CN103200105A - 一种基于光路切换的qkd网络的路由选择系统及路由选择方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于光路切换的QKD网络的路由选择系统及路由选择方法，本发明属于量子通信和量子密钥分发网络领域，具体涉及一种路由选择系统及路由选择方法，本发明解决了现有QKD网络因为路由选择能力差而导致的QKD网络拓扑简单以及规模小的问题。本发明由M个光切换节点组成，每个光切换节点的呼叫协议子模块利用QKD网络拓扑自动发现模块发送的QKD网络的拓扑结构表获取QKD通信请求源节点到目的节点的所有可行通信路径表，再由先导信号协议路径选择子模块从所有可行的通信路径信表中选择最优的通信路径作为此次通信的路径，通过先导信号协议路径确认模块对选择的出的最优通信路径进确认，建立源节点到目的节点的通信信道。本发明适用于通信领域。

Description

一种基于光路切换的QKD网络的路由选择系统及路由选择方法
技术领域
本发明属于量子通信和量子密钥分发网络领域，具体涉及一种路由选择系统及路由选择方法。
背景技术
随着网络的发展，信息传输的安全性要求越来越高。目前，常用的信息安全保障方法之一就是密码学。其中，一次通信加一密的方法是可以证明的有效的安全加密手段。一次通信加一密的方法需要通信双方进行密钥分发来获得共享密钥，其安全性依赖于密钥分发的安全性。目前，通过经典通信手段实现绝对安全的密钥分发是非常困难的，而量子密钥分发(Quantum Key Distribution，QKD)技术的出现，使得这个问题得到了解决。
随着点到点QKD通信技术的日益成熟，人们开始了对QKD通信网络化的研究与探索。目前，世界上已经出现了多个试验性的QKD网络，从原理上验证了构建QKD网络的可行性，但从实用性的角度来看，这些QKD网络都局限于少量节点的简单拓扑，无法实现规模化的实际应用。
在QKD网络中，QKD终端间通信的核心问题之一是确定量子通信的传输路径，即路由拓扑问题。现有的QKD网络中传输路径的确定大多还只是基于简单的寻路逻辑，并且依附于固定的光学器件，不具有普遍性，由于路由选择能力差导致了QKD网络拓扑简单以及规模小。
发明内容
本发明为了解决现有QKD网络因为路由选择能力差而导致的QKD网络拓扑简单以及规模小的问题，提出了一种基于光路切换的QKD网络的路由选择系统及路由选择方法。
本发明所述一种基于光路切换的QKD网络的路由选择系统，它由M个光切换节点组成；M为大于或等于2的整数；每个光切换节点均包括网络拓扑自动发现模块和先导信号协议模块；
网络拓扑自动发现模块包括呼叫协议子模块、交换协议子模块、扩散协议子模块1和QKD网络拓扑自动发现模块；
先导信号协议模块包括先导信号协议路径发现子模块、先导信号协议路径选择子模块和先导信号协议路径确认模块；
呼叫协议子模块用于向每个邻居光切换节点发送数据包，建立和维护该呼叫协议子模块所在的光切换节点与每个邻居节点之间的连接关系，并将该光切换节点与每个邻居节点之间的连接关系信息发送给QKD网络自动发现模块；
交换协议子模块用于向每个邻居节点发送该交换协议子模块所在的光切换节点的所有邻居节点列表，并用于接收每个邻居节点发送的该邻居节点的所有邻居节点列表，并建立自身光切换节点的网络拓扑信息数据库，以及将自身光切换节点的网络拓扑信息数据库发送给QKD网络自动发现模块；
扩散协议子模块用于定时将该扩散协议子模块所在的光切换节点的网络拓扑信息数据库发送到邻居节点，或与该扩散协议子模块所在的光切换节点的邻居节点相邻的其他光切换节点，并定时将光切换节点的网络拓扑信息数据库发送给QKD网络自动发现模块；
