CN104883304B - 用于部分纠缠量子对桥接通信网络的路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种用于部分纠缠量子对桥接通信网络的路由方法，由以下步骤组成：源节点发起路由请求信息1，目的节点应答路由请求信息，源节点发起路由请求信息2，路径中的节点发起路由请求信息3，目的节点应答各节点路由请求信息，路由建立。每个节点定时更新本节点的路由度量，路由度量通过专门的公式进行计算，节点通过路由度量值选择确定路由。

Description

用于部分纠缠量子对桥接通信网络的路由方法

技术领域

本发明是一种应用于部分纠缠量子对桥接通信网络的路由方法，属于无线量子通信和信息传播技术领域。

背景技术

传统的用于无线经典通信网络的路由协议可以分为表驱动路由协议和按需路由协议。表驱动路由协议中节点周期性交换路由信息，这需要消耗网络资源，且在网络拓扑变化的情况下效率较低；按需驱动路由协议不需要周期性交换路由信息，节点根据需要发起一个路由发现过程，适用于拓扑结构改变的网络。

部分纠缠量子对桥接通信网络，是由无线量子通信终端，及终端间的量子信道和无线信道构成。通信终端节点都是移动的，动态地与其它节点保持联系。量子信道随纠缠量子对资源的变化而发生变化，与传统的无线经典通信网络相比，网络的拓扑结构更容易发生改变。部分纠缠态的桥接传输方案中，量子电路并行执行，各中间节点异步向目的节点传输经典信息，量子信息路由与经典信息路由不必一致，目的端对测量的经典信息结果采用异或逻辑处理。

现有的用于无线量子通信网络的路由协议，适用于节点间逐跳的量子通信方法，在量子对桥接方法中不能获得最佳性能。基于部分纠缠量子对桥接通信的特点，在按需路由协议方案的基础上设计了用于部分纠缠态量子对桥接通信网络的路由协议。该路由协议利用经典无线信道进行路由信息交互，节点间量子路由过程和经典路由过程独立执行。路由信息中包含目的节点地址，下一跳节点地址，路由度量值以及路由的有效时间等信息，可以监控网络拓扑结构的变化，包括无线信道和量子信道的变化，交换路由信息，根据路由度量建立和维护路由，获得更大的网络容量。

发明内容

技术问题：本发明针对部分纠缠量子对桥接的通信方法，提供一种实现了各节点独立传输，提高了信道利用的均衡性，增加了网络容量，同时具有保密性，易于实现的适用于部分纠缠量子对桥接通信的路由方法。

技术方案：本发明的适用于部分纠缠量子对桥接通信的路由方法，用于在部分纠缠量子态构建成量子通信网络中，可实现量子电路并行执行，各节点异步传输经典信息，故设计相关基本控制分组，根据本发明中规定的路由度量，建立路由。

基本控制分组：

量子路由建立请求(QRS:quantum route setup)，量子路由建立(QRF:quantumroute find)和路由错误(RERR:route error)是本协议定义的三种消息种类。HELLO消息是节点间维持邻居关系的消息。这些消息通过UDP和通常的IP协议来接收。

当源节点需要传输携带信息的量子态时，如果本节点路由表中找不到到目的节点的有效路由，由源节点发起相应的路由发现过程。源节点广播一个路由请求消息(QRS)。由于本传输方案中量子信息与经典信息的路由不一致，源节点分别发起量子信息路由请求QRS1与经典信息路由请求QRS2。同样的，路由回复消息也分为量子信息路由回复QRF1与经典信息路由回复QRF2。

路由请求消息格式如图2、3、4所示，其中不同的路由请求消息以源节点序列号用来识别以避免形成环路。当源节点产生一个新的路由请求消息，将其源节点序列号加1，该路由请求消息中的路由度量初始值和跳数初始值设为0，上一跳节点地址设为源节点地址。采用量子远程传态传输信息，需要消耗纠缠粒子对，纠缠粒子对成为网络传输资源。基于量子信道因为纠缠粒子对的消耗而断开，将改变网络拓扑结构的特性，不同于传统网络一般采用的跳数路由度量，本路由协议的路由度量将基于节点间纠缠态粒子对的数量。

