基于量子遠(yuǎn)程傳態(tài)的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議

李雪妍，劉曉宇，蘇海南，李君明，司 維

（1.國網(wǎng)上海市電力公司 市北供電公司，上海 200072；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司 丹東供電公司，遼寧 丹東 118000）

0 引 言

量子通信網(wǎng)絡(luò)是目前階段應(yīng)用最廣泛的通信網(wǎng)絡(luò)，可以打破傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的局限性，不再受物理因素所限制。在研究中，相關(guān)研究人員發(fā)現(xiàn)其傳輸時(shí)的速率快，傳輸完整度高，在面臨大數(shù)據(jù)傳輸時(shí)仍然可以保證穩(wěn)定傳輸。量子遠(yuǎn)程狀態(tài)是被應(yīng)用于量子通信網(wǎng)絡(luò)中的一種傳輸狀態(tài)，具有瞬時(shí)性。1993年，利用量子遠(yuǎn)程概念提出了量子態(tài)隱形傳態(tài)理論方案，同年提出了基于量子隱形傳態(tài)的量子糾纏交換方案[1]。國內(nèi)外學(xué)者經(jīng)過研究從理論上和實(shí)驗(yàn)上都證實(shí)了構(gòu)建量子通信網(wǎng)絡(luò)的可能性[2]。在設(shè)計(jì)時(shí)，它主要使用量子隱形傳態(tài)構(gòu)建具有傳態(tài)切換的量子中繼和量子橋。研究的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是分層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不包括路由和設(shè)置的具體研究，本文在目前的基礎(chǔ)上應(yīng)用了量子傳態(tài)，設(shè)計(jì)了應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議。

1 基于量子遠(yuǎn)程傳態(tài)的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議算法

應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)和其他通信網(wǎng)絡(luò)有很大的不同，衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)使用的計(jì)算資源相當(dāng)有限，但地面站的計(jì)算資源足夠[3]。因此，本文采用了量子遠(yuǎn)程傳態(tài)的路由算法，對(duì)距離權(quán)重測(cè)量方法和路由算法進(jìn)行了相應(yīng)改變，充分滿足測(cè)控網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際需求。基于距離向量的路由算法主要考慮兩部分，一是收集與鄰居通信鏈路關(guān)聯(lián)的權(quán)重信息，如鄰居節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)、鄰居節(jié)點(diǎn)狀態(tài)、鄰居節(jié)點(diǎn)權(quán)重以及鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)值等，保證傳輸鏈路的通斷次數(shù)和可達(dá)鏈路的權(quán)重，最終目標(biāo)是在節(jié)點(diǎn)處形成加權(quán)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[4]。二是使用給定的加權(quán)拓?fù)鋱D計(jì)算最優(yōu)值，它也是基于距離向量算法的正確路徑，因此需要介紹路由算法的節(jié)點(diǎn)權(quán)重測(cè)量方法和路由計(jì)算方法。

對(duì)于單個(gè)節(jié)點(diǎn)來說，通常需要在路由計(jì)算之前獲得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的加權(quán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并根據(jù)加權(quán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來計(jì)算數(shù)據(jù)的傳輸路徑。但是，在應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)中沒有必要進(jìn)行這個(gè)步驟。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中單個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中所有其他節(jié)點(diǎn)的可達(dá)鏈路和路由路徑不感興趣，只需要找到一條到達(dá)地面測(cè)控中心的路由路徑即可。根據(jù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓匦掠?jì)算路由時(shí)經(jīng)常會(huì)發(fā)生某些變化，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的鏈路發(fā)生變化時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)必須進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)交換以納入新的加權(quán)拓?fù)洌缓竺總€(gè)節(jié)點(diǎn)必須根據(jù)這個(gè)加權(quán)拓?fù)溥M(jìn)行路徑重新計(jì)算[5]。如果網(wǎng)絡(luò)中拓?fù)渥兓乃俣瓤煊诼窂绞諗康乃俣龋敲磳⒋蟠蠼档途W(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量。如何在高動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)中加快路由收斂速度，使其能夠滿足通信質(zhì)量要求是本路由算法需要解決的另一個(gè)問題。在鏈路權(quán)值的設(shè)定中可以看到，當(dāng)獲得全網(wǎng)的帶權(quán)值拓?fù)鋱D之后，節(jié)點(diǎn)需要從拓?fù)鋱D中利用Bellman-Ford算法計(jì)算得出共有多少條可用通信鏈路和各自的鏈路總權(quán)值，并從這些鏈路中選擇出總權(quán)值最小的路徑作為路由路徑[6]。應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議算法的構(gòu)建是為了計(jì)算可通信鏈路的總權(quán)值，這種做法的效率較低，為實(shí)際應(yīng)用帶來了不便。為了通信網(wǎng)絡(luò)的可用性，本文采用了層次化的方法對(duì)路由算法進(jìn)行簡化。