QKD网络自动发现模块用于接收呼叫协议子模块发送的光切换节点与每个邻居节点之间的连接关系信息；还用于接收交换协议子模块发送的的自身光切换节点的网络拓扑信息数据库和接收扩散协议子模块定时发送的光切换节点的网络拓扑信息数据库，形成整个QKD网络的拓扑结构表，并将整个QKD网络的拓扑结构表发送给先导信号协议路径发现子模块；
先导信号协议路径发现子模块用于接收用户QKD通信请求信号，并根据接收到QKD网络拓扑自动发现模块发送的整个QKD网络的拓扑结构表，获取信源节点到达目的节点的所有可行的通信路径信息表，并将源节点到达目的节点的所有可行的通信路径表传递给先导信号协议路径选择子模块；
先导信号协议路径选择子模块用于接收先导信号协议路径发现子模块发送的源节点到达目的节点的所有可行的通信路径信息表，并从源节点到达目的节点的所有可行的通信路径中选择最优的通信路径，并将选择出的最优的通信路径传递给先导信号协议路径确认模块；
先导信号协议路径确认模块用于接收先导信号协议路径选择子模块发送的最优的通信路径，并对最优的通信路径进行确认，并建立一条源节点到目的节点的通信信道，实现路由选择。
先导信号协议路径确认模块3用于接收先导信号协议路径选择子模块发送的最优的通信路径，并对最优的通信路径进行确认，并建立端到端的量子信道，实现路由选择。
采用上述一种基于光路切换的QKD网络的系统的路由选择方法，该方法的具体步骤为：
步骤一、用户向先导信号协议模块发送QKD通信请求信号，先导信号协议模块将用户请求信息中的源节点与目的节点信息发送给先导信号协议路径发现子模块；
步骤二、先导信号协议路径发现子模块利用QKD网络拓扑自动发现模块发送的整个QKD网络的拓扑结构表，获取源节点到目的节点所有可行的通信路径表，并将源节点到目的节点所有可行的通信路径表传递给先导信号协议路径选择子模块；
步骤三、先导信号协议路径选择子模块从先导信号协议路径发现子模块发送的源节点到目的节点所有可行的通信路径信表中选择出最优的通信路径，作为此次通信的路径，并将选择出的最优通信路径传递给先导信号协议路径确认模块；
步骤四、先导信号协议路径确认模块对先导信号协议路径选择子模块选择出的最优通信路径进确认，判断每个光切换节点是否满足通信需求，如果是则建立一条源节点到目的节点的通信信道，实现此次路由选择，否则，从源节点到目的节点所有可行的通信路径表中删除该条最优的通信路径，并返回执行步骤三。
本发明所述一种基于光路切换的QKD网络的路由选择系统及路由选择方法该路由技术具有自动发现网络拓扑和进行量子信道寻径的功能，使基于光路切换的QKD网络的路由选择系统能够适应更复杂的拓扑网络及大规模的应用，同时使QKD网络的规模同比扩大了50％。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种基于光路切换的QKD网络的路由选择系统，它由M个光切换节点组成；M为大于或等于2的整数；每个光切换节点均包括网络拓扑自动发现模块1和先导信号协议模块2；
网络拓扑自动发现模块1包括呼叫协议子模块1-1、交换协议子模块1-2、扩散协议子模块1-3和QKD网络拓扑自动发现模块1-4；
先导信号协议模块2包括先导信号协议路径发现子模块2-1、先导信号协议路径选择子模块2-2和先导信号协议路径确认模块2-3；
呼叫协议子模块1-1用于向每个邻居光切换节点发送数据包，建立和维护该呼叫协议子模块1-1所在的光切换节点与每个邻居节点之间的连接关系，并将该光切换节点与每个邻居节点之间的连接关系信息发送给QKD网络自动发现模块1-4；
