电力通信网络中的量子保密通信示范应用与测评

电力通信网络中的量子保密通信示范应用与测评
肖磊1，李伯中1，张素香1，赖俊森2，刘璐2，田照宇1
(1. 国家电网有限公司信息通信分公司，北京　100761；2. 中国信息通信研究院技术与标准研究所，北京　100191)
摘　要：基于量子密钥分发的量子保密通信技术是未来提升信息安全防护能力的有效解决方案之一，近年来相关技术研究、设备研制和示范应用发展迅速，但量子保密通信系统测评的标准规范尚未完全建立。

在回顾量子保密通信技术及其应用进展的基础上，介绍电力量子保密通信示范网络建设和设备应用情况，从量子密钥分发、管理和应用等不同方面提出综合测评方案，通过实际网络环境验证量子保密通信技术在电力通信网络中应用的可行性和技术效果，并对未来量子保密通信应用发展进行展望。

关键词：量子密钥分发；量子密钥管理；量子保密通信；电力通信；测试评估DOI ：10.11930/j.issn.1004-9649.201907143
0 引言
2015年乌克兰大范围停电事故及2019年委内瑞拉全国大停电反映出网络时代国家基础设施正面临重大安全威胁。

强化网络防御能力，保障国家安全，已引起越来越多国家的重视。

保障经典通信安全的方法通常是对信息加密，但随着密钥破解算法的不断突破，以及计算科学尤其是量子计算技术的发展，经典密码加密技术对于通信网络安全的保障能力受到极大挑战。

量子通信系统因其“测不准原理”、未知“量子态”不能被精确复制等特点逐渐进入了公众视野，可从原理上保证通信无条件安全。

量子通信主要分量子隐形传态（qu a nt u m teleportation ，QT ）和量子密钥分发（quantum key distribution ，QKD ）2类[1]。

QT 基于通信双方的光
子纠缠对分发（信道建立）、贝尔态测量（信息调制）和幺正变换（信息解调）实现量子态信息直接传输，其中量子态信息解调需要借助传统通信辅助才能完成
[2-3]。

QKD 通过对单光子或光场正
则分量的量子态制备、传输和测量，首先在收发双方间实现无法被窃听的安全密钥共享，之后再
与传统保密通信技术相结合完成经典信息的加解密和安全传输，基于QKD 的保密通信称为量子保密通信[4]。

QT 仍处前沿研究阶段，实用化尚有距离，但QKD 已经进入产业化初级阶段[5-9]。

文献[10]1984年提出了首个实用化量子密钥分发BB84协议，使Q K D 技术研究从理论探索走向现实。

2005年多强度诱骗态调制方案提出，解决了QKD 弱相干脉冲光源的多光子安全漏洞。

2003年，美国DARPA 资助哈佛大学建立了世界首个量子保密通信实验网。

2018年，美国Quantum Xchange 公司公布连接华盛顿特区和波士顿的805 km 商用QKD 线路建设计划。

2008年开始，欧洲多国通过SECOQC 和瑞士量子等项目进行QKD 组网验证。

2016年，欧盟发布《量子宣言》，计划在欧洲主要城市建立量子保密通信城域网。

2014年起，英国通过“国家量子技术计划”的项目布局和投资，开始建设伦敦、剑桥、布里斯托等地的量子保密试验网络。

2010年，日本与欧洲联合建立东京量子保密通信试验网络。

中国近年来的量子保密通信的试点应用、网络建设和产业呈现较快发展趋势。

2017年，量子保密通信“京沪干线”项目建成开通，“沪杭干线”“宁苏干线”“武合干线”等项目也相继开始建设，全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”实验研究同步推进，取得一系列重要研究成果。

当前量子保密通信技术的示范应用和实验研
收稿日期：2019−07−16； 修回日期：2019−10−09。

基金项目：国家电网有限公司科技项目（量子保密通信技术实用化应用关键技术研究）。

第 54 卷 第 1 期中国电力
Vol. 54, No. 12021 年 1 月
ELECTRIC POWER
Jan. 2021
175
究取得了很大进展，但量子保密通信系统测评的标准规范尚未完全建立和明确，有关量子保密通信设备实际应用效果的文献较少。

