量子安全：后量子时代

目录

引言：量子计算引发的安全范式颠覆

量子计算机发展里程碑

量子霸权对传统公钥密码体系的威胁时间窗预测

量子威胁的本质

战略意义：国家网络安全新边疆

关键基础设施保护等级重构

量子威胁深度解剖

密码体系崩溃链分析

攻击场景推演

行业风险量化评估

量子安全技术双轨制解决方案

后量子密码学（PQC）

NIST标准化进程深度解读

迁移路线图三阶段

量子密钥分发（QKD）

物理层安全机制突破

全球骨干网建设案例

产业化落地挑战与突破

技术瓶颈

PQC算法在IoT终端的算力适配问题

QKD系统在城域网的光纤传输损耗补偿方案

标准体系冲突

ISO/IEC 14888-3 vs NIST PQC标准互操作性框架

量子随机数生成器(QRNG)检测标准缺失

成本效益模型

金融行业迁移成本模拟

前沿技术融合方向

量子-经典混合安全架构

基于量子指纹的区块链共识机制

抗量子零知识证明在隐私计算中的应用

量子安全即服务(QSaaS)

云化量子随机数生成平台架构

量子密钥分发网络切片技术

战略行动建议

企业级迁移路径

密码资产清点 → 量子风险评级 → 密码敏捷改造四步法

国家层面布局

建立量子安全沙盒监管机制（借鉴FIPS 140-3模块）

启动国家密码应急储备计划

结语：构建量子韧性新范式

量子安全全球治理倡议

量子安全人才培养与生态建设

参考文献

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引言：量子计算引发的安全范式颠覆

在数字化转型的浪潮中，量子计算技术的飞速发展正在重塑全球信息安全格局。这一颠覆性技术不仅有望彻底改变计算能力的边界，更对现有的密码学体系构成了前所未有的挑战。量子霸权时代的临近，迫使我们重新审视并构建面向未来的安全防护体系。

量子计算机发展里程碑

量子计算领域正经历着日新月异的发展。IBM在2022年推出了拥有433个量子比特的量子处理器"Osprey"，这是继2021年127量子比特的"Eagle"和2019年53量子比特的" Falcon"之后的又一突破。IBM计划在2023年推出拥有1121量子比特的"Condor"处理器，进一步扩大其在量子计算领域的领先地位。

同样，Google在量子计算领域也取得了显著进展。2019年，Google的53量子比特的"Sycamore"量子芯片首次展示了量子霸权，能够在一个多小时内完成传统超级计算机需要一万年才能完成的特定计算任务。2024年12月，Google推出了拥有105个量子比特的"Willow"量子芯片，在量子纠错和随机电路采样两个基准测试中都达到了SOTA（state-of-the-art）水平，实现了两项重大成就：随着量子比特的增加，Willow可以实现指数级的性能提升。

这些发展表明，量子计算技术正在以惊人的速度进步，预计将在未来十年内实现具有实用价值的量子计算机。

量子霸权对传统公钥密码体系的威胁时间窗预测

根据专家分析，具有足够计算能力的量子计算机可能在2029年至2035年之间实现，这将对传统的公钥密码体系构成致命威胁。这一时间窗口的预测基于当前量子计算的发展速度和研究人员的估计。

美国国家标准与技术研究院（NIST）在2022年宣布CRYSTALS-Kyber、FALCON、CRYSTALS-Dilithium等4个项目提前入选其PQC项目标准化算法结果，这表明后量子密码学研究已进入实质性阶段。NIST希望到2035年将政府机构的加密系统转变为后量子加密，根据草案，NIST将在2030年前弃用112位及以下安全强度的加密算法，并于2035年前禁用这些算法。

这一时间框架与量子霸权预期实现的时间窗口高度吻合，表明全球各国和组织正积极准备应对量子计算带来的安全挑战。

量子威胁的本质

量子威胁的核心在于两种关键算法：Shor算法和Grover算法。

Shor算法能够高效地分解大整数，这意味着它可以直接破解RSA和ECC等基于大整数分解的密码算法。Shor算法的出现使得使用量子计算机可以高效地解决大整数分解问题，从而对RSA算法的安全性构成了潜在威胁。RSA是基于经典计算机大数质因式分解的指数复杂度的困难而设计的一种非对称加密算法，而Shor算法的出现改变了这一局面。