交换协议子模块1-2用于向每个邻居节点发送该交换协议子模块1-2所在的光切换节点的所有邻居节点列表，并用于接收每个邻居节点发送的该邻居节点的所有邻居节点列表，并建立自身光切换节点的网络拓扑信息数据库，以及将自身光切换节点的网络拓扑信息数据库发送给QKD网络自动发现模块1-4；
扩散协议子模块1-3用于定时将该扩散协议子模块1-3所在的光切换节点的网络拓扑信息数据库发送到邻居节点，或与该扩散协议子模块1-3所在的光切换节点的邻居节点相邻的其他光切换节点，并定时将光切换节点的网络拓扑信息数据库发送给QKD网络自动发现模块1-4；
QKD网络自动发现模块1-4用于接收呼叫协议子模块1-1发送的光切换节点与每个邻居节点之间的连接关系信息；还用于接收交换协议子模块1-2发送的的自身光切换节点的网络拓扑信息数据库和接收扩散协议子模块1-3定时发送的光切换节点的网络拓扑信息数据库，形成整个QKD网络的拓扑结构表，并将整个QKD网络的拓扑结构表发送给先导信号协议路径发现子模块2-1；
先导信号协议路径发现子模块2-1用于接收用户QKD通信请求信号，并根据接收到QKD网络拓扑自动发现模块1-4发送的整个QKD网络的拓扑结构表，获取信源节点到达目的节点的所有可行的通信路径信息表，并将源节点到达目的节点的所有可行的通信路径表传递给先导信号协议路径选择子模块2-2；
先导信号协议路径选择子模块2-2用于接收先导信号协议路径发现子模块2-1发送的源节点到达目的节点的所有可行的通信路径信息表，并从源节点到达目的节点的所有可行的通信路径中选择最优的通信路径，并将选择出的最优的通信路径传递给先导信号协议路径确认模块2-3；
先导信号协议路径确认模块2-3用于接收先导信号协议路径选择子模块2-2发送的最优的通信路径，并对最优的通信路径进行确认，并建立一条源节点到目的节点的通信信道，实现路由选择。
具体实施方式二：本实施方式是具体实施方式一所述一种基于光路切换的QKD网络的路由选择系统的路由选择方法，该方法的具体步骤：
步骤一、用户向先导信号协议模块2发送QKD通信请求信号，先导信号协议模块2将用户请求信息中的源节点与目的节点信息发送给先导信号协议路径发现子模块2-1；
步骤二、先导信号协议路径发现子模块2-1利用QKD网络拓扑自动发现模块1-4发送的整个QKD网络的拓扑结构表，获取源节点到目的节点所有可行的通信路径表，并将源节点到目的节点所有可行的通信路径表传递给先导信号协议路径选择子模块2-1；
步骤三、先导信号协议路径选择子模块2-2从先导信号协议路径发现子模块2-1发送的源节点到目的节点所有可行的通信路径信表中选择出最优的通信路径，作为此次通信的路径，并将选择出的最优通信路径传递给先导信号协议路径确认模块2-3；
步骤四、先导信号协议路径确认模块2-3对先导信号协议路径选择子模块2-2选择出的最优通信路径进行确认，判断每个光切换节点是否满足通信需求，如果是则建立一条源节点到目的节点的通信信道，实现此次路由选择，否则，从源节点到目的节点所有可行的通信路径表中删除该条最优的通信路径，并返回执行步骤三。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式二所述的一种基于光路切换的QKD网络的路由选择系统的路由选择方法的进一步说明，步骤二所述的先导信号协议路径发现子模块2-1利用QKD网络拓扑自动发现模块1-4发送的整个QKD网络的拓扑结构表，获取源节点到目的节点所有可行的通信路径表的方法为：