本发明的适用于部分纠缠量子对桥接通信的路由方法，包括以下步骤：

a.源节点发送数据，如果存在到目的节点的路由，则在该路由直接进行部分纠缠量子态桥接通信，并结束本路由方法流程，如果不存在到目的节点的路由，则通过经典信道广播一个路由请求信息QRS1，建立到目的节点的路由；

b.中间节点收到来自其它节点的路由请求信息QRS1后，检查有无相同路由请求信息，若收到过相同的路由请求消息，则将本次收到的路由请求消息丢弃，以避免多次重复广播相同路由请求消息，否则进一步查找节点路由表中是否有到目的节点的路由，如果有，且序列号大于或等于路由请求消息中的序列号，则停止转发该路由请求消息QRS1，并向源节点发送路由应答消息，否则，更新路由请求信息QRS1中的奇偶标志并添加本节点地址后，由经典信道转发路由请求信息；

c.目的节点收到该路由请求信息QRS1后，将其添加至路由请求信息表中，根据路由请求消息QRS1中的奇偶标志决定是否在路径中增加一跳，并沿反向路径向源节点发送路由应答信息QRF1，中间节点添加路由度量；

d.源节点第一次收到对该路由请求信息的路由应答信息QRF1后，进入等待状态，在等待时间内，如果有多个路由应答消息QRS1到达，则选择一个具有最小路由度量的路径，发送路由请求信息QRS2；

e.路由请求信息QRS2包含的路径中的各节点信息，各节点独立向目的节点发起经典路由请求信息QRS3，确立路径后，开始传输数据。

进一步的，所述的路由请求信息QRS1中包含了源节点IP地址、目的节点IP地址和序列号。

进一步的，步骤c中，目的节点收到的QRS1消息后，检查奇偶标志位，如果奇偶标志标记为e(even)，则在路径中增加一跳，即目的节点在本节点中增加一个部分纠缠粒子对，如果奇偶标志标记为o(odd)，则不在路径中增加一跳。上述在本节点中增加一个部分纠缠粒子对，其效果等同于在节点内增加一跳，使得路由完成后传输增加一跳。

进一步的，步骤c中，中间节点添加的路由度量是基于剩余部分纠缠量子对的数目的倒数。

本发明中，量子链路中路由度量称为基于部分纠缠量子对的路由度量，定义如下：

由于期望保留更多部分纠缠量子对资源，我们将部分纠缠量子对剩余数量取倒数作为路由度量值。这样考虑了在两节点间传输时，线路的整体部分纠缠量子对消耗最少。但是出于对各节点的公平性考虑，如果由于相邻节点的部分纠缠量子对数量很高，而经过一个部分纠缠量子对剩余数量的很少的节点，这样的设计使不完全的。所以，再对权重做一些处理：可以将权重设为n^1/α(n为剩余部分纠缠量子对数量，α>1)此外由于在反比例中，1比较特殊，所以若某个节点的部分纠缠量子对数量只剩1，相邻节点可自动将到自己的权重设为∞，当且只当该节点本身需要向外通信，认为该信道存在。接下来我们都将使用这种归一化的部分纠缠量子对数量作为路由度量。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明提出的适用于部分纠缠量子对桥接通信的路由方法，可实现量子电路并行执行，各节点异步传输经典信息，量子信息路由与经典信息路由不必一致，目的端对测量的经典信息结果采用异或逻辑处理。

量子电路的实现如图1所示，设定此时有n-2个中间节点。在下图中，增加的两个节点表示为节点D和节点E。D与节点C、E共享两个部分纠缠量子态。

当中间节点数量为奇数，部分纠缠态量子传态可以以概率实现，k＝2m-1，k是中间节点的数量。具体传输过程是，在本路由协议选定的路由中，各中间节点将其持有的两个量子态通过受控非门，第一个量子态通过H门，对两个量子态的测量结果通过经典信道独立传递给目的节点，在目的节点处做异或逻辑处理后，判断X门和Z门的逻辑输出，最终恢复出要传递的量子态。

因此本发明具有以下优点：1.与传统用于逐跳量子通信网络的路由方法相比较，该方法所采用路由度量实现了各节点独立传输，减小了传递量子信息的无线传输开支，所以提高了信道利用的均衡性，增加了网络容量。2.在传输过程中由于传输的只是量子测量结果，即经典信息，而量子位数据本身只为源节点与目的节点所有，其他节点无法通过经典信息本身恢复出源节点的信息，因此节点通信的保密性得到增强。3.该方法易于实现，复杂度低。

