一种具有量子抗性的工业网络数据算法设计方法与流程

本发明涉及工业网络数据算法，尤其涉及一种具有量子抗性的工业网络数据算法设计方法。

背景技术：

1、随着量子计算技术的发展，其对现有加密算法构成了严重威胁，特别是对传统的基于数学难题（如大数分解和离散对数问题）的加密方法。当前的加密技术，如rsa和椭圆曲线密码学（ecc），已被证明在量子计算机面前极易受到攻击。shor算法的提出，特别是在量子计算领域的，已经展示了能够在多项式时间内破解这些传统加密方法的能力。因此，存在着迫切的需求来发展新的加密方法，以抵御量子计算机的潜在威胁。

2、学习带误差问题提供了一种在量子计算环境下仍然保持安全的加密方法的潜力。学习带误差问题的安全性基于格计算问题的难度，目前认为即使是量子计算机也无法在有效时间内解决这类问题。然而，即使是基于学习带误差问题的算法，也面临着由于量子技术进步而带来的安全挑战。

3、现有技术中，学习带误差问题参数的选择，如模数q、维数n和误差分布等通常是静态的，缺乏对不断进步的量子计算能力的适应性。这种静态配置使得算法在长期内可能无法抵抗量子计算的快速发展。此外，现有的学习带误差问题算法往往没有考虑到不同安全级别的需求，缺乏灵活性来适应不同应用场景的安全和性能要求。最后，当前的学习带误差问题算法通常缺乏一个系统性的方法来定期评估和更新算法参数，以应对新出现的威胁和技术发展。综上所述，现有的基于学习带误差问题的加密算法虽然在理论上能够抵抗量子计算的威胁，但在实际应用中仍面临许多挑战。这些挑战包括缺乏动态适应量子技术进步的能力、无法灵活应对不同安全级别需求的限制，以及缺少有效的长期维护和更新机制。因此，如何提供一种具有量子抗性的工业网络数据算法设计方法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一种具有量子抗性的工业网络数据算法设计方法，本发明通过采用基于学习带误差问题的算法，在量子计算环境中提供了更强的安全性，引入了一种动态调整学习带误差问题参数的机制，使算法能够适应量子计算能力的快速发展，及时调整参数以维持其安全性，从而克服了现有技术的静态配置局限。

2、根据本发明实施例的一种具有量子抗性的工业网络数据算法设计方法，包括如下步骤：一种具有量子抗性的工业网络数据算法设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

3、s1、选择基础数学问题：选择学习带误差问题作为核心，进行数学和计算上的验证；

4、s2、算法原型开发：基于学习带误差问题构建包括密钥生成、加密和解密算法的格加密算法；

5、s3、量子攻击模型评估：通过量子攻击场景模拟，优化学习带误差问题参数设置，调整密钥长度和格的维数。

6、可选的，所述s1具体包括：

7、s11、确定学习带误差问题参数集，所述学习带误差问题参数集包括模数q、维数n、向量长度m以及误差分布的标准差σ；

8、s12、选择一个随机矩阵a作为学习带误差问题的核心部分，其中，a是一个n×m维矩阵，每个元素从整数模q下的均匀分布中随机选取；

9、s13、定义误差向量的生成方式，使误差向量分量独立且服从以0为中心的离散高斯分布，其标准差为σ；

10、s14、根据s11-s13的参数，构建学习带误差问题：

11、；

12、其中，表示一个m维的未知向量，的每个分量随机选自{0, 1}，表示一个n维的结果向量。

13、可选的，所述s2具体包括：

14、s21、密钥生成：随机选择一个n×m维的矩阵a，生成一个秘密向量，长度为n，其中每个元素随机选自{0, 1}，生成一个误差向量，长度为m，其分量独立且服从以0为中心的离散高斯分布，标准差为σ，计算公钥：；其中，加法和乘法都是模数q下的运算，公钥转换为，私钥为；

15、s22、 选择一个n×1的随机向量，长度为m，其中，随机向量的每个元素随机选自{0, 1}，选择一个明文消息m，明文消息m∈{0,1}，将明文消息m编码为一个向量，长度与随机向量相同，计算加密消息：

16、；

17、其中，c表示加密后的信息，表示公钥向量的转置，q是模数，消息m被转换或编码成可以进行模运算的形式再进行加密；

18、s23、解密时使用私钥计算；

19、其中，是相关向量矩阵的转置，通过加密的信息c中移除公钥加密的部分，再根据结果与的比较以恢复出明文消息m或是相关的信息；

20、使用私钥解密，计算变量：

21、；

22、并根据变量的值判断每个分量的明文消息m，在解密过程中使用，用于从近似值中恢复出消息m：

23、其中，如果变量向下取整接近q的一半，则消息m被解读为1，否则，消息m被解读为0。

24、可选的，所述s3具体包括：

25、s31、模拟量子攻击场景：构建量子算法的模拟环境，对当前学习带误差问题参数集中的模数q、维数n、向量长度m和误差分布的标准差σ执行攻击模拟，使用量子计算机模拟器来估计解决学习带误差问题的量子资源需求和时间复杂度；