步骤A1、从QKD网络拓扑自动发现模块1-4发送的整个QKD网络的拓扑结构表中查询网络拓扑中源节点到达目的节点的所有可行的通信路径，查询每条可行的通信路径的源节点的信道资源是否能够满足建立到路由下一跳节点的光通路的需求，如果是，则计算该条通信路径源节点到达目的节点的通信路径的损耗和时延与源的地址信息一起写入到一个数据包中，将该数据包作为先导信号协议请求包，向该条通信路径的路由下一跳节点发送该先导信号协议请求包，执行步骤A2；否则执行步骤A4；
步骤A2、判断当前接收到先导信号协议请求包光切换节点是否为目的节点，如果是则将该通信路径写入到源节点到目的节点的所有可行的通信路径表中，否则，根据先导信号协议请求包中的节点地址判断是否有回路发生，如果是执行步骤A4；否则执行步骤A3；
步骤A3、查询当前接收到先导信号协议请求包光切换节点的网络拓扑中到达目的节点的所有可行的通信路径，对于每条可行的通信路径，查询当前的路径资源是否能够满足建立到路由下一跳节点的光通路的需求；如果是，则计算该条通信路径的损耗和时延并与当前光切换节点地址一起写入到先导信号协议请求包中，向路由下一跳节点转发请求包，执行步骤A2；否则执行步骤A4
步骤A4、放弃该条通信路径。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式二所述的一种基于光路切换的QKD网络的路由选择系统的路由选择方法的进一步说明，步骤三中所述的先导信号协议路径选择子模块2-1从先导信号协议路径选择子模块2-1发送的源节点到目的节点所有可行的通信路径信表中选择出最优的通信路径，作为此次通信的路径的方法为：
步骤B1、计算源节点到目的节点所有可行的通信路径信表中的每条通信路径的权值W；权值W由公式：
W＝Loss×0.75+Delay×0.25
计算获得，式中，Loss表示该条路径的传输损耗，Delay表示该条路径的传输时延；
步骤B2、按由小到大的顺序对权值W进行排序，获得从小到大的权值W的序列；
步骤B3、从权值W的序列中选择权值最小的通信路径作为此次QKD通信的最优通信路径。
具体实施五：本实施方式是对具体实施方式二所述的一种基于光路切换的QKD网络的路由选择系统的路由选择方法的进一步说明，步骤四中先导信号协议路径确认模块2-3对先导信号协议路径选择子模块2-2选择出的最优通信路径进确认，判断每个光切换节点是否满足通信需求的方法为：
步骤C1：目的节点的先导信号协议路径确认模块2-3将先导信号协议路径选择子模块2-2择出的最优通信路径的节点序列封装到一个数据包中，将该数据包作为先导信号协议确认包，然后目的节点向通信路径序列中目的节点的路由上一跳节点i发送先导信号协议确认包，所述i为光切换节点的序号，i为大于1的正整数；
步骤C2、节点i接收到先导信号协议确认包，对先导信号协议确认包进行解析；判断节点i是否为最优通信路径的节点序列中的源节点，如是则该光切换节点满足通信需求，完成该条最优通信路径的确认，否则执行步骤C3；
步骤C3、判断节点i的信道路径资源是否能够满足建立通信路径的要求；如果是则为通信路径预留资源，将节点i的序列号置为i-1，节点i-1为节点i在最优通信路径的节点序列中的上一跳节点，节点i-1向节点i转发先导信号协议确认包，执行步骤C2，否则该条通信路径确认选择失败。

Claims (5)

1.一种基于光路切换的QKD网络的路由选择系统，其特征在于，它由M个光切换节点组成；M为大于或等于2的整数；每个光切换节点均包括网络拓扑自动发现模块(1)和先导信号协议模块(2)；
网络拓扑自动发现模块(1)包括呼叫协议子模块(1-1)、交换协议子模块(1-2)、扩散协议子模块(1-3)和QKD网络拓扑自动发现模块(1-4)；
