一種量子密碼網絡動態(tài)路由架構系統的制作方法
【專利說明】
[0001] 本申請是申請日：2013年1月7日，【申請?zhí)枴?013100051051，發(fā)明創(chuàng)造名稱：一種 量子密碼網絡動態(tài)路由方法申請的分案申請。
技術領域
[0002] 本發(fā)明涉及量子通信網絡和經典通信網絡構建的量子密碼網絡的通信領域，尤其 涉及一種量子密碼網絡動態(tài)路由架構系統。
【背景技術】
[0003] 量子通信是近二十年發(fā)展起來的新型交叉學科，是量子論和信息論相結合的新的 研宄領域。近來這門學科已逐步從理論走向實驗，并向實用化發(fā)展。高效安全的信息傳輸 日益受到人們的關注。
[0004] 物理上，量子通信可以被理解為在物理極限下，利用量子效應實現的高性能通信。 信息學上，我們則認為量子通信是利用量子力學的基本原理（如量子態(tài)不可克隆原理和量 子態(tài)的測量塌縮性質等）或者利用量子態(tài)隱形傳輸等量子系統特有屬性，以及量子測量的 方法來完成兩地之間的信息傳遞。
[0005] 以量子密鑰分配（QKD)協議為基礎的量子密碼技術是現階段量子通信最重要的 實際應用之一。傳統的密碼學是以數學為基礎的密碼體制，而量子密碼以量子力學為基礎， 它的安全性是建立在測不準原理、量子的不可克隆及量子相干性等物理特性之上的，被證 明是絕對安全的，所以量子密碼引起了學術界的高度重視。
[0006] 量子密碼網絡便是采用量子密碼術的一種安全通信網絡。如附圖1所示，量子密 碼網絡是由經典通信網絡和QKD網絡共同構建而成。QKD網絡主要由QKD終端設備和量子 鏈路組成，用于密鑰分發(fā)。經典通信網絡使用量子密鑰實現數據的加解密和加密數據的傳 輸。一個量子密碼網絡節(jié)點一般是由一個連接于經典通信網絡的經典通信終端和連接于量 子通信網絡的QKD設備終端組成。量子密碼網絡的網絡節(jié)點一般分為終端節(jié)點和中繼節(jié)點 兩種。由于量子通信最大距離的限制以及出于網絡搭建成本的考慮，許多終端之間并不存 在直連的量子鏈路，不能實現量子密鑰的直接分發(fā)，它們之間的加密通信數據需要借助中 繼節(jié)點的轉發(fā)。圖2和圖3分別演示了終端節(jié)點Alice和Bob通過一個中繼節(jié)點和多個中 繼節(jié)點實現量子密鑰加密通信的過程。
[0007] 規(guī)模較大的量子密碼網絡會具有大量的中繼節(jié)點，終端節(jié)點間的加密通信數據會 借助一個或幾個中繼節(jié)點的中轉，而且在數據中轉時會有不同的可選的中繼節(jié)點。如何選 擇量子密碼網絡中任意兩個節(jié)點的通信數據由初始節(jié)點到達目的節(jié)點所要按順序經過的 中繼節(jié)點，我們稱之為量子密碼網絡路由。
[0008] 結構簡單的量子密碼網絡，即中繼節(jié)點和終端節(jié)點的數量較少且網絡結構相對固 定的量子密碼網絡，一般是通過靜態(tài)路由方式，即在中繼節(jié)點中靜態(tài)的寫入所有終端節(jié)點 之間的路由線路，實現通信數據加解密的路由選擇。靜態(tài)路由的缺點在于當整個網絡添加 或刪除一個中繼節(jié)點時，幾乎需要重新規(guī)劃網絡的路由路徑，并更新所有相關的中繼節(jié)點 的路由路徑。另一缺點在于當一條路徑的量子密鑰量不足時，通信雙方只能等待這條路徑 上的QKD設備生成足夠的量子密鑰才能繼續(xù)通信。
