本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種測量端到端瓶頸密鑰速率的測量方法，可用于為量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)的性能優(yōu)化提供依據(jù)。

背景技術(shù)：

量子通信起源于對通信保密的要求，自古以來人們對于通信安全非常重視。而對信息進(jìn)行加密是保證信息通信安全的重要方法之一?；诹孔恿W(xué)的海森堡不確定性原理和量子態(tài)不可克隆定理，量子密鑰分發(fā)技術(shù)在雙方之間建立共享的密鑰，通過一次一密的加密策略，實(shí)現(xiàn)絕對安全通信。因此，基于量子密鑰分發(fā)QKD技術(shù)的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生。在量子通信系統(tǒng)中，通信雙方有經(jīng)典保密通信系統(tǒng)和量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，QKD系統(tǒng)用來產(chǎn)生密鑰，作為經(jīng)典保密通信系統(tǒng)的密鑰，因此是量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。由于現(xiàn)有技術(shù)的限制，QKD系統(tǒng)協(xié)商密鑰的速率較低，因此在量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)中對密鑰的合理利用至關(guān)重要。

量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)中，密鑰使用策略有端到端加密和逐跳加密兩種方式。

端到端加密方式是在通信雙方進(jìn)行加密、解密，在中間的中繼器處不需要解密再加密，只在源端加密，在收端解密，即在中繼器處只能獲得密文，而無法解密。這種策略有初始接入的延時(shí)，需確定每次協(xié)商的密鑰長度，協(xié)商時(shí)間滯后于通話結(jié)束時(shí)間。

對于逐跳加密的方式，量子加密數(shù)據(jù)包到達(dá)中繼器先進(jìn)行解密，恢復(fù)原始信息，在轉(zhuǎn)發(fā)給下一跳前，為防止泄密，會利用新的密鑰再一次加密，發(fā)給下一個可信中繼，可信中繼會繼續(xù)解密再加密，最后在收端進(jìn)行解密，得到原始信息。

端到端加密方式，需要先形成端到端密鑰，經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)的流量翻倍；而逐跳加密，是直接利用密鑰對信息加解密，經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)的流量不變，而且逐跳加密也不需要事先確定密鑰塊的長度以及總長度。本發(fā)明討論的加密方式是逐跳加密方式。

在量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)中，對于一次一密的逐跳加密方式，從通信源端到目的端，每經(jīng)過一條鏈路，都要消耗密鑰，如果數(shù)據(jù)的速率遠(yuǎn)大于密鑰速率，則密鑰不足，造成一部分?jǐn)?shù)據(jù)不能及時(shí)加密，若繼續(xù)等待密鑰，則可能造成網(wǎng)絡(luò)擁塞，若不直接加密，則這部分?jǐn)?shù)據(jù)就會泄露，引起安全問題，而量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)對安全性要求比較高，所以如果密鑰不足，則網(wǎng)絡(luò)性能就會降低。如果數(shù)據(jù)的發(fā)送速率遠(yuǎn)小于密鑰速率，則密鑰不能充分得到使用，有時(shí)為了保證密鑰的新鮮度，一部分密鑰會被丟棄。由以上分析可知無論數(shù)據(jù)包速率大于密鑰速率還是小于密鑰速率，網(wǎng)絡(luò)都不能處于最優(yōu)的狀態(tài)，因此需要對密鑰速率進(jìn)行估計(jì)。在端到端瓶頸密鑰速率未知的情況下，若業(yè)務(wù)量大于瓶頸處的密鑰，則會出現(xiàn)因密鑰不足而引起的安全問題，不能合理利用網(wǎng)絡(luò)資源。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
：

本發(fā)明的目的是針對以上的不足，提出一種量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)端到端瓶頸密鑰速率的測量方法，以獲得瓶頸密鑰速率，可用于為合理分配網(wǎng)絡(luò)資源，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能提供依據(jù)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案包括如下：

(1)設(shè)置測試數(shù)據(jù)包，該測試數(shù)據(jù)包的長度為L取256字節(jié)；

(2)將待測試路徑的兩端分為源端和目的端，將測試數(shù)據(jù)包置于源端；

(3)源端發(fā)送N個間隔為0的等長測試數(shù)據(jù)包；

(4)目的端接收源端發(fā)送的測試數(shù)據(jù)包，并按順序統(tǒng)計(jì)相鄰數(shù)據(jù)包之間的到達(dá)間隔，若統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)小于N-1個，則返回步驟(3)重新進(jìn)行測試；若統(tǒng)計(jì)出的數(shù)據(jù)為N-1個，則判斷此時(shí)測試數(shù)據(jù)包的長度，若為256字節(jié)，則執(zhí)行步驟(5)，否則，執(zhí)行步驟(6)；