先导信号协议模块(2)包括先导信号协议路径发现子模块(2-1)、先导信号协议路径选择子模块(2-2)和先导信号协议路径确认模块(2-3)；
呼叫协议子模块(1-1)用于向每个邻居光切换节点发送数据包，建立和维护该呼叫协议子模块(1-1)所在的光切换节点与每个邻居节点之间的连接关系，并将该光切换节点与每个邻居节点之间的连接关系信息发送给QKD网络自动发现模块(1-4)；
交换协议子模块(1-2)用于向每个邻居节点发送该交换协议子模块(1-2)所在的光切换节点的所有邻居节点列表，并用于接收每个邻居节点发送的该邻居节点的所有邻居节点列表，建立自身光切换节点的网络拓扑信息数据库，以及将自身光切换节点的网络拓扑信息数据库发送给QKD网络自动发现模块(1-4)；
扩散协议子模块(1-3)用于定时将该扩散协议子模块(1-3)所在的光切换节点的网络拓扑信息数据库发送到邻居节点，及与该扩散协议子模块(1-3)所在的光切换节点的邻居节点相邻的其他光切换节点，并定时将光切换节点的网络拓扑信息数据库发送给QKD网络自动发现模块(1-4)；
QKD网络自动发现模块(1-4)用于接收呼叫协议子模块(1-1)发送的光切换节点与每个邻居节点之间的连接关系信息；还用于接收交换协议子模块(1-2)发送的的自身光切换节点的网络拓扑信息数据库和接收扩散协议子模块(1-3)定时发送的光切换节点的网络拓扑信息数据库，形成整个QKD网络的拓扑结构表，并将整个QKD网络的拓扑结构表发送给先导信号协议路径发现子模块(2-1)；
先导信号协议路径发现子模块(2-1)用于接收用户QKD通信请求信号，并根据接收到QKD网络拓扑自动发现模块(1-4)发送的整个QKD网络的拓扑结构表，获取信源节点到达目的节点的所有可行的通信路径信息表，并将源节点到达目的节点的所有可行的通信路径表传递给先导信号协议路径选择子模块(2-2)；
先导信号协议路径选择子模块(2-2)用于接收先导信号协议路径发现子模块(2-1)发送的源节点到达目的节点的所有可行的通信路径信息表，并从源节点到达目的节点的所有可行的通信路径中选择最优的通信路径，并将选择出的最优的通信路径传递给先导信号协议路径确认模块(2-3)；
先导信号协议路径确认模块(2-3)用于接收先导信号协议路径选择子模块(2-2)发送的最优的通信路径，并对最优的通信路径进行确认，并建立一条源节点到目的节点的通信信道，实现路由选择。
2.权利要求1所述的一种基于光路切换的QKD网络的系统的路由选择方法，其特征在于，该方法的具体步骤为：
步骤一、用户向先导信号协议模块(2)发送QKD通信请求信号，先导信号协议模块(2)将用户请求信息中的源节点与目的节点信息发送给先导信号协议路径发现子模块(2-1)；
步骤二、先导信号协议路径发现子模块(2-1)利用QKD网络拓扑自动发现模块(1-4)发送的整个QKD网络的拓扑结构表，获取源节点到目的节点所有可行的通信路径表，并将源节点到目的节点所有可行的通信路径表传递给先导信号协议路径选择子模块(2-1)；
步骤三、先导信号协议路径选择子模块(2-2)从先导信号协议路径发现子模块(2-1)发送的源节点到目的节点所有可行的通信路径信表中选择出最优的通信路径，作为此次通信的路径，并将选择出的最优通信路径传递给先导信号协议路径确认模块(2-3)；
步骤四、先导信号协议路径确认模块(2-3)对先导信号协议路径选择子模块(2-2)选择出的最优通信路径进行确认，判断每个光切换节点是否满足通信需求，如果是则建立一条源节点到目的节点的通信信道，实现此次路由选择，否则，从源节点到目的节点所有可行的通信路径表中删除该条最优的通信路径，并返回执行步骤三。
