The security of future large-scale IoT networks is critically threatened by the ``Harvest Now, Decrypt Later'' (HNDL) attack paradigm. Securing the massive, long-lived data streams from these systems requires protocols that are both quantum-resistant and highly scalable. Existing solutions are insufficient: post-quantum classical protocols rely on computational assumptions that may not hold for decades, while purely quantum protocols are too resource-intensive for the sheer scale of IoT. This paper introduces the Quantum Anonymous Data Reporting (QADR) protocol, a hybrid framework that provides a theoretical benchmark and high-performance architecture for this challenge, designed for future fully-connected quantum networks. The protocol achieves scalable, quantum-resistant anonymity through a hybrid security model; it leverages information-theoretically secure keys from Quantum Key Distribution (QKD) to seed a quantum-secure pseudorandom function (QS-PRF), grounding its long-term data protection in well-established computational hardness assumptions. We also propose and analyze an automated slot reservation mechanism by making a deliberate trade-off: achieving high performance by accepting a quantifiable information leak during the anonymous slot reservation phase while maintaining strong unlinkability for the final data submission. Our security analysis formally quantifies the anonymity reduction caused by the leak and discusses pathways to fully mitigate it at a significant performance cost. We prove the protocol's critical advantage as a performance benchmark: its primary communication cost scales as $O(n^2)$, a dramatic improvement over quantum-native alternatives ($O(n^4)$), establishing a high-performance goal for future quantum-secured anonymity systems.


翻译:未来大规模物联网网络的安全性正受到“现在收集,稍后解密”攻击范式的严重威胁。保护这些系统产生的大规模、长寿命数据流,需要既抗量子攻击又具备高度可扩展性的协议。现有解决方案均显不足:后量子经典协议依赖于可能在未来数十年内不再成立的计算假设,而纯量子协议对于物联网的庞大规模而言资源消耗过高。本文提出了量子匿名数据报告协议,这是一个混合框架,旨在为这一挑战提供一个理论基准和高性能架构,专为未来全连接的量子网络设计。该协议通过混合安全模型实现可扩展的、抗量子攻击的匿名性;它利用来自量子密钥分发的信息论安全密钥来初始化量子安全伪随机函数,从而将其长期数据保护建立在完善的计算复杂性假设之上。我们还提出并分析了一种自动时隙预留机制,通过做出有意的权衡:在匿名时隙预留阶段接受可量化的信息泄露以实现高性能,同时在最终数据提交阶段保持强不可链接性。我们的安全性分析正式量化了由泄露引起的匿名性降低,并讨论了以显著性能代价完全消除该泄露的途径。我们证明了该协议作为性能基准的关键优势:其主要通信成本按$O(n^2)$缩放,相比量子原生替代方案有显著提升,为未来的量子安全匿名系统确立了高性能目标。

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