基于邏輯承載網的量子通信網路由和交換策略

摘 要： 傳統的量子通信網絡采用空分機制，受鏈路中密鑰分發率最低的鏈路限制。在大規模的量子通信網絡中，鏈路資源浪費將更為顯著，呼損率也很高。提出一種結合了分布式鏈路聚合算法和分布式業務聚合算法，可以支持多種業務，提供第三層路由功能以及服務質量保證的量子通信網絡的路由策略。基于OPNET對呼損率的進行了仿真驗證。結果表明，在保證安全性的同時可以提高瓶頸鏈路速率，降低系統呼損率，提高了服務質量。

關鍵詞： 量子通信網； 邏輯承載網； 鏈路聚合； 業務聚合

中圖分類號： TN915?34； TP918 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）04?0013?03

0 引 言

量子通信、量子信息學是近30年發展起來的新興交叉學科，是量子力學、通信理論以及計算機科學相結合的產物。自從1984年，Bennett和Brassard提出了著名的量子密鑰分發（Quantum Key Distribution，QKD）的概念及具體的BB84協議以來，量子通信發展非常迅猛。量子通信和量子計算潛在的重要科學價值、應用前景和應用價值受到世界各國的物理領域和信息領域的學術界、企業界和國防部門的高度重視，成為研究的熱點，是關乎國家安全的新興產業。

量子通信不僅可以用于國防、政府等國家保密通信領域，還可用于證卷、保險銀行等涉及秘密數據、票據的商業領域。美國、歐盟和日本等國家的政府、國防部門、科技界和信息產業界均投入大量人力物力致力于量子通信的研究和開發工作。在美國，量子信息被列為《保持國家競爭力》計劃的重點支持課題；美國的國家標準和技術研究所（National Institute of Standards and Technology，NIST）將量子信息作為三個重點研究方向之一。加州理工大學、麻省理工學院和南加州大學聯合成立了量子信息和計算研究所研究量子計算、量子網絡等理論和實驗。美國全國科學基金會投資5 000萬美元對量子通信進行研究。美國白宮和五角大樓的量子通信系統目前已投入使用。在歐洲，針對量子信息處理這一科技重大問題，實行大規模國際合作成立了包括歐盟多國在內的量子信息物理學研究網。日本也將將量子信息列為21世紀國家的戰略項目，確定為10年的中長期研究目標和長期研究戰略，計劃在10～15年內建成高速量子信息通信網。我國中科院已制訂了發射量子通信衛星的計劃（預計2016年發射），如果實驗成功將為建立全球量子通信網絡奠定基礎。

目前國內外建成了多個量子通信實驗網絡。比較典型、有影響的主要有下面幾個網絡：美國國防部高級研究計劃局DARPA（Defense Advanced Research Project Agency）在2004年建成了全球第一個實際的量子通信實驗網絡[1]、歐盟的建立于2008年在維也納SECOQC（Secure Communication based on Quantum Cryptography）量子網絡[2]、日本在2010年建立東京量子通信網絡[3]、2009年中國科技大學郭光燦團隊建立的量子政務網[4]以及2012年新華社和中國科大合作建設的金融信息量子通信驗證網 [5]等。這些量子通信網絡規模較小，包含的節點數目都不超過50個。大部分基于第二層交換機，主要為空分交換機（也有部分波分交換或復用的交換機），僅僅能夠提供為語音電話、傳真、文件傳輸和文本通信的基本業務。目前尚未看到大規模量子通信網絡的報道，本文提出一種支持多種業務，提供第三層路由功能以及服務質量保證的量子通信網絡的體系構架和路由策略。

1 策略描述

1.1 分布式鏈路聚合算法

通常量子密鑰分發的速率與通信距離的關系如圖1所示，R0表示在通信距離為0時的密鑰速率，Dmax表示最大通信距離。在0～Ddrop之間，密鑰速率呈線性下降，在Ddrop～Dmax之間，密鑰速率按照指數規律下降。可看出量子通信的速率隨著距離的增加而明顯下降。這樣由于鏈路中每一段的距離不同，每一段的密鑰速率也不同，受鏈路中最低密鑰速率的影響，很容易產生阻塞，傳統量子網絡的空分甚至基于糾纏的量子門交換機都存在這個問題。因此設計下面的分布式鏈路聚合算法。