Grover算法则通过对称密码的二次方加速效应，使得AES等对称加密算法的密钥强度减半。现有对称密码所受影响相较公钥算法稍小，使用量子计算机运行Grover、Simon算法可将现有对称密码算法安全等级降低一半，以AES为例，AES128算法版本的安全性将受到严重影响。

这些算法的出现，使得传统的密码学体系在量子计算面前显得极为脆弱，迫使我们必须重新思考并构建抗量子的安全体系。

战略意义：国家网络安全新边疆

量子安全已成为国家网络安全的新边疆。中美欧等主要国家和地区都在积极制定量子安全战略，以应对即将到来的量子威胁。

中国在量子通信领域取得了显著成就。"京沪干线"全线路密钥率大于20千比特/秒(kbps)，可满足上万用户的密钥分发业务需求。经过两年多稳定性、安全性测试，实现了跨越4600公里的多用户量子密钥分发。

欧盟委员会于2019年6月宣布支持欧洲量子通信基础设施(EuroQCI)建设，该基础设施计划在未来几年内在不同的欧盟国家部署量子通信节点。2021年，欧盟所有27个成员国签署了协议，承诺与欧盟委员会和欧洲航天局(ESA)合作，共同建设EuroQCI——一个覆盖整个欧盟的安全量子通信基础设施。

这些举措表明，量子安全已成为国家战略的重要组成部分，各国正积极布局以确保在量子时代保持信息安全和战略优势。

关键基础设施保护等级重构

量子计算对不同行业的威胁程度各不相同，金融、能源、国防等领域面临的风险尤为突出。这些领域的关键基础设施保护等级需要重新评估和调整。

在金融交易领域，TLS 1.3/SSL协议在量子计算机面前变得脆弱。量子计算机对金融行业的影响是多方面的，特别是对现有加密算法的威胁。量子计算机终有一天会变得足够强大，足以破解目前用于保护数据和通信的许多加密算法。

在物联网领域，ECC-based认证在量子攻击面前同样面临严峻挑战。随着物联网设备的普及，其安全防护能力的不足使得这一领域成为量子攻击的潜在目标。

在区块链领域，基于椭圆曲线数字签名的加密机制同样面临被量子计算机破解的风险。如果Shor算法应用在量子计算机上，并且量子比特足够多的时候，它能够破解椭圆曲线数字签名算法（ECDSA），它是构建比特币，以太网和许多其他区块链的基础公钥签名算法。

这些风险表明，关键基础设施的保护等级需要重新评估和调整，以应对量子时代的安全挑战。

量子威胁深度解剖

量子计算对现有密码体系的威胁并非空穴来风，而是基于严格的数学理论和算法分析。这种威胁不仅体现在理论上，更已经通过实验验证展示了其可行性。深入理解量子威胁的本质和机制，是构建有效防御体系的前提。

密码体系崩溃链分析

量子计算对现有密码体系的威胁形成了一个清晰的崩溃链，这一过程可以通过以下步骤来理解：

1. 量子比特纠缠：量子计算机利用量子比特的纠缠特性，使得多个量子比特之间可以形成复杂的关联状态，这是量子并行计算的基础。
2. 并行计算优势：基于纠缠的量子比特能够同时处理大量数据，实现传统计算机无法比拟的并行计算能力。
3. Shor算法分解大整数：利用并行计算优势，Shor算法能够高效地分解大整数，这是RSA和ECC等公钥密码算法的基础难题。
4. RSA/ECC/DSA失效：一旦大整数分解问题变得容易，基于这一难题的公钥密码算法将不再安全，这意味着大量加密和签名机制将失效。
5. Grover算法搜索优化：同时，Grover算法通过对称密码的二次方加速效应，使得AES等对称加密算法的密钥强度减半。

这种崩溃链的形成意味着，量子计算的进展将直接导致现有密码体系的全面失效，特别是对非对称加密算法的威胁尤为严重。

攻击场景推演

量子计算带来的安全威胁不仅限于理论上的算法破解，更可以通过具体的攻击场景来理解其实际影响。

Harvest Now, Decrypt Later（现在收集，稍后解密）攻击模型是一种国家级的量子攻击策略。这种攻击模型的核心思想是，攻击者可以现在截获加密数据，并存储这些数据，等待未来量子计算机足够强大时再进行解密。这一策略特别适用于长期保密的数据，如国家机密、商业计划或个人隐私信息。