1.2 基于量子遠(yuǎn)程傳態(tài)衡量路由權(quán)值

本文提出了一種綜合考慮通信延遲和鏈路可靠性的背景要求下，基于量子遠(yuǎn)程傳態(tài)的改進(jìn)路由算法，并首先體現(xiàn)在鏈路權(quán)重設(shè)置中。由于地面有線鏈路的特性優(yōu)于無線網(wǎng)絡(luò)，因此本文設(shè)計(jì)的路由協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)優(yōu)先選擇有線鏈路作為數(shù)據(jù)傳輸路徑，以保證網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性、可靠性以及實(shí)時(shí)性，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)男蔥7]。因此，需要明確實(shí)現(xiàn)的鏈接選擇原則是通過一條無線鏈接上的兩條有線鏈接，區(qū)分有線鏈接和無線鏈接。為了實(shí)現(xiàn)這樣的路由協(xié)議，本文將地線鏈路權(quán)重設(shè)為0.9，無線鏈路權(quán)重設(shè)為2。由于地面有線鏈路總權(quán)重為3.8，無線path為4，因此路由計(jì)算為有線鏈路，也是分階段傳輸測(cè)控?cái)?shù)據(jù)的首選。

1.3 設(shè)計(jì)應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)路由信令

在集成路由協(xié)議的設(shè)計(jì)中，有兩種列表，分別為鄰居列表和路由表。鄰居列表的維護(hù)目的是實(shí)現(xiàn)路由表的計(jì)算。為了計(jì)算路由，鄰居列表必須提供鄰居標(biāo)識(shí)、鄰居狀態(tài)、鄰居權(quán)重、鏈路權(quán)重和該節(jié)點(diǎn)的端口等信息。路由表的維護(hù)是為了實(shí)現(xiàn)樹節(jié)點(diǎn)和根節(jié)點(diǎn)之間的有效通信。綜合路由協(xié)議計(jì)算出的路由表中的條目內(nèi)容與傳統(tǒng)路由協(xié)議路由表中的條目內(nèi)容基本相同，包括目的節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)、下一節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)、輸出端口、路由更新時(shí)間等基本信息。

首先，統(tǒng)一路由協(xié)議中引入了HELLO包，它用于維護(hù)一個(gè)節(jié)點(diǎn)的鄰居列表，通告節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，檢查子節(jié)點(diǎn)中節(jié)點(diǎn)的路由更新次數(shù)，并觸發(fā)路由重新計(jì)算。觸發(fā)HELLO報(bào)文傳輸?shù)那闆r有兩種，第一種是每個(gè)節(jié)點(diǎn)周期性地向每個(gè)端口廣播一個(gè)節(jié)點(diǎn)的HELLO包來尋找它的鄰居，第二種是在節(jié)點(diǎn)狀態(tài)改變后發(fā)送一個(gè)HELLO包，保證節(jié)點(diǎn)接收最準(zhǔn)確和最新的網(wǎng)絡(luò)信息[8]。鄰接關(guān)系的建立是一個(gè)單向過程，換句話說，對(duì)于節(jié)點(diǎn)A，如果節(jié)點(diǎn)B可以接收HELLO包，那么節(jié)點(diǎn)B也可以接收到自己發(fā)送的HELLO包。網(wǎng)絡(luò)路由信令交互機(jī)制如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)路由信令交互機(jī)制