文献[11]重点探讨了量子保密通信系统的测评方法及标准化研究进展；文献[12]在实验模拟环境下研究距离损耗、舞动损耗、接续损耗等不同条件对量子保密通信系统量子密钥成码效果的影响；文献[13]通过搭建实验环境对量子虚拟专用网络（VPN）设备的性能进行测试分析。

本文在总结相关文献研究成果基础上，依托国家电网有限公司电力量子保密通信示范项目实际情况，重点介绍项目整体测评进展和相关设备的应用效果，并对量子保密通信技术的应用发展进行展望。

1 量子保密通信系统架构
典型量子保密通信系统由QKD终端、量子密钥管理（QKM）终端和量子VPN设备3部分组成。

QKD设备通过量子信道和经典信道协商产生量子密钥，并通过QKM设备对密钥进行存储管理；量子VPN设备从QKM设备中获取量子密钥，将业务数据加密后通过量子VPN设备建立的传输通道进行传输。

量子保密通信系统架构如图1所示。

按照量子保密通信网络覆盖范围来分，可分为城域网及骨干网。

城域网是以用户接入为主要功能的中小型量子保密通信网络，包括集控站节点、可信中继节点及用户节点。

骨干网贯穿各个城域网的主干网络，可以跨区域连接城域网，使多个城域网形成一个整体的网络。

集控站节点为量子城域网的核心节点，是所在区域密钥分发与中继的控制中心，并提供接入骨干网功能；中继节点提供密钥中继功能，用于扩展量子保密通信网络的范围，向上连接集控站节点，向下连接其他中继节点或用户节点；用户节点是量子保密通信网络中最接近用户业务的量子密钥分发节点，通过接到可信中继节点与其他节点通信。

2 电力量子保密通信示范网络工程
自2012年起，国家电网有限公司开始组织开展量子保密通信技术在电力系统的实用化研究及测试工作，依托基础网络建设项目，开展调度自动化、电力业务容灾备份、保密电视电话等多项关键业务验证[14-20]。

电力通信骨干网主要由架空光纤复合架空地线（OPGW）组成，而偏振量子保密通信系统的量子态在传输过程中极易受外界环境因素的干扰，因此重点关注OPGW的量子保密通信设备应用效果及量子密钥抗干扰技术。

根据国家电网有限公司量子保密通信网络总体规划，依托国家量子保密通信“京沪干线”，构建了覆盖总部、北京、上海、山东、安徽电力公司的电力量子保密通信示范网络，包括北京城域电力量子保密通信网、基于京沪干线的广域电力量子通信网2个示范项目。

北京城域电力量子保密通信网示范工程基于电力基础设施，建设覆盖公司总部重要节点、北京重要地域的城域量子保密通信网络，实现城域量子密钥及电力信息加密传输。

该项目共建设3个集控节点、4个用户节点、5个中继节点，其特点为：（1）OPGW上的密钥传输采用具备快速偏振反馈功能的量子密钥分发与管理设备，提高量子密钥的成码率与传输可靠性；（2）在两段架空线路（线路长度分别为27.1 km、52.5 km，损耗分别为7.98 dB、16.85 dB）上除常规纠偏设备外，增配高速时间相位编码量子密钥分发终端，与偏振反馈设备开展密钥分发效果对比测试；（3）在其中一段损耗较高的线路上采用了高速GHz级量子密钥分发设备。

基于京沪干线的广域电力量子通信网示范工程依托国家量子保密通信“京沪干线”，构建覆盖北京、济南、合肥、上海的电力量子保密通信广域网络，实现南、北广域量子密钥分发及电力
Fig. 1 The architecture of quantum secure
communication system
中国电力第 54 卷176
信息加密传输。

该项目共建设2个集控节点、2个用户节点、1个中继节点，将国网北京、山东、安徽、上海电力就近接入国家量子保密通信“京沪干线”。

2个示范项目采用的量子密钥分发终端包括40 MHz QKD设备、40 MHz快速偏正反馈QKD设备、GHz级QKD设备及高速时间相位QKD设备4种类型，主要信息如表1所示。

3 电力量子保密通信应用测评情况
3.1 测评方案
在示范应用项目建成之后，国家电网有限公司联合中国信息通信研究院开展了量子保密通信技术应用测评工作，对量子保密通信设备功能性能和技术应用情况进行了验证。

主要测评依据包括：CCSA-ST7 2017B65《量子保密通信系统测试评估研究》、GM/T 0023—2014《IPSec VPN网关产品规范》和GM/T 0005—2012《随机性检测规范》。