(5)根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的到達(dá)間隔，決定后續(xù)測量所用的數(shù)據(jù)包大小，并進(jìn)行測量：

若統(tǒng)計(jì)到的相鄰數(shù)據(jù)包的到達(dá)間隔之比小于或等于2，則改變數(shù)據(jù)包的長度，分別取包長L_1j＝1450-10j，j＝0，1…5，重復(fù)步驟(3)-(4)進(jìn)行測量；

若統(tǒng)計(jì)到的相鄰數(shù)據(jù)包的到達(dá)間隔之比大于2，則改變數(shù)據(jù)包的長度，分別取包長L_2j＝45-5j，重復(fù)步驟(3)-(4)進(jìn)行測量；

(6)根據(jù)包長對測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理：

若包長為L_1j，則記錄數(shù)據(jù)包的到達(dá)間隔Δτ_i，先計(jì)算出N-1個密鑰速率值i＝1，2…N-1，再對這N-1個密鑰速率值求均值計(jì)算出包長為L_1j時(shí)測得的密鑰速率

若包長為L_2j，則記錄兩組數(shù)據(jù)包的到達(dá)間隔Δτ_k，k＝1，2…M，其中Δτ_k為當(dāng)前一組數(shù)據(jù)包中最后一個數(shù)據(jù)包的到達(dá)時(shí)刻與下一組數(shù)據(jù)包中第一個數(shù)據(jù)包的到達(dá)時(shí)刻之差，記錄第k個到達(dá)間隔與第k-1個到達(dá)間隔之間數(shù)據(jù)包個數(shù)n_k，先計(jì)算出M個密鑰速率值再對這M個密鑰速率值求均值計(jì)算出包長為L_2j時(shí)測得的密鑰速率

(7)對不同包長測得的密鑰速率r_j求取均值，獲得瓶頸鏈路的密鑰速率

本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1、本發(fā)明由于推導(dǎo)出了瓶頸密鑰速率與數(shù)據(jù)包到達(dá)間隔的關(guān)系，故可根據(jù)測得的數(shù)據(jù)包到達(dá)間隔計(jì)算出瓶頸鏈路的密鑰速率，避免了現(xiàn)有技術(shù)因?yàn)槠款i密鑰速率未知而帶來的資源分配不當(dāng)問題，可用于為量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)的性能優(yōu)化提供依據(jù)。

2、本發(fā)明在測試時(shí)由于先發(fā)送一組測試數(shù)據(jù)包，再根據(jù)測得的數(shù)據(jù)特點(diǎn)更改數(shù)據(jù)包長度后進(jìn)行測試，提高了密鑰速率的測量精度。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明的測試流程圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述。

一、測試場景介紹：

本測試方法針對量子密鑰分發(fā)QKD網(wǎng)絡(luò)，該QKD網(wǎng)絡(luò)由可信中繼及量子密鑰分發(fā)鏈路構(gòu)成?？尚胖欣^之間通過QKD鏈路建立鏈路密鑰，各鏈路協(xié)商的密鑰按需應(yīng)用，但不在可信中繼處存儲，兩個用戶間的端到端通信密鑰可通過鏈路密鑰逐跳傳輸而建立。若第i條鏈路可以提供的密鑰速率為R_ibit/s，密鑰更新間隔為τ，每次更新的密鑰量為N_i比特，則密鑰速率與更新間隔和更新密鑰量之間的關(guān)系為N_i＝R_iτ。

對于數(shù)據(jù)包的加密方式，數(shù)據(jù)包到達(dá)可信中繼后，將數(shù)據(jù)包存入列表，數(shù)據(jù)包等待密鑰更新，QKD一直處于工作的狀態(tài)，在密鑰更新時(shí)查看列表中是否存在數(shù)據(jù)包，若存在則密鑰進(jìn)行更新，當(dāng)更新的密鑰量大于等于數(shù)據(jù)包的長度時(shí)將數(shù)據(jù)包加密后轉(zhuǎn)發(fā)。由于實(shí)際中量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)中可信中繼之間的鏈路密鑰速率要遠(yuǎn)小于鏈路的經(jīng)典信道帶寬，因此在量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)中對密鑰速率的關(guān)注度要高于帶寬。本發(fā)明就是對量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)中端到端的瓶頸密鑰速率進(jìn)行測量。