量子中继攻击对QKD系统的威胁也是一个重要考量。尽管QKD基于量子物理原理提供理论上的安全性，但实际实现中仍存在漏洞。量子中继攻击通过利用量子纠缠的特性，通过中间节点窃取密钥，从而破坏QKD系统的安全性。这些攻击路径的存在，使得量子密钥分发系统的设计和实现必须考虑全面的安全性保障。

行业风险量化评估

不同行业在量子威胁面前面临的风险程度各不相同，这种差异主要源于所使用的加密协议和算法的抗量子能力，以及这些系统失效可能带来的后果。

根据现有研究，以下是不同行业面临量子威胁的量化评估：

领域	高危协议	失效临界点
金融交易	TLS 1.3/SSL	2000+量子比特
物联网	ECC-based认证	1500+量子比特
区块链	椭圆曲线数字签名	1800+量子比特

这些临界点表示，在达到相应数量的量子比特时，这些协议和算法将不再安全。例如，要破解2048位的RSA密钥，需要约4096个量子比特；而要破解ECC-256，则需要约1500个逻辑量子比特。

值得注意的是，这些数字代表的是逻辑量子比特，而实际实现中需要考虑量子纠错和容错，因此所需的物理比特数量会更多。例如，要实现1500个逻辑量子比特，可能需要数百万个物理量子比特。

这种行业风险量化评估对于组织制定有针对性的量子安全策略至关重要，可以帮助确定优先保护的关键资产和系统。

量子安全技术双轨制解决方案

面对量子计算带来的安全威胁，全球研究者和组织已经提出了多种解决方案。这些解决方案可以概括为两条主要路径：后量子密码学（PQC）和量子密钥分发（QKD）。这两条路径相互补充，共同构成了应对量子威胁的全面防御体系。

后量子密码学（PQC）

后量子密码学旨在开发和标准化一系列能够抵抗量子计算机攻击的加密算法。这些算法基于传统计算机上难以解决的数学问题，即使在量子计算机面前也能保持安全性。

NIST标准化进程深度解读

美国国家标准与技术研究院（NIST）在后量子密码学标准化进程中发挥了关键作用。NIST在2017年启动了一项公开流程，目标是选择一套抗量子的公钥密码算法进行标准化。经过多轮评选和测试，NIST已经确定了几个候选算法。

CRYSTALS-Kyber是一种基于格的密码算法，具有抗量子特性。其安全性基于格上的困难问题，如最短向量问题（SVP）和最近邻问题（CVP）。格基密码算法被认为是目前最有希望的后量子密码算法之一，因为没有已知的量子算法能够在合理时间内解决这些数学问题。

SPHINCS+是一种基于哈希函数的无状态签名方案，包含多项改进，专门用于减少签名大小，能够使签名大小低至8KB。SPHINCS+具有高度的安全性和抗量子特性，同时具有较高的效率和灵活性，因此被NIST选为其后量子密码标准化计划的标准算法之一。

FALCON是另一种基于格的数字签名算法，它提供了比SPHINCS+更小的签名大小，但实现更为复杂。这些算法共同构成了NIST后量子密码学标准化框架的核心。

迁移路线图三阶段

从传统密码学向后量子密码学的迁移是一个复杂的过程，需要分阶段进行，以确保在迁移过程中保持系统安全性和连续性。

根据NIST的建议，迁移可以分为三个主要阶段：

1. 阶段1：密码敏捷架构改造（2023-2026）：在现有系统中引入密码敏捷性，以便未来能够快速迁移到后量子密码算法。这包括更新系统架构，使其能够支持多种密码算法，以及建立监控和评估机制，跟踪量子计算的发展和对现有加密系统的潜在威胁。
2. 阶段2：混合协议过渡期（2027-2030）：同时使用传统密码算法和后量子密码算法，以确保过渡期间的安全性。在这一阶段，系统可以使用混合密钥交换协议，结合传统算法（如ECDH）和后量子算法（如Kyber），以实现前向安全性和量子安全性。
3. 阶段3：纯PQC系统部署（2031+）：完全采用后量子密码算法，建立新的安全体系。这一阶段预计将在2035年前完成，届时NIST将禁用所有不安全的加密算法。