该次测试针对北京城域电力量子保密通信网、基于京沪干线的广域电力量子通信网实际部署情况开展，包括QKD系统功能测试、QKD 系统性能测试和量子V P N系统测试三大类共13项测试。

其中，QKD设备和量子VPN设备部分性能测试在实验室开展，其他测试基于工程现场环境开展。

3.1.1 QKD系统功能测试
QKD系统功能测试主要涉及QKD成码率、密钥质量、网管功能、密钥管理及系统稳定性测试。

量子密钥成码率是指单位时间内QKD系统生成的安全密钥的数量。

QKD成码率测试主要通过网管系统或QKD设备上位机软件获取点到点QKD系统的密钥成码速率，包括实时成码率、小时成码率和成码率变化范围。

该次测评针对北京城域网项目涉及的10条线路以及京沪干线项目涉及的6条线路逐段开展量子密钥成码率测试。

量子密钥质量测试利用QKD设备上位机软件，从点到点QKD系统提取QKD双方设备生成的量子密钥文件，再利用测试软件对密钥文件一致性和随机性进行测试。

测试过程中使用3种随机性测试软件进行密钥随机性检测：（1）美国NIST sts-2.1.2随机性测试软件；（2）按照国产密码算法标准要求的检测项目和测试算法编写的设备厂商测试软件；（3）按照国产密码算法标准要求的检测项目和测试算法编写的中国信通院标准所随机性测试软件。

长期稳定性测试通过从网管系统中读取点到点QKD系统两端站点7×24 h内的实时成码率（30 s），统计平均成码率，从而验证QKD系统的长期稳定性。

3.1.2 QKD系统性能测试
QKD系统性能测试包括QKD传输能力、传输安全性、单光子特性验证测试。

QKD传输能力测试通过在点到点QKD系统的量子信道中加入可调衰减器，逐渐增大衰减器的衰减程度直至量子密钥生成率低至额定值，从而得出QKD终端最大信道衰减值。

QKD传输能力测试配置如图2所示。

单光子特性测试主要验证QKD设备发送端输出量子光信号是否满足单光子特性要求，测试环境配置如图3所示。

测试过程中，在QKD发射机光功率衰减前的S t测试接口，使用光谱分析仪测试脉冲光信号中心波长λpulse，使用采样示波器测试脉冲光信号重复频率f pulse，在QKD发射机的输出接口S q，使用
表 1 4种量子密钥分发终端详细信息
Table 1 Details of four kinds of quantum key distribution terminals
设备名称工作频率/
MHz
设备特点典型应用
40 MHz量子密钥分发终端
40±0.02基于偏振编码的诱骗态量子密钥
分发BB84协议城域范围的量子密钥分发
40 MHz快速偏振反馈量子
密钥分发终端
可用于电力架空光缆、桥梁架空光缆等复杂环境GHz量子密钥分发终端1 250±0.02远距离（城际）量子密钥分发，具备较高成码率
高速时间相位编码量子密钥分发终端312.5±0.01
基于时间相位编码的诱骗态量子
密钥分发BB84协议
适用复杂信道环境（电力架空光缆、桥梁架空光缆等）、远
距离（城际）量子密钥分发，具备较高成码率
第 1 期
肖磊等：电力通信网络中的量子保密通信示范应用与测评
177
高精度光功率计进行量子光信号输出功率P mean测试。

最终可以根据式（1）计算出量子态光信号的每脉冲平均光子数，验证单光子特性，即
式中：h为普朗克常量；c为光速。

3.1.3 量子VPN系统测试
针对量子VPN设备，主要进行量子密钥加密功能、性能，经典密钥加密功能、性能，密钥源切换及稳定性测试。

将量子保密通信系统两端的量子VPN设备接入以太网业务分析仪，加载以太网数据业务，通过VPN设备网管及以太网业务分析仪分别测试量子VPN设备使用量子和经典密钥进行业务加密的功能，不同加密算法协议的支持能力，密钥更新速率以及加密业务的时延、吞吐量、丢包率、加密业务条数。