附图说明

图1为n节点量子对桥接的量子电路。

图2为路由请求消息QRS1格式。

图3为路由请求消息QRS2格式。

图4为路由请求消息QRS3格式。

图5为路由应答消息QRF1格式。

图6为路由错误消息RERR格式。

图7为路由维护消息HELLO格式。

图8为二粒子部分纠缠量子态网络量子路由QRS1示例图。

图9为二粒子部分纠缠量子态网络量子路由QRF1示例图。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的说明。

本发明方法的一个具体实施例，整个过程如下：

假设有节点S、A、B、C、D、E、F、G、H、I组成的通信网络，如图8所示。源节点S需要向目的节点D通过量子隐形传态安全传输信息，节点S和节点D不是相邻节点，直线路径代表经典链路，虚线路径代表量子链路。这里设定图中量子链路都为经典信息可达。数字代表相邻节点间共享的部分纠缠态数量，网络中各节点预知与相邻节点的部分纠缠量子对数量。

a.源节点S无法找到一个可用的到目的节点的路由时，广播一条QRS1消息，其中包含了源节点S与目的节点D的地址，由于已经历偶数个中间节点，标记为e(even)。

b.相邻节点A收到QRS1消息后，它首先根据源节点地址和上一跳节点地址检查是否收到过相同的路由请求消息。若收到过相同的路由请求消息，本次收到的路由请求消息将被丢弃，以避免多次重复广播相同路由请求消息。检查到目的节点D不在相邻节点中，则在QRS1消息中添加节点A的地址，跳数增加1，将标记改为o(odd)，继续转发给相邻节点。下游节点依次执行检查目的节点、添加本节点地址、修改奇偶标志并转发的行为，在有效时间内最终有两条量子路径可达目的节点D：S-A-B-E-G-I-D和S-A-C-H-I-D。

c.当目的节点D收到QRS1消息后，则反向建立路由，按QRS1中的路由记录传送QRF1消息。标志位的奇偶性决定目的节点D是否需要在本节点增加一跳部分纠缠量子态传输。由于本实例中两条路径S-A-B-E-G-I-D和S-A-C-H-I-D中奇偶标志为分别为o和e，其中对第一条路径直接生成QRF1消息，对第二条路径在目的节点内增加一个部分纠缠粒子对，相当于在传输路径中增加一跳，然后发送QRF1消息。反向路由建立过程如图9所示。

目的节点D生成的QRF1消息。其中数字代表相邻节点间共享的部分纠缠态数量，设α＝2，取了根号后的数量值。网络中各节点预知与相邻节点的部分纠缠量子对数量。QRF1消息中包含了源节点S到目的节点D的路由。

上游节点I收到QRF1消息后，在路由度量中分别加入I-D和I-H间的二粒子部分纠缠量子对根号值，继续转发给上一节点G和H。因此最终源节点S收到两条来自目的节点D的不同路径的QRF1消息：D-I-G-E-B-A-S和D-I-H-C-A-S。

d.QRF1消息中的路由度量考虑为路径中剩余部分纠缠量子态，第二度量为路径的跳数，选择其中最小跳数路径。当源节点S收到多条QRF1消息后，将比较QRF1消息中的路由度量值，即路由中各节点间共享部分纠缠量子对数量处理后的累加值。此时优先建立的量子通道为经典跳数最少或者距离最短的路径，即D-I-H-C-A-S。新的QRS1消息沿D-I-G-E-B-A-S路径在设定时间范围内到达，比较路由度量是否比现有路由有更多的剩余纠缠资源。取路由度量中剩余二粒子部分纠缠量子对数量较多的路径，则量子路由建立。原有的量子信道节点在一定时间未收到新的消息以后，当链路生存时间耗尽，即取消该条量子信道，释放节点缓存；当源节点确定量子路由后，发起经典路由请求QRS2消息。