3.根据权利要求2所述的一种基于光路切换的QKD网络的路由选择系统的路由选择方法，其特征在于，步骤二所述的先导信号协议路径发现子模块(2-1)利用QKD网络拓扑自动发现模块(1-4)发送的整个QKD网络的拓扑结构表，获取源节点到目的节点所有可行的通信路径表的方法为：
步骤A1、从QKD网络拓扑自动发现模块(1-4)发送的整个QKD网络的拓扑结构表中查询网络拓扑中源节点到达目的节点的所有可行的通信路径，查询每条可行的通信路径的源节点的信道资源是否能够满足建立到路由下一跳节点的光通路的需求，如果是，则计算该条通信路径源节点到达目的节点的通信路径的损耗和时延与源的地址信息一起写入到一个数据包中，将该数据包作为先导信号协议请求包，向该条通信路径的路由下一跳节点发送该先导信号协议请求包，执行步骤A2；否则执行步骤A4；
步骤A2、判断当前接收到先导信号协议请求包光切换节点是否为目的节点，如果是则将该通信路径写入到源节点到目的节点的所有可行的通信路径表中，否则，根据先导信号协议请求包中的节点地址判断是否有回路发生，如果是执行步骤A4；否则执行步骤A3；
步骤A3、查询当前接收到先导信号协议请求包光切换节点的网络拓扑中到达目的节点的所有可行的通信路径，对于每条可行的通信路径，查询当前的路径资源是否能够满足建立到路由下一跳节点的光通路的需求；如果是，则计算该条通信路径的损耗和时延并与当前光切换节点地址一起写入到先导信号协议请求包中，向路由下一跳节点转发请求包，执行步骤A2；否则执行步骤A4；
步骤A4、放弃该条通信路径。
4.根据权利要求2所述的一种基于光路切换的QKD网络的路由选择系统的路由选择方法，其特征在于，步骤三中所述的先导信号协议路径选择子模块(2-1)从先导信号协议路径选择子模块(2-1)发送的源节点到目的节点所有可行的通信路径信表中选择出最优的通信路径，作为此次通信的路径的方法为：
步骤B1、计算源节点到目的节点所有可行的通信路径信表中的每条通信路径的权值W；权值W由公式：
W＝Loss×0.75+Delay×0.25
计算获得，式中，Loss表示该条路径的传输损耗，Delay表示该条路径的传输时延；
步骤B2、按由小到大的顺序对权值W进行排序，获得从小到大的权值W的序列；
步骤B3、从权值W的序列中选择权值最小的通信路径作为此次QKD通信的最优通信路径。
5.根据权利要求2所述的一种基于光路切换的QKD网络的路由选择系统的路由选择方法，其特征在于，步骤四中先导信号协议路径确认模块(2-3)对先导信号协议路径选择子模块2-2选择出的最优通信路径进确认，判断每个光切换节点是否满足通信需求的方法为：
步骤C1：目的节点的先导信号协议路径确认模块(2-3)将先导信号协议路径选择子模块(2-2)择出的最优通信路径的节点序列封装到一个数据包中，将该数据包作为先导信号协议确认包，然后目的节点向通信路径序列中目的节点的路由上一跳节点i发送先导信号协议确认包，所述i为光切换节点的序号，i为大于1的正整数；
步骤C2、节点i接收到先导信号协议确认包，对先导信号协议确认包进行解析；判断节点i是否为最优通信路径的节点序列中的源节点，如是则该光切换节点满足通信需求，完成该条最优通信路径的确认，否则执行步骤C3；
步骤C3、判断节点i的信道路径资源是否能够满足建立通信路径的要求；如果是则为通信路径预留资源，将节点i的序列号置为i-1，节点i-1为节点i在最优通信路径的节点序列中的上一跳节点，节点i-1向节点i转发先导信号协议确认包，执行步骤C2，否则该条通信路径确认选择失败。
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