通过模拟量子密钥源关闭，实现VPN设备密钥源切换，记录加密业务受损时间，测试环境配置如图4所示。

稳定性测试中，连续7×24 h开启VPN设备网管性能和告警监测，并利用以太网业务分析仪监测量子VPN系统的运行情况。

3.2 测试结果分析
从测试结果来看，QKD设备的平均密钥成码率、传输能力、密钥一致性和随机性均满足要求，量子光单光子特性及传输安全性均通过实验室环境测试验证，但长期稳定性仍有进一步提升空间；量子VPN设备采用量子密钥和经典密钥的加密功能、密钥源切换功能及加密业务条数均满足要求，但其长期稳定性有待进一步提高，详细情况见表2。

3.2.1 QKD系统功能测试
根据中国电机工程学会标准《电力量子保密通信系统第3部分：网络工程验收》中关于不同类型QKD设备量子密钥成码率要求，当量子信道衰减值≤13 dB时，应满足量子密钥成码率≥2 kb/s的要求。

经测试，2个示范项目的量子密钥成码率均满足要求。

从北京城域网项目架空线路中快速偏振反馈QKD及时间相位QKD成码率对比测试结果来看，时间相位QKD设备的小时成码率要好于快速偏振反馈QKD设备，但这两种QKD 设备均存在部分时刻无密钥成码情况，如图5和图6所示。

图5和图6中A为量子密钥发射端、B为接收端，线路长度为27.10 km，线路损耗为7.98 dB。

在北京城域网及京沪干线2个示范项目中各选取一段典型线路进行7×24 h稳定性测试（线路长度分别为52.46 km、35.00 km，损耗分别为16.85 dB、8.00 dB），QKD设备有部分时间不生成密钥，密钥实时成码率大于2 k b/s的时间比例分别为92.17%和89.72%。

量子密钥一致性主要验证QKD收发双方生成的密钥满足一致性要求。

针对实际网络环境中4种QKD设备进行密钥提取，并进行密钥一致性测试，收发双方密钥内容相同，满足一致性要求。

量子密钥随机性主要验证QKD收发双方生成的密钥满足随机性要求。

随机性测试共15个测试项目，各测试线路每1 000组测试样本（每组1 Mb）通过测试数量超过981组，密钥文件随机性满足要求。

本次示范项目配置的网管系统支持网元和系统管理功能，支持基于网元的拓扑显示、配置功能、告警管理、性能管理、切换事件管理和密钥
图 2 QKD传输能力测试配置
Fig. 2 Configuration of QKD transmission capability test
图 3 量子信号单光子特性测试配置
Fig. 3 Configuration of quantum signal’s single
photon characteristic test
图 4 量子VPN系统测试配置
Fig. 4 Configuration of quantum VPN system test
中国电力第 54 卷178
量查询等功能，支持硬件管理、主控板管理、实时性能统计、光路切换和端到端密钥成码功能。

3.2.2 QKD 系统性能测试
QKD 系统传输能力测试主要验证点到点QKD
系统的密钥成码率在不同信道衰减条件下的变化情况。

按照量子密钥成码率最低为2 kb/s 评估，实际网络环境测试条件下，40 MHz QKD 设备支持的最大链路衰耗为15 dB ；快速偏正反馈QKD 设备支持的最大链路衰耗为14 dB ；时间相位QKD 设备支持的最大链路衰耗为16 dB ；GHz QKD 设备支持的最大链路衰耗为21 dB 。