[0009] 量子密碼網絡規(guī)模不斷增加?，F在量子密碼網絡已擴展為城域網范圍，終端節(jié)點 可達上千，中繼節(jié)點數量可達上百，且由于節(jié)點維護和網絡規(guī)模的擴展，網絡拓撲是不斷變 化的。在這種情況下，配置繁瑣的靜態(tài)路由方法已不再適合，我們需要一種適合量子密碼網 絡的動態(tài)路由方法。
[0010] 由于量子密碼網絡的特殊性，量子密碼網絡的動態(tài)路由方法的設計必須充分考慮 以下因素：
[0011] 1.網絡拓撲變化頻繁。在量子密碼網絡中通信數據能否由一個網絡節(jié)點到達另一 個網絡節(jié)點，即兩個節(jié)點之間是否存在路由路徑，取決于這兩個節(jié)點之間是否存在足夠用 的量子密鑰，即量子密鑰量決定了路由路徑是否可用。而量子密鑰是不斷地被消耗和生成 的，因此路徑是否可用也可能是在不斷變化的。
[0012] 2.量子密碼網絡路由需要充分考慮并提高量子密鑰的利用率。由于通信數據每 經過一跳路徑都需要消耗一定量的量子密鑰，而量子密鑰是量子密碼網絡最寶貴的網絡資 源，具有很高的生成成本，所以量子密碼網絡的路由方法要盡最大可能使通信數據從初始 節(jié)點到目的節(jié)點經歷最少跳數路徑，以達到消耗最少量量子密鑰的目的。
[0013] 3.量子密碼網絡路由需要考慮通信數據的安全性，即要保證通信數據所要經過 的路由路徑的每一步具有足夠的量子密鑰實現數據加密，以實現量子密碼網絡的絕對安全 性。
[0014] 由于以上因素，量子密碼網絡路由與經典網絡的路由具有如下本質的區(qū)別：
[0015] 1.經典網絡的路由節(jié)點一般為路由器或交換機，只實現數據的轉發(fā)功能，不對通 訊數據進行處理，而量子密碼網絡路由的中繼節(jié)點為帶有QKD設備的網絡節(jié)點，需要對數 據進行解密和加密處理；
[0016] 2.經典網絡路由節(jié)點之間的路徑是否可用取決于網絡帶寬或是否存在可靠物理 連接，而量子密碼網絡路由的中繼節(jié)點之間的路徑是否可用（即通信數據是否可以從一個 中繼節(jié)點到達另一個中繼節(jié)點）取決于路徑兩端的中繼節(jié)點之間是否存在可用的量子密 鑰；
[0017] 3.量子密碼網絡的加密機制需要消耗大量的密鑰，有時密鑰消耗速度遠大于生成 速度，量子密碼網絡的路徑會由于路徑兩端的量子密鑰量不足而處于不可用狀態(tài)，故相對 于經典網絡，量子密碼網絡的路徑狀態(tài)變化往往較為頻繁。
[0018] 以上特點決定了量子密碼網絡的路由不能直接采用經典網絡路由方法。相對于經 典網絡路由，量子密碼網絡的動態(tài)路由方法必須具有以下特點：一是網絡中路徑兩端的量 子密鑰量是決定網絡拓撲狀態(tài)的一個最重要的路由參數之一；二是中繼節(jié)點必須更快更準 確的收集中繼節(jié)點和路徑的變化信息；三是量子密碼網絡路由需要具有更快的網絡拓撲收 斂速度；四是量子密碼網絡路由要具有較高的量子密鑰利用率。
[0019] 而迄今為止，還沒有一種完善的適合量子密碼網絡的動態(tài)路由方法被提出。能檢 索到的量子密碼網絡路由的相關專利如下所述：