根据Mosca定理，组织应在数据安全需求（X年）与过渡时间（Y年）之和超过加密相关量子计算机预期建成时间（Z年）前，开始向后量子密码学迁移。据此，即使加密相关量子计算机预计在2035年才可能出现，组织也应该立即开始准备迁移策略。

这种三阶段迁移策略为组织提供了清晰的路径，使其能够有序地过渡到后量子安全环境，同时最小化风险和成本。

量子密钥分发（QKD）

量子密钥分发（QKD）是另一种应对量子威胁的技术路径，它基于量子物理原理提供理论上不可破解的密钥分发方法。

物理层安全机制突破

QKD的安全性基于量子力学的基本原理，特别是不确定性原理和不可克隆定理。这些原理确保了任何对量子比特的测量都会改变其状态，从而使得窃听行为可以被检测。

BB84协议是最早的QKD协议之一，它使用不同的编码方案（如相位编码和偏振编码）来传输密钥，使得窃听者无法同时精确测量所有编码方案，从而暴露其存在。BB84协议的增强版本通过改进编码方法和协议设计，进一步提高了安全性。

测量设备无关QKD（MDI-QKD）是一种更先进的QKD协议，它通过使用独立的测量设备，消除了测量设备的漏洞，从而提高了QKD系统的安全性。MDI-QKD协议通过让两个通信方将他们的量子态发送到一个独立的测量设备，由该设备进行贝尔态测量，从而实现了安全的密钥分发，而无需信任测量设备。

这些物理层安全机制的突破，为构建安全的量子通信网络奠定了基础。

全球骨干网建设案例

中国和欧盟在量子密钥分发网络建设方面取得了显著进展，为全球量子安全通信网络的建设提供了重要参考。

"京沪干线"是中国构建的全球首个星地量子通信网的重要组成部分。"京沪干线"全线路密钥率大于20千比特/秒(kbps)，可满足上万用户的密钥分发业务需求。经过两年多稳定性、安全性测试，实现了跨越4600公里的多用户量子密钥分发。

欧盟量子通信基础设施（EuroQCI）计划是一个星地一体化的量子通信网络计划，旨在建立一个覆盖整个欧盟的量子安全通信网络。该计划包括地面和空间两个部分：地面部分依靠光纤通信网络连接国家和跨境战略站点；空间部分基于一个卫星系统，连接整个欧盟国家的量子通信网络并覆盖整个欧洲。

这些骨干网建设案例表明，量子密钥分发技术已经从实验室走向实际应用，为构建全球量子安全通信网络奠定了基础。

产业化落地挑战与突破

将量子安全技术从理论研究转化为实际应用，面临着一系列技术和商业挑战。这些挑战涉及算法优化、标准兼容性、成本效益等多个方面，需要通过创新和合作来解决。

技术瓶颈

PQC算法在IoT终端的算力适配问题

后量子密码算法在资源受限的IoT设备上运行时，需要优化其实现，以减少计算和存储开销。例如，NTRU算法在IoT设备上的RAM占用是一个重要考虑因素。

不同PQC算法在性能和资源需求方面存在显著差异。例如，基于格的算法如Kyber通常需要更多的计算资源，而基于哈希的算法如SPHINCS+则需要更大的密钥和签名大小。这种差异使得选择适合特定应用场景的PQC算法变得复杂。

为了解决这些问题，研究人员正在开发优化的PQC算法实现，通过代码优化、硬件加速和协议改进等方法，降低PQC算法的资源需求，使其能够在资源受限的IoT设备上高效运行。

QKD系统在城域网的光纤传输损耗补偿方案

在城域网中部署QKD系统时，光纤传输中的损耗是一个主要挑战。由于量子比特的特殊性质，任何损耗都可能导致信息丢失或安全漏洞。

为了补偿光纤传输损耗，研究人员提出了多种解决方案，包括量子中继器和量子放大器。量子中继器通过使用纠缠交换技术，可以在长距离光纤链路中实现安全密钥分发。例如，"京沪干线"通过优化地面站系统、提高QKD发射系统时钟频率、改进密钥分发协议，实现了高速星地密钥分发，其密钥分发速率较两年前提高了40倍。