鄰居關(guān)系的建立過程如圖1所示，當(dāng)節(jié)點(diǎn)A收到來自節(jié)點(diǎn)B的HELLO報(bào)文時(shí)，它將節(jié)點(diǎn)B的信息添加到節(jié)點(diǎn)A的鄰居表項(xiàng)中。如果表項(xiàng)已經(jīng)有節(jié)點(diǎn)B的信息，則只更新相鄰表項(xiàng)中的信息。當(dāng)相鄰表?xiàng)l目的更新超時(shí)，如果此時(shí)希望鄰居列表中具有有效的鄰居關(guān)系，則請(qǐng)刪除此時(shí)的鄰居條目。如果樹節(jié)點(diǎn)收到來自其父節(jié)點(diǎn)的HELLO數(shù)據(jù)包，并且知道父節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)發(fā)生了變化（權(quán)重發(fā)生了變化或失去了網(wǎng)絡(luò)連接）時(shí)，或者它沒有隨著時(shí)間的推移從其父節(jié)點(diǎn)收到HELLO數(shù)據(jù)包，那么這個(gè)節(jié)點(diǎn)如果需要執(zhí)行需要路由重新計(jì)算[9]。

其次，路由計(jì)算可以通過HELLO報(bào)文的交互來完成，這樣樹節(jié)點(diǎn)就可以和根節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)了，但是根據(jù)路由重新計(jì)算的觸發(fā)條件，根節(jié)點(diǎn)本身不需要執(zhí)行路由計(jì)算，其路由表始終為空。這可以防止根節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送到它要去的特定樹節(jié)點(diǎn)。為了描述得更清楚，將端口按降序進(jìn)行編號(hào)。其中，節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2只有一個(gè)主路由表項(xiàng)，節(jié)點(diǎn)3在路由表中沒有內(nèi)容。在這種情況下，可以從節(jié)點(diǎn)1向其他兩個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，因此可以得出結(jié)論，按照上述規(guī)則構(gòu)建的路由表仍然不完整，協(xié)議需要進(jìn)一步改進(jìn)。

1.4 配置參數(shù)化

針對(duì)TinyOS和C語言的特性進(jìn)行配置。在組件模型中，每個(gè)組件通過定義的組件接口與其他組件交互，并在邏輯上形成更大的組件。可以清楚地看到程序的結(jié)構(gòu)，保持模塊之間的松散耦合，便于程序更改，且具有與面向?qū)ο笳Z言類似的好處。由于CMR路由協(xié)議層在整體配置中位于應(yīng)用層之下，鏈路層之上，因此指定CMR路由協(xié)議層提供的上層接口和配置中使用的默認(rèn)接口是配置參數(shù)化的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，決定了整個(gè)模塊的實(shí)現(xiàn)[10]。總體配置參數(shù)化結(jié)構(gòu)如圖2所示。

如圖2可知，該框圖主要是為上層應(yīng)用程序提供與路由有關(guān)的信息，并提供一些關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)置功能。

2 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的基于量子遠(yuǎn)程傳態(tài)的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議可以加快網(wǎng)絡(luò)通信的速率，保證數(shù)據(jù)的完整性，對(duì)應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議有一定的參考價(jià)值，對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展有促進(jìn)作用。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明，本文設(shè)計(jì)的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議改善了OSPF協(xié)議和RIP協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾剩捎跈z測(cè)數(shù)據(jù)包數(shù)量有限，還需要在數(shù)據(jù)傳輸中進(jìn)一步改善。