[0020] 中國專利No. 201010144106. 0公開了"用于多用戶光量子通信網絡的量子路由器 及其路由方法"，此專利方案應用于量子通信網絡，通過控制光交叉連接器，實現兩個用戶 之間的連接，并沒有考慮通信路徑上的量子密鑰量是否充足。美國專利NO. 8, 122, 242B2、 NO. 7, 392, 378B1和NO. 7, 441，267B1，這三篇專利是一系列相關專利，講的是網絡節(jié)點系統 對將要進入通信網絡的數據流在已知多條量子密碼網絡路由路徑的前提下如何選擇路由 路徑的技術方案，節(jié)點系統的不同路由路徑具有不同的加密能力，根據某條路徑的密鑰量 等參數估計該條路徑的加密能力，選擇加密能力最強的路徑作為下一跳的路徑。但是，該專 利方案存在兩個缺點：第一，該專利方案所選擇的總體路由路徑可能不是最短路徑；第二， 該專利方案所選擇的總體路由路徑中加密能力最低的某一跳路徑，可能比另一條可選的總 體路由路徑中加密能力最低的某一跳路徑的加密能力更低，而一條路徑的加密能力往往受 制于其加密能力最低的那一跳路徑的加密能力。
[0021] 以上量子密碼網絡路由相關專利，均沒有提供量子密碼網絡動態(tài)路由的完整方 案，即如何根據量子密碼網絡拓撲狀態(tài)的變化，將通信數據從初始節(jié)點通過選擇中繼節(jié)點 傳送到目的節(jié)點，并能在保證通信安全性的同時消耗較少的量子密鑰。

【發(fā)明內容】

[0022] 本發(fā)明提出一種量子密碼網絡動態(tài)路由架構系統，該系統根據量子密碼網絡拓撲 狀態(tài)的變化實現通信數據在量子密碼網絡節(jié)點之間加密通信的動態(tài)路由選擇，可允許量子 密碼網絡動態(tài)擴展并根據網絡拓撲狀態(tài)的變化實現數據安全通信。量子密碼網絡中，一般 一個中繼節(jié)點會直接連接數個終端節(jié)點和中繼節(jié)點，一個終端節(jié)點通常只連接唯一的一個 中繼節(jié)點。
[0023] 本發(fā)明的技術方案如下所述：
[0024] 量子密碼網絡中的每個中繼節(jié)點所獲取的網絡拓撲狀態(tài)信息每隔固定時間更新 一次，間隔的時間我們稱之為拓撲更新周期。
[0025] 為整個網絡的中繼節(jié)點設置路由服務器，各個中繼節(jié)點在每個拓撲更新周期內收 集并處理本中繼節(jié)點狀態(tài)信息，各個中繼節(jié)點收集的本中繼節(jié)點的狀態(tài)信息包括：
[0026] (1)本中繼節(jié)點與各個鄰接節(jié)點之間的量子鏈路是否處于正常工作狀態(tài)；
[0027] (2)本中繼節(jié)點與各個鄰近節(jié)點之間的量子密鑰量；
[0028] (3)本中繼節(jié)點與各個鄰近節(jié)點之間的量子密鑰量的變化速度。
[0029] 其中狀態(tài)信息（3)取決于量子鏈路量子密鑰的生成速度和經典信道加解密時量 子密鑰的消耗速度，一般根據密鑰量的統計值計算得出。
[0030] 中繼節(jié)點根據上述狀態(tài)信息（2)、（3)判斷在下一個拓撲更新周期內本中繼節(jié)點 的鄰接路徑是否可用。鄰接路徑是指本中繼節(jié)點與鄰近節(jié)點之間的最短量子密碼網絡路由 路徑。鄰接路徑是否可用取決于路徑兩端是否存在足夠的量子密鑰。
[0031] 中繼節(jié)點的狀態(tài)信息可能不僅限于上述列舉的信息，其他所有與網絡拓撲狀態(tài)相 關的信息或可能影響網絡拓撲狀態(tài)的信息，根據實際應用情況都可以位于被考慮之列。
[0032] 在每一個拓撲更新周期內，各中繼節(jié)點將鄰接路徑的狀態(tài)，即在下一個拓撲更新 周期內是否可用，和所述可用的鄰接路徑兩端所預測的剩余量子密鑰量，以及鄰接量子鏈 路的工作狀態(tài)、中繼節(jié)點信息等，上報于路由服務器。路由服務器收集各個中繼節(jié)點的拓撲 狀態(tài)信息后，生成下一個拓撲更新周期內的網絡拓撲狀態(tài)信息，并將其發(fā)送給網絡的所有 中繼節(jié)點，更新各個中繼節(jié)