在鏈路容量受限，同時有其他鏈路空閑時，這樣可將空閑鏈路和受限鏈路聚合在一起，形成一個邏輯上的聚合組，使用鏈路聚合服務的上層實體把同一聚合組內的多條鏈路視為一條邏輯鏈路。采用第三層交換機的路由技術提供由多個鏈路聚合而成的虛擬鏈路，保障高優先級業務的質量。例如：在圖2所示的網絡中，AB之間要建立連接，按照最經典的最短路徑優先算法得到鏈路（1?2）應該是最佳路徑，但如果鏈路2不能提供足夠的密鑰分發速率，因此可以聚合另一條空閑的能提供足夠的密鑰分發速率鏈路（5?8），使整個鏈路的速率能滿足要求。

1.2 分布式業務聚合算法

在大規模的量子通信網絡中，可能存在的網絡的互連方式包括：無阻塞的量子通信網絡和允許一定阻塞率的量子交換機。因為實際使用中，所有用戶不是同時通信的，因此并不需要花費高成本構造無阻塞的網絡，因此目前的量子通信網絡存在一定的阻塞率。量子通信網絡中，鏈路建立后，由于各路由器之間距離的不同，其每段鏈路的QKD速率不一定相同，傳統的量子通信網絡采用空分機制，因此每段鏈路等受鏈路中密鑰分發率最低的鏈路限制，這樣會產生鏈路資源浪費，在大規模的量子通信網絡中，這種浪費將更為顯著，因此我們提出將不同的業務聚合在鏈路中。例如，圖3所示的量子通信網絡中，在鏈路（4?5，5?9，9?10，10?11）中，鏈路（5?9）的速率最低，這時我們可以利用鏈路（9?10）在空閑時為其他業務提供一條邏輯鏈路，這樣就可以提高網絡總的吞吐量。

1.3 邏輯承載網的實現

對于如圖4所示的量子通信網絡時，通過鏈路聚合和業務聚合最終實現的邏輯承載網如圖5所示。可以看到，按照最短路徑優先算法，A和B間的速率只能達到100 KB/s。而通過鏈路聚合和業務聚合算法，在不提高量子密鑰生成速率的條件下， A和B間的速率可以突破原有100 KB/s的瓶頸，最高可達到150 KB/s；但是由于與C相連的惟一鏈路的速率是50 KB/s，所以B和C間之間的速率仍是50 KB/s。

2 仿真及結果分析

2.1 仿真參數設置

為了驗證提出的網絡模型和協議，針對模型如圖2所示400節點的量子通信網絡使用OPNET仿真進行性能驗證。仿真參數如表1所示。仿真參數無Key產生的時間，并假定初始Key池為滿。

表1 OPNET仿真參數設置

2.2 仿真結果及分析

2.2.1 呼損性能與Key存貯空間的關系仿真

工作的量子終端設備數NR≤4，用戶端rU=5 Kb/s，BU =1 MB時，采用鏈路聚合和業務聚合算法前后呼損性能的仿真結果關系表2所示。仿真結果表明，在業務空閑（eU=0.01 erl）時，互損率都很小，而在業務繁忙時，所提出的方案可有效降低系統互損率，保證系統系能。

2.2.2 呼損性能與Key存貯空間的關系

當[eU=0.2 erl]，即業務繁忙時 ，Key存貯空間從1 MB改變到16 MB，采用鏈路聚合和業務聚合算法前后呼損性能的仿真結果關系表3所示。

表2 呼損性能與Key存貯空間的關系

表3 呼損性能與Key存貯空間的關系

仿真結果說明，當Key存貯空間同為1 MB，2 MB和4 MB的情況下，所提出的方案能大幅地降低系統呼損率，特別4 MB，系統呼損率由38.0%降到2%；而在Key存貯空間同為8 MB和16 MB時，仍可有效降低系統呼損率。

3 結 語

針對傳統的量子通信網絡的拓撲結構存在的問題，將傳統網絡“第三層交換機”的思想引入量子通信網絡拓撲結構，打破以原有“空分交換機”和 “光路”交換為基礎的交換模式，通過“第三層交換機”提供對路由和服務質量的支持。提出第三層交換機中進行鏈路分配和鏈路聚合方案，仿真結果說明此方案在保證安全性的同時可以提高瓶頸鏈路速率，降低系統呼損率，保證了服務質量。

參考文獻

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[5] 佚名.金融信息量子通信驗證網在京開通，國務委員劉延東出席開通儀式[EB/OL]. [2012?02?22]. http：//news.ustc.edu.cn / xwbl/201202/t20120222_129244.html.

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