二、測試原理：

對端到端瓶頸密鑰速率的測量，是通過測試路徑一端發(fā)送無間隔的等長測試數(shù)據(jù)包，在另一端接收測試數(shù)據(jù)包實(shí)現(xiàn)的。在瓶頸鏈路處，若每次更新的密鑰量小于數(shù)據(jù)包的長度，則多次更新的密鑰量才能夠發(fā)送一個數(shù)據(jù)包，使兩個數(shù)據(jù)包之間的到達(dá)間隔近似等于更新一個數(shù)據(jù)包所需密鑰量的時(shí)間，故可根據(jù)包長和到達(dá)間隔便可計(jì)算出密鑰速率。若每次更新的密鑰量大于數(shù)據(jù)包的長度，則每次更新的密鑰量足夠發(fā)送幾個數(shù)據(jù)包，稱之為可以發(fā)送一組數(shù)據(jù)包，使兩組數(shù)據(jù)包之間的到達(dá)間隔近似等于更新一組數(shù)據(jù)包所需密鑰量的時(shí)間，故可根據(jù)一組數(shù)據(jù)包的總包長與到達(dá)間隔便可計(jì)算出密鑰速率。

若數(shù)據(jù)包的長度大于每次更新的密鑰量，則需要m個更新周期更新的密鑰量才可以發(fā)送一個數(shù)據(jù)包，這時(shí)候數(shù)據(jù)包的包長實(shí)際是介于m-1個更新周期更新的密鑰量和m個更新周期更新的密鑰量之間的，當(dāng)m的值越大時(shí)，m-1/m的值越接近1，對密鑰量的估計(jì)越準(zhǔn)確，這時(shí)可近似認(rèn)為數(shù)據(jù)包的包長就是m個更新周期更新的密鑰量。

若數(shù)據(jù)包的長度小于每次更新的密鑰量，則每次更新的密鑰量足夠n個數(shù)據(jù)包發(fā)送，這時(shí)候更新的密鑰量實(shí)際是介于n個數(shù)據(jù)包的總包長和n+1個數(shù)據(jù)包的總包長之間的，當(dāng)n的值越大時(shí)，n/n+1的值越接近1，對密鑰量的估計(jì)越準(zhǔn)確，這時(shí)可近似認(rèn)為n個數(shù)據(jù)包的總包長就是一個更新周期更新的密鑰量。

三、實(shí)現(xiàn)方案

參照圖1，本發(fā)明的具體實(shí)現(xiàn)如下：

步驟1，設(shè)置測試數(shù)據(jù)包長。

本發(fā)明利用數(shù)據(jù)包的包長與數(shù)據(jù)包之間的到達(dá)間隔來獲得密鑰速率，因此需要對數(shù)據(jù)包包長進(jìn)行設(shè)置，即設(shè)置測試數(shù)據(jù)包長度L為256字節(jié)。

步驟2，設(shè)置測試路徑源端和目的端。

測試時(shí)需要有測試路徑，本發(fā)明將待測試路徑的兩端分為源端和目的端，且源端用于發(fā)送測試數(shù)據(jù)包，目的端用于接收測試數(shù)據(jù)包。

步驟3，發(fā)送測試數(shù)據(jù)包。

將測試數(shù)據(jù)包置于源端，并發(fā)送N個間隔為0的等長測試數(shù)據(jù)包。

步驟4，接收測試數(shù)據(jù)包。

目的端接收源端發(fā)送的測試數(shù)據(jù)包，并記錄數(shù)據(jù)包的到達(dá)時(shí)刻，相鄰兩個數(shù)據(jù)包的到達(dá)時(shí)刻之差即為數(shù)據(jù)包之間的到達(dá)間隔；

按順序統(tǒng)計(jì)相鄰數(shù)據(jù)包之間的到達(dá)間隔，源端發(fā)送了N個測試數(shù)據(jù)包，則接收端應(yīng)統(tǒng)計(jì)到N-1個到達(dá)間隔，若統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)小于N-1個，說明此時(shí)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較大，得到的數(shù)據(jù)誤差較大，因此需要返回步驟3重新進(jìn)行測試。若統(tǒng)計(jì)出的數(shù)據(jù)為N-1個，則判斷此時(shí)測試數(shù)據(jù)包的長度，若為256字節(jié)，則執(zhí)行步驟5，否則，執(zhí)行步驟6。

