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基于量子密钥分发的安全铁路通信网络设计1

基于量子密钥分发的安全铁路通信网络设计

摘要

随着铁路运输系统信息化、智能化程度的不断提高，铁路通信网络的安全性问题日

益凸显。传统加密技术面临着量子计算带来的潜在威胁，亟需发展新一代安全通信体

系。本报告系统研究了基于量子密钥分发(QKD)技术的铁路通信网络安全解决方案，

从理论分析、技术路线、实施方案等多个维度进行了全面阐述。研究表明，QKD技术

能够为铁路通信提供理论上的无条件安全性，有效抵御量子计算攻击。报告详细设计了

包含量子密钥分发层、经典通信层和应用层的三层架构体系，提出了适用于铁路场景的

QKD网络部署方案，并对其安全性、可靠性和经济性进行了量化分析。通过构建仿真

模型和原型系统验证了技术可行性，预期可将铁路通信系统的安全等级提升至量子安

全级别。本报告为我国铁路通信网络的量子化升级提供了系统化、可操作的实施路径，

对推动交通强国战略实施具有重要意义。

引言与背景

铁路通信系统的重要性

铁路作为国家关键基础设施，其安全稳定运行对国民经济发展具有战略意义。随着

高速铁路网的快速扩张和智能铁路建设的深入推进，铁路通信系统已成为保障列车运

行安全、提高运输效率的核心支撑。根据国家铁路局数据，截至2022年底，全国铁路营

业里程达到15.5万公里，其中高速铁路4.2万公里，形成了世界上最大的高速铁路网。

如此庞大的铁路网络对通信系统的可靠性、实时性和安全性提出了极高要求。铁路通信

系统承载着列车控制、调度指挥、旅客服务、应急通信等关键业务，任何安全漏洞都可

能导致严重后果。近年来，全球范围内铁路通信系统遭受网络攻击的事件频发，据国际

铁路联盟(UIC)统计，2021年全球铁路行业网络安全事件同比增长37%，其中15%造

成了列车运行延误或服务中断。

量子计算对传统加密的威胁

当前铁路通信系统主要依赖RSA、ECC等传统公钥加密算法保障信息安全。然而，

随着量子计算技术的快速发展，这些传统加密算法面临被破解的风险。根据IBM量子

发展路线图，2023年已推出433量子比特的Osprey处理器，预计2030年左右将实现

百万量子比特级别的量子计算机。Shor算法等量子算法能够在多项式时间内破解RSA

和ECC加密体系，这意味着当前铁路通信系统的安全基础将在量子计算时代彻底失效。

美国国家标准与技术研究院(NIST)已启动后量子密码(PQC)标准化进程，预计2024

年发布首批标准。然而，PQC算法的安全性仍基于数学复杂度假设，无法提供理论上

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的无条件安全。相比之下，量子密钥分发(QKD)技术基于量子力学基本原理，能够实

现理论上的无条件安全，是构建长期安全通信体系的理想选择。

研究意义与必要性

将QKD技术引入铁路通信领域具有多重战略意义。首先，从国家安全角度看，铁

路作为关键基础设施，其通信安全直接关系到国家经济安全和公共安全。采用QKD技

术可构建抗量子计算攻击的安全通信体系，符合《网络安全法》和《关键信息基础设施

安全保护条例》的要求。其次，从技术发展角度看，铁路通信系统具有拓扑结构固定、

业务需求明确的特点，为QKD技术的规模化应用提供了理想场景。据中国信通院预

测，2025年全球QKD市场规模将达到50亿美元，其中交通运输行业占比将超过20%。

最后，从产业带动角度看，铁路QKD网络建设将带动量子通信设备、光通信器件、网

络安全软件等相关产业发展，形成新的经济增长点。因此，开展基于QKD的铁路通信

网络安全研究，既是保障铁路安全运行的迫切需求，也是抢占量子科技制高点的战略选

择。

研究概述

研究目标与定位

本研究旨在设计一套完整的基于量子密钥分发的铁路通信网络安全解决方案，具

体目标包括：构建适用于铁路环境的QKD网络架构，开发铁路专用量子密钥管理系统，

实现QKD与传统铁路通信系统的无缝集成，验证方案在真实铁路场景下的性能表现。

研究定位为应用基础研究与工程开发相结合，既要解决QKD技术在铁路场景应用中的

理论问题，又要形成可工程化实施的技术方案。根据《“十四五”现代综合交通运输体系

发展规划》提出的”推进交通运输领域量子安全通信应用”要求，本研究