在实验室环境中对4种QKD 设备进行输出光信号和单光子特性测试，测试结果显示，量子光信号满足每个脉冲平均光子数<1的要求，如表3所示。

QKD 光路在加入衰减器和分光器情况下，光
子检测接收数量和密钥成码率下降，但不影响密钥生成功能。

QKD 设备身份认证机制可以防止未知QKD 设备非法接入。

通过QKD 设备协商信道抓取数据包可验证BB84协议一致性，结合单光
Fig. 5 1-hour sampling statistics of fast polarization feedback QKD equipment （30-second interval ）
Fig. 6 1-hour sampling statistics of time phase QKD
equipment （30-second interval ）
表 2 测试结果
Table 2 Test Results
测试内容
测试项目测试结果
QKD 系统功能测试
成码率测试各量子线路的两端均能生成密钥；在路径衰减≤13 dB 时，密钥生成率≥2 kb/s 系统稳定性测试
有部分时间不生成密钥，长期稳定性仍有进一步提升空间密钥质量测试生成密钥一致性及随机性均满足要求网管功能测试支持网元和系统管理、密钥管理等功能密钥管理测试QKD 系统性能测试
传输能力测试
QKD 成码率与链路损耗变化关系满足要求传输安全性验证QKD 传输链路具备对链路窃听的检测能力光口参数测试量子光信号满足平均光子数<1光子/脉冲要求
单光子特性验证量子VPN 系统测试
功能测试
采用量子密钥和经典密钥的加密功能满足要求；密钥源切换功能满足要求，自动切换业务不受损
性能测试加密业务条数满足要求，密文吞吐量和加密时延与业务报文的包长相关系统稳定性测试长期稳定性有待进一步提高，现网测试业务平均丢包率为1×10−7量级现网业务加密传输测试
量子保密通信网络能够实现现网业务加密传输
表 3 QKD 光口和单光子特性测试结果
Table 3 QKD optical port and single photon
characteristic test results
设备类型量子光信号测试输出功率/dBm
每个脉冲平均光子数
40 MHz QKD −86.160.472快速偏正反馈QKD −86.210.467时间相位QKD −77.750.419GHz 级QKD
−74.60
0.433
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子水平验证，进一步验证了QKD 设备符合诱骗态BB84协议安全性基本要求。

3.2.3 量子VPN 系统测试
在实际网络环境中，量子VPN 设备能够从密钥管理设备获取量子密钥并对业务信号加密，支持AES 、SM1、SM4等加密算法，SHA 、MD5等校验算法，密钥更新频率可配置为1～6 000次/min ，满足≥10次/s 要求。

量子VPN 设备加密业务条数可设3 556条，在加密算法为AES-128、报文包字节长度>1 024时，满足加密业务吞吐量>500 Mb/s 要求；在报文包字节长度为64时，加密时延<300 μs ，且量子VPN 设备的密文吞吐量和加密时延与业务报文的包长相关。

表4所示为使用AES-128加密算法、MD5校验算法，密钥更新频率为10次/s 时量子VPN 设备的量子密钥加密性能测试结果。

量子VPN 设备支持密钥源自动切换和手动切换。

通过在网管上关闭QKD 密钥更新，实现VPN 设备密钥源手动切换，仪表监测业务受损时间约8 s ；拔掉密钥管理终端连接至量子VPN 的网线，实现密钥源自动切换，仪表监测业务无丢包。

4 总结与展望
基于量子密钥分发的量子保密通信技术是未来提升信息安全保障能力，应对量子计算信息安全威胁的有效解决方案之一，近年来发展迅速，产业链初步形成。

在此背景下，国家电网有限公司建设了覆盖北京、上海、山东、安徽四地的电力量子保密通信示范网络，并结合电力通信网络实际环境，提出了一个较为系统全面的量子保密通信系统测试方案，详细测试了不同类型QKD 设
备及量子VPN 设备的功能性能，充分验证了量子保密通信系统的技术指标、工程化技术水平和实际环境应用支持能力，并在实验室环境中验证了QKD 设备的单光子特性和防窃取功能，为今后同类型量子保密通信网络工程测试提供了技术参考。

测试证明，架空光缆条件下时间相位QKD 设备的成码率要好于快速偏振反馈设备；在现有技术水平下，量子保密通信系统的量子密钥成码效果、加密业务传输时延等指标均能较好地支撑电网生产控制及管理信息业务的应用需求，为下一步量子保密通信技术在电力通信网络中的实际应用打下了良好基础。

目前，中国量子保密通信技术在应用推广方面已经取得了一系列重要成果，未来需要在设备性能、工程化水平、稳定性与可靠性、运维支持能力等方面进一步提升，同时注重开展测试验证和标准化研究，以市场化方式为牵引积极探索商用化模式和解决方案，才能为量子保密通信技术的规模化应用部署奠定坚实基础。

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表 4 量子VPN 加密业务性能测试结果
Table 4 Quantum VPN encryption service
performance test results
包长/B 吞吐量/（Mb·s −1）
丢包率/%延时/ms 64106.24989.5980.243 58128156.24983.5860.340 49256268.74974.0160.277 18512424.99959.1350.393 131 024581.24942.7040.470 211 280637.49937.6730.789 971 518
594.999
42.403
0.858
54
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[20]作者简介：
肖磊(1983—)，男，高级工程师，从事电力信息通信技术研究，Email: ****************.cn 。

（责任编辑　张重实）
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第 1 期
肖磊等：电力通信网络中的量子保密通信示范应用与测评
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