步驟5，測試數(shù)據(jù)分析并重新測量。

根據(jù)步驟4統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的到達(dá)間隔，判斷出瓶頸鏈路每次更新的密鑰量與測試數(shù)據(jù)包長度的關(guān)系，進(jìn)而決定后續(xù)測量所用的數(shù)據(jù)包大小，并根據(jù)數(shù)據(jù)包長度進(jìn)行測量：

若統(tǒng)計(jì)到的相鄰數(shù)據(jù)包的到達(dá)間隔之比小于或等于2，說明此時(shí)瓶頸鏈路每次更新的密鑰量要小于或等于測試數(shù)據(jù)包的長度，為了提高密鑰速率的測量精度，需要增加數(shù)據(jù)包的長度，因此取包長L_1j＝1450-10j，j＝0，1…5，重復(fù)步驟(3)-(4)對不同包長進(jìn)行測量；

若統(tǒng)計(jì)到的相鄰數(shù)據(jù)包的到達(dá)間隔之比大于2，說明此時(shí)瓶頸鏈路每次更新的密鑰量大于測試數(shù)據(jù)包的長度，即一次更新的密鑰量可以發(fā)送一組數(shù)據(jù)包，為了提高密鑰速率的測量精度，需要減小數(shù)據(jù)包的長度，因此取包長L_2j＝45-5j，重復(fù)步驟(3)-(4)對不同包長進(jìn)行測量。

步驟6，根據(jù)包長對測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

由于步驟5是根據(jù)不同包長進(jìn)行的測試，因此也需要根據(jù)不同包長對測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理：

若測試所用的數(shù)據(jù)包長度為L_1j＝1450-10j，則說明需要進(jìn)行多次密鑰更新來加密發(fā)送一個測試數(shù)據(jù)包，此時(shí)相鄰數(shù)據(jù)包的到達(dá)間隔為多次更新密鑰所用時(shí)間，測試數(shù)據(jù)包的長度為多次更新的密鑰量，則根據(jù)測試數(shù)據(jù)包的長度和相鄰數(shù)據(jù)包的到達(dá)間隔計(jì)算出密鑰速率，即先計(jì)算出N-1個密鑰速率值再對這N-1個密鑰速率值求均值計(jì)算出包長為L_1j時(shí)測得的密鑰速率其中i＝1，2…N-1，L_1j為測試數(shù)據(jù)包的長度，Δτ_i為記錄的相鄰數(shù)據(jù)包的到達(dá)間隔；

若測試所用的數(shù)據(jù)包長度為L_2j＝45-5j，則說明每次更新的密鑰量可以加密發(fā)送一組數(shù)據(jù)包，根據(jù)一組數(shù)據(jù)包的長度和到達(dá)間隔便可計(jì)算出密鑰速率，即：

先計(jì)算出M個密鑰速率值k＝1，2…M，其中L_2j為測試數(shù)據(jù)包的長度，Δτ_k為記錄的相鄰兩組數(shù)據(jù)包之間的到達(dá)間隔，其定義為當(dāng)前一組數(shù)據(jù)包中最后一個數(shù)據(jù)包的到達(dá)時(shí)刻與下一組數(shù)據(jù)包中第一個數(shù)據(jù)包的到達(dá)時(shí)刻之差，n_k為記錄的第k個到達(dá)間隔與第k-1個到達(dá)間隔之間數(shù)據(jù)包個數(shù)；

再對這M個密鑰速率值求取均值計(jì)算出包長為L_2j時(shí)測得的密鑰速率

改變j的值，分別對不同包長測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

步驟7，計(jì)算最終密鑰速率。

對不同包長測得的密鑰速率r_j求取均值，獲得瓶頸鏈路的密鑰速率

以上描述僅是本發(fā)明的一個具體實(shí)例，顯然對于本領(lǐng)域的專業(yè)人員來說，在了解了本發(fā)明內(nèi)容和原理后，都可能在不背離本發(fā)明原理、結(jié)構(gòu)的情況下，進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的各種修正和改變，但是這些基于本發(fā)明思想的修正和改變?nèi)栽诒景l(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。