26、s32、参数优化：基于量子攻击模拟的结果，调整学习带误差问题参数集，增加模数q的大小，调整维数n和向量长度m或改变误差分布的标准差σ；

27、s33、安全级别调整：根据不同的安全需求，设置不同的参数配置，对于高于预设值的安全级别，选择增加维数n和向量长度m的值以及更高维的格；

28、s34、持续评估和更新：定期重新评估学习带误差问题参数集，定期监测量子计算领域的研究进展，并据研究进展更新算法的参数配置。

29、可选的，所述构建量子算法具体包括：

30、构造一个量子寄存器，其中包括大量量子比特以代表所有可能的；

31、通过应用hadamard门于每个量子比特，生成一个均匀的叠加状态，每个可能的在初始状态下有相同的概率；

32、构造一个量子神谕，识别学习带误差问题条件的，量子神谕将相应的状态反转，而其他状态保持不变，应用grover扩散操作，增强满足条件的状态的振幅，同时降低不满足条件的状态的振幅；

33、重复grover迭代后，量子寄存器指向满足学习带误差问题条件的。

34、可选的，所述调整学习带误差问题参数集具体包括：

35、模数q的调整：监测在使用grover算法的场景中量子攻击模拟的效果，如果发现攻击效率相对现有的攻击效率提高，等比例增加q的大小，直到达到预设的安全平衡点；

36、维数n和向量长度m的调整：如果量子攻击模拟显示当前参数容易被攻破，逐渐增加n和m的值；

37、误差分布的标准差σ的调整：监测误差向量对解决学习带误差问题的影响，如果量子攻击模拟显示误差向量容易被预测或攻击，增加σ提高随机性。

38、可选的，所述s32还包括通过机器学习模型建立反馈机制，将量子攻击模拟的结果和当前算法性能数据作为输入，自动优化和调整学习带误差问题参数。

39、可选的，所述创建反馈机制具体包括：收集量子攻击模拟不同参数设置下的攻击成功率和所需的量子资源的结果，同时收集当前学习带误差问题算法在不同参数设置下的加密解密时间和错误率的性能数据，对收集的数据进行归一化处理；

40、构建决策树模型使用历史数据作为训练集训练模型，预测给定参数下的算法性能和安全性，输入为学习带误差问题参数集中的模数q、维数n、向量长度m和误差分布的标准差σ，输出为预测的性能指标和安全性指标；

41、利用遗传算法寻找最优的参数组合：

42、；

43、其中，和分别表示性能指标和安全性指标，均由决策树模型提供，和表示权重系数。

44、可选的，所述s33具体包括：

45、s331、根据不同的应用需求和预期的安全标准，定义多个安全级别，安全级别从适用于一般数据保护的低级到适用于高度机密数据保护的高级；

46、s332、针对每个安全级别，定义对应的学习带误差问题参数模数q、维数n、向量长度m和误差分布的标准差σ；

47、s333、利用基于机器学习的自适应算法，根据当前的网络流量、计算资源和安全威胁自动选择最适合的安全级别和相应的学习带误差问题参数。

48、可选的，所述s34具体包括：

49、s341、建立实时收集量子计算技术发展的最新研究和公开信息的自动化监视系统，包括收集关于量子硬件的进展和量子算法的创新，集成一个模块来评估当前学习带误差问题算法在当前量子计算环境下的性能，包括使用cirq来模拟grover算法的量子攻击，并测试对学习带误差问题算法的影响；

50、s342、使用数据分析和机器学习技术来识别量子计算技术发展的趋势，采用自回归积分滑动平均模型来预测量子比特数的增长，如果模型预测量子比特数增长率为r，则学习带误差问题参数根据下式进行调整：

51、；

52、利用收集到的数据和模拟结果来评估学习带误差问题算法的安全性，包括计算量子攻击成功的概率以及所需的量子资源。

53、本发明的有益效果是：

54、本发明通过采用基于学习带误差问题的算法，在量子计算环境中提供了更强的安全性，引入了一种动态调整学习带误差问题参数的机制，使算法能够适应量子计算能力的快速发展，及时调整参数以维持其安全性，从而克服了现有技术的静态配置局限。

55、本发明针对不同的应用场景和安全需求，提供了不同安全级别的配置选项，这种灵活性使得算法可以根据具体需求调整其性能和安全性，适应从一般数据保护到高度机密数据保护的各种场景。且通过集成持续评估和自动更新机制，能够定期检测和响应量子计算技术的最新发展，这确保了算法在面对新的威胁和技术演进时能够及时更新和升级，提供了一种有效的长期安全解决方案。