这些技术突破为QKD系统在城域网中的部署提供了可行的解决方案，推动了量子安全通信技术的实用化。

标准体系冲突

ISO/IEC 14888-3 vs NIST PQC标准互操作性框架

不同国家和组织制定的量子安全标准之间可能存在冲突，这为系统互操作性带来了挑战。例如，ISO/IEC 14888-3和NIST PQC标准在算法选择和参数要求方面存在差异。

为了解决这些冲突，需要建立互操作性框架，确保不同系统之间的兼容性。这包括定义通用接口、协议协商机制和转换层，使得基于不同标准的系统能够安全有效地通信。

目前，国际标准化组织（ISO）和国际电工委员会（IEC）正在合作制定量子安全相关的国际标准，以促进全球量子安全技术的互操作性。同时，NIST也在积极参与国际标准的制定，确保其PQC标准与国际标准兼容。

量子随机数生成器(QRNG)检测标准缺失

量子随机数生成器（QRNG）的检测标准尚未完善，这使得评估和验证QRNG的安全性和可靠性变得困难。

为了填补这一空白，研究人员和标准组织正在开发QRNG的测试和评估方法，包括统计测试、物理测试和组合测试等。这些测试旨在验证QRNG的随机性、不可预测性和不可重现性，确保其生成的随机数满足安全应用的要求。

例如，NIST正在制定量子随机数生成器的测试标准，以评估其随机性和安全性。同时，欧洲电信标准协会（ETSI）也在制定QRNG的评估标准，推动量子随机数生成技术的标准化和应用。

这些努力将有助于建立完善的QRNG检测标准，为量子安全应用提供可靠的基础组件。

成本效益模型

金融行业迁移成本模拟

从传统PKI到PQC的迁移需要考虑成本效益，特别是对于大型组织如金融机构。迁移成本包括系统更新、培训、测试和潜在的业务中断等。

为了评估和优化迁移策略，金融机构需要建立成本效益模型，模拟不同迁移路径的成本和收益。这些模型需要考虑多种因素，包括量子计算的发展速度、PQC技术的成熟度、法规要求的变化以及潜在的安全风险等。

根据模拟结果，金融机构可以制定最优的迁移计划，平衡安全性、成本和业务连续性。这种基于数据的决策方法有助于确保迁移过程的顺利进行，最小化风险和成本。

前沿技术融合方向

随着量子安全技术的发展，新的融合方向正在涌现，为构建更全面、更强大的安全防护体系提供了可能性。

量子-经典混合安全架构

量子-经典混合安全架构结合了量子和经典计算的优势，为应对量子威胁提供了新的思路。

基于量子指纹的区块链共识机制

量子指纹技术可以用于改进区块链共识机制，提高其安全性和效率。传统的区块链共识机制如工作量证明（PoW）和权益证明（PoS）存在能源消耗大、安全性有限等问题。

基于量子指纹的区块链共识机制利用量子力学的特性，通过量子指纹识别来验证交易和区块的有效性。这种机制不仅可以减少能源消耗，还可以提高安全性，防止量子攻击。

例如，研究人员正在探索基于量子指纹的拜占庭容错（BFT）共识机制，这种机制结合了量子指纹识别和拜占庭容错算法，可以在量子计算环境下实现高效、安全的共识。

抗量子零知识证明在隐私计算中的应用

抗量子零知识证明结合了抗量子密码算法和零知识证明，为隐私计算提供了新的安全解决方案。

零知识证明允许一方证明自己知道某个信息，而不需要泄露该信息本身。在量子计算环境下，传统的零知识证明可能面临安全威胁，因此需要开发抗量子的零知识证明方案。

抗量子零知识证明在隐私计算中有广泛的应用，包括隐私保护的数据分析、匿名交易和身份验证等。例如，基于格的抗量子零知识证明可以用于实现安全的多方计算，保护参与方的隐私。

这些应用展示了量子-经典混合安全架构的潜力，为构建更安全、更隐私的计算环境提供了新的可能性。

量子安全即服务(QSaaS)

量子安全即服务（QSaaS）是将量子安全技术通过云服务提供给用户的新模式，降低了量子安全技术的应用门槛。

云化量子随机数生成平台架构

量子随机数生成器（QRNG）通过云服务提供，满足各种应用对高质量随机数的需求。云化QRNG平台具有灵活性高、可扩展性强和使用便捷等优势，可以为各种规模的用户提供量子级随机数服务。

