、数据处理主机接收到通过传输的加密数据dfinal后，首先验证生成的安全警报salert，确认数据传输过程中的安全性，若安全，则进行后续数据处理。

36、可选的，所述s5具体包括：

37、s51、数据处理主机接收到通过无线通信技术传输的多层次加密数据dfinal；

38、s52、使用协商后的量子密钥kneg对接收到的加密数据进行逐层解密，恢复解密后的数据dn-1：

39、

40、其中，表示第n层的解密函数，dn-1为第n-1层解密数据，kneg为协商后的量子密钥，g为多层次加密的参数，αi为解密系数；

41、s53、继续使用量子密钥kneg对逐层解密的数据dn-1进行解密，恢复下一层的数据dn-2,直到恢复初步解密后的数据d1；

42、s54、对初步解密后的数据d1进行最终解密，恢复原始数据data：

43、

44、其中，表示初步加密的解密函数，d1为初步加密数据，kneg为协商后的量子密钥，a、b、c和d为解密参数；

45、s55、结合量子态纠错技术，对恢复的原始数据data进行纠错处理，修复传输过程中产生的量子态误差：

46、

47、其中，data为恢复的原始数据，datacorrected为纠错后的数据，βi和γ为纠错参数，errori为量子态误差；

48、s56、对纠错后的数据datacorrected进行校验，通过校验函数v验证数据：

49、

50、其中，v表示校验函数，δi和ωi为校验参数。

51、可选的，所述s7具体包括：

52、s71、在数据处理和传输过程中，采用量子态信任管理机制，通过量子态认证和信任评估模块，计算每个数据传输节点的信任值tnode，信任值基于量子态参数和历史行为数据进行综合计算，以评估每个节点的可靠性；

53、s72、通过信任评估模块实时更新每个节点的信任值，并生成节点信任评估报告rtrust，报告结合通信链路状态参数，动态反映节点的当前可信度：

54、

55、其中，τ表示信任评估函数，link_status为通信链路状态参数，λ为评估参数；

56、s73、根据信任评估报告rtrust，动态调整数据传输路径，选择信任值高的节点进行数据传输，路径选择过程基于信任值的最大化原则；

57、s74、在数据传输过程中，信任管理机制持续监控节点的信任值变化，及时发现并隔离不可信节点，更新节点列表lnodes；

58、s75、对通过信任管理机制传输的数据进行信任验证，信任验证过程通过分析纠错后的数据，使其未受到篡改和干扰。

59、可选的，所述s8具体包括：

60、s81、在分布式环境中部署多个数据处理节点，每个节点具有不同的计算能力和处理性能，节点集合定义为n＝{n1,n2,…,nk}，其中k为节点数量；

61、s82、采集每个节点的计算能力参数ci和实时数据流量参数fi，定义节点的综合能力参数为pi；

62、s83、利用自适应学习算法对各节点的综合能力参数pi进行动态评估和更新，生成初始负载分配策略linitial：

63、

64、其中，γ为分配系数，d为总数据量，linitial为每个节点的初始负载分配量；

65、s84、将初始负载分配策略linitial应用于数据处理节点，根据节点的综合能力参数pi将数据动态分配到各个数据处理节点；

66、s85、在数据处理过程中，实时监测各节点的处理状态和数据流量变化，更新节点的综合能力参数pi，并动态调整负载分配策略l：

67、

68、其中，γ′为新的分配系数，pi(t)为时间t时节点的综合能力参数，d(t)为时间t时的总数据量，l为动态调整后的负载分配量；

69、s86、利用自适应学习算法对负载分配过程中的调整结果进行反馈和优化，通过实时监测和反馈调整；

70、s87、在分布式环境中，对处理完成的数据进行汇总和整合，生成最终的处理结果r，并通过安全通信通道传输至中央管理系统进行存储和分析。

71、可选的，所述主机包括如下组件：

72、量子随机数发生器：用于生成高熵随机数，并将随机数转换为初始量子密钥；

73、量子密钥分发系统：包括发送端和接收端，分别部署在物联网设备和数据处理主机上，通过量子通道将量子密钥分发至物联网设备和数据处理主机；

74、量子态超级密钥协商机制：用于动态调整量子密钥的分发频率和方式，物联网设备和数据处理主机分别生成初始密钥，并通过量子通道交换初始密钥，生成协商后的量子密钥；

75、数据加密和解密模块：物联网设备使用动态调整后的量子密钥对采集的数据进行多层次加密，数据处理主机接收到加密数据后，使用协商后的量子密钥逐层解密，恢复原始数据；

76、无线通信模块：用于通过无线通信技术传输加密数据，并在传输过程中监测通信链路的安全性，及时发现并应对窃听行为；

77、量子态纠错和校验模块：用于对恢复的原始数据进行纠错处理，修复传输过程中产生的量子态误差，并对纠错后的数据进行校验；

78、信任管理和负载均衡模块：通过量子态认证和信任评估计算每个数据传输节点的信任值，生成节点信任评估报告，动态调整数据传输路径，选择信任值高的节点进行数据传输，监控节点的信任值变化，及时发现并隔离不可信节点，对数据进行管理和处理，利用自适应学习算法根据节点的计算能力和实时数据流量动态调整数据分配，生成负载分配策略；

79、数据汇总和整合模块：用于汇总和整合处理完成的数据，生成最终的处理结果，并通过安全通信通道传输至中央管理系统进行存储和分析。

80、本发明的有益效果是：

81、本发明通过引入量子加密安全通信技术，显著提升了物联网数据采集和传输的安全性和可靠性。利用量子密钥分发技术，通过量子态的不可克隆性和量子测量的不可预知性，实现了无条件安全的密钥分发，彻底解决了传统密钥分发方式中的安全隐患。采用量子态超级密钥协商机制，能够根据不同环境和传感器的需求，动态调整量子密钥的分发频率和方式，确保在各种使用环境下都能提供高度安全的密钥分发服务。物联网设备使用动态调整后的量子密钥对采集的数据进行基于混沌理论的多层次加密，提供了多重保护，极大地增强了数据在传输过程中的安全性。

82、在数据传输过程中，利用链路监测传感器实时监测通信链路的安全性，能够及时发现并应对窃听和篡改行为，进一步保障数据传输的安全。数据处理主机结合量子态纠错技术，对解密后的数据进行纠错处理，自动修复传输过程中可能产生的量子态误差，确保数据的准确性和完整性。系统设计为模块化，允许用户根据需求添加、移除或更换不同的模块，灵活搭建满足特定需求的不同行业的物联网平台，增强了系统的适用性和灵活性。

83、通过量子态认证和信任评估模块，计算并动态调整数据传输路径，选择信任值高的节点进行数据传输，保证数据传输路径的可靠性。利用自适应学习算法，根据节点的计算能力和实时数据流量动态调整数据分配，确保系统在分布式环境中的高效运行；处理完成的数据通过安全通信通道传输至中央管理系统进行存储和进一步分析。