e.经典路由建立消息QRS2采用跳数作为路由度量，QRS2消息中包含着已确定的量子路由信息。具体的QRS3的路由规则可参考现有以跳数为路由度量的经典路径寻址协议。经过中间节点的广播转发,目的节点将收到来自不同邻居节点的相同路由请求QRS3消息。该节点收到由目的节点确定路由后发回的经典路由确定消息则经典路由确立，该节点可以独立与目的节点传送经典信息。根据部分纠缠量子对桥接传输特性，量子信息传递的路由与经典信息传递的路由不必相同。因此在量子对桥接方案中，源节点对目的节点的通信过程开始，各节点完成量子信息处理，路由中间节点以独立的经典信道对目的节点传送测量结果，在目的节点处将结果通过异或逻辑以得到量子传态需要的信息。由源节点S发起QRS2请求，QRS2中包含了QRF1消息确立的量子路由，路由中各节点收到QRS2消息后，首先根据源节点地址和源节点序列号检查是否收到过相同的路由请求消息。若收到过相同的路由请求消息，将丢弃本次收到的路由请求消息，然后创建一个到前一跳节点的路由，或者更新原来已有的。若没有收到过相同的路由请求消息，该节点独立产生经典路由请求QRS3，当前节点为新的路由请求的源节点，目的节点为同一目的节点，并将跳数值加1,广播路由请求信息QRS3，目的是寻找该节点到达目的节点的经典路由。具体的QRS3的路由规则基于以跳数为路由度量的经典路径寻址协议。经过中间节点的广播转发,目的节点将收到来自不同邻居节点的相同路由请求QRS3消息。目的节点应答该节点，确立经典信道路由。该节点可以独立与目的节点传送经典信息。根据部分纠缠量子对桥接传输特性，量子信息传递的路由与经典信息传递的路由不必相同。因此在量子对桥接方案中，源节点对目的节点的通信过程开始，各节点完成量子信息处理，路由中间节点以独立的经典信道对目的节点传送测量结果，在目的节点处将结果通过异或逻辑以得到量子传态需要的信息。

量子信道和经典信道分别建立后，量子测量、门运算与经典信息的传输可以并行，以完成量子传态，此过程中每个节点的量子操作也是独立的。

上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种用于部分纠缠态量子对桥接通信网络的路由方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：

a. 源节点发送数据，如果存在到目的节点的路由，则在该路由直接进行部分纠缠量子态桥接通信，并结束本路由方法流程，如果不存在到目的节点的路由，则通过经典信道广播一个路由请求信息QRS1，建立到目的节点的路由；

b. 中间节点收到来自其它节点的路由请求信息QRS1后，检查有无相同路由请求信息，若收到过相同的路由请求消息，则将本次收到的路由请求消息丢弃，以避免多次重复广播相同路由请求消息，否则进一步查找节点路由表中是否有到目的节点的路由，如果有，且序列号大于或等于路由请求消息中的序列号，则停止转发该路由请求消息QRS1，并向源节点发送路由应答消息，否则，更新路由请求信息QRS1中的奇偶标志并添加本节点地址后，由经典信道转发路由请求信息；

c. 目的节点收到该路由请求信息QRS1后，将其添加至路由请求信息表中，根据路由请求消息QRS1中的奇偶标志决定是否在路径中增加一跳，并沿反向路径向源节点发送路由应答信息QRF1，中间节点添加路由度量；

d. 源节点第一次收到对该路由请求信息的路由应答信息QRF1后，进入等待状态，在等待时间内，如果有多个路由应答信息QRF1到达，则选择一个具有最小路由度量的路径，发送路由请求信息QRS2；

e. 路由请求信息QRS2包含的路径中的各节点信息，各节点独立向目的节点发起经典路由请求信息QRS3，确立路径后，开始传输数据。

2.如权利要求1所述的用于部分纠缠态量子对桥接通信网络的路由方法，其特征在于，所述的路由请求信息QRS1中包含了源节点IP地址、目的节点IP地址和序列号。

3.如权利要求1所述的用于部分纠缠态量子对桥接通信网络的路由方法，其特征在于，所述步骤c中，目的节点收到的QRS1消息后，检查奇偶标志位，如果奇偶标志标记为e(even)，则在路径中增加一跳，即目的节点在本节点中增加一个部分纠缠粒子对，如果奇偶标志标记为o(odd)，则不在路径中增加一跳。

4.如权利要求1所述的用于部分纠缠态量子对桥接通信网络的路由方法，其特征在于，在所述步骤c中，中间节点添加的路由度量是基于剩余部分纠缠量子对的数目的倒数。