云化QRNG平台的架构通常包括硬件层、服务层和应用层。硬件层包含物理QRNG设备，如基于量子噪声或量子隧穿效应的随机数生成器；服务层负责管理硬件资源、提供API接口和确保服务质量；应用层则包括各种使用随机数的应用，如加密、模拟和博弈等。

这种架构使得用户无需购买和维护物理设备，即可通过网络访问高质量的量子随机数，大大降低了应用门槛。

量子密钥分发网络切片技术

量子密钥分发网络切片技术通过网络切片技术，实现量子密钥分发网络的高效管理和资源分配。网络切片是将物理网络划分为多个虚拟网络的技术，每个虚拟网络可以独立配置和管理，以满足不同应用的需求。

量子密钥分发网络切片技术将量子密钥分发网络划分为多个切片，每个切片可以服务于不同的用户或应用，具有独立的安全策略和性能特性。这种技术不仅可以提高网络资源利用率，还可以增强网络的灵活性和安全性。

例如，一个量子密钥分发网络可以划分为多个切片，分别服务于金融、能源、政府等不同领域，每个切片可以根据特定领域的需求配置不同的安全策略和性能参数。

这种技术为量子密钥分发网络的商业化运营提供了新的思路，促进了量子安全技术的普及应用。

战略行动建议

应对量子安全挑战需要系统性的战略规划和行动，以下建议为组织和国家层面提供了指导框架。

企业级迁移路径

密码资产清点 → 量子风险评级 → 密码敏捷改造四步法

企业应对量子威胁的第一步是全面了解自身的密码资产状况，包括使用的加密算法、协议和实现方式等。这一步骤被称为密码资产清点，是制定有效量子安全策略的基础。

在清点的基础上，企业需要对密码资产进行量子风险评级，评估其在量子计算环境下的安全性风险。这种评级可以基于算法类型、密钥长度、实现方式等因素，结合量子计算的发展预测，确定风险等级。

最后，企业需要实施密码敏捷改造，使其系统能够适应向后量子密码学的过渡。这包括更新系统架构，使其能够支持多种密码算法；建立监控和评估机制，跟踪量子计算的发展和对现有加密系统的潜在威胁；制定应急计划，应对可能的安全事件。

这种系统性的迁移路径可以帮助企业有序地向量子安全环境过渡，最小化风险和成本。

国家层面布局

建立量子安全沙盒监管机制（借鉴FIPS 140-3模块）

国家层面需要建立完善的量子安全监管框架，包括标准制定、认证评估和监督执法等。借鉴美国联邦信息处理标准FIPS 140-3模块的经验，国家可以建立适合本国国情的量子安全沙盒监管机制。

量子安全沙盒监管机制可以为创新技术提供试验环境，允许企业在受控环境中测试和验证新的量子安全技术，同时确保这些技术符合基本的安全要求。这种机制有助于促进量子安全技术的创新和应用，同时控制风险。

启动国家密码应急储备计划

面对量子计算带来的安全威胁，国家需要做好应急准备，制定密码应急储备计划。该计划应包括应急响应机制、备份系统和替代方案等，以应对可能的安全事件。

密码应急储备计划需要考虑多种情景，包括量子攻击的规模、目标和持续时间等，制定相应的响应策略。同时，该计划还需要与现有的网络安全应急机制协调，确保整体响应的连贯性和有效性。

这些国家层面的布局将为量子安全提供制度保障，促进量子安全技术的发展和应用，增强国家整体的安全防护能力。

结语：构建量子韧性新范式

量子安全不是简单的技术升级，而是整个安全生态的重构。这一重构过程涉及技术、标准、政策和人才等多个方面，需要全球合作和长期投入。

量子安全全球治理倡议

面对量子计算带来的全球性挑战，国际合作至关重要。建立全球量子安全治理联盟（GQSG）是一个值得考虑的倡议，它可以通过协调各国政策、促进技术交流和制定全球标准等方式，共同应对量子威胁。

全球量子安全治理联盟可以借鉴现有国际组织的经验，如国际电信联盟（ITU）和网络空间国际政府专家组（UNGGE）等，建立多边合作机制，促进各国在量子安全领域的交流与合作。