CN108512607A - 一种基于量子城域环网的经典信息交互方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于量子城域环网的经典信息交互方法，包括以下步骤：正向经典信息由QKD发射机发出，通过交换机发出光信号进入后端波分复用器传输；前端波分解复用器将前级传来的光信号解复用至交换机的光口，反向经典交互信息由后级的QKD接收机电口传至交换机；反向交互信息并由本级交换机继续顺时针传输，直至传输到前级终端节点的交换机并由电口传给本级的QKD发射机。与现有技术相比，本发明中的QKD反向经典信号通过绕环的全正向传输，避免了反向经典信号产生的拉曼噪声对QKD系统产生的影响，极大地减小系统误码率以及增加了设备的工作距离。

Description

一种基于量子城域环网的经典信息交互方法
技术领域
本发明涉及城域环网安全通信技术领域，特别涉及基于量子城域环网的经典信息交互方法。
背景技术
随着科学技术的迅猛发展，信息传递成为人们生活、工作中不可缺少的一部分。人们在享受高速通信传输带来的便利时，通信安全问题则成为人们迫切需要解决的问题之一。目前，网络信息加密大多使用的是一种公开密钥加密体系，其过程是通过算法生成公钥和私钥，公钥通过网络传输至解密端，私钥则留在加密侧。随着量子计算技术的快速发展，这种传统的加密算法产生的密钥安全性收到了越来越大的威胁。
量子密钥分配是基于1984年物理学家Bennett和密码学家Brassard提出BB84协议而产生量子密钥的一种技术，该技术基于量子力学的测量原理从而保证了密钥的绝对安全性。
量子密钥分配在产生密钥的过程中不仅需要量子信号，而且需要同步时钟信号同步QKD收发侧的信息，以及需要辅助信号来传递QKD收发侧的交互信息和后处理信息。如此一来，QKD的正常工作则至少需要两根光纤。
基于量子密钥分配技术加密城域网络已经开始进行了布局，光缆的高额铺设费用使得整个网络的建设成本大大增加，这成为了限制了量子密钥分配技术的大规模使用的原因之一。
当量子光与经典信号复用在同一根光纤的情况下，经典信号在光纤中产生的拉曼光会覆盖至量子光波长，且拉曼光强与光纤长度有关，拉曼噪声会导致系统的误码率升高。反向经典光产生的拉曼光比正向经典光产生的拉曼光强，这极大的限制了量子秘钥设备的工作距离，因此抑制反向经典信号产生的拉曼光是增加量子秘钥设备工作距离的有效途径。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于量子城域环网的经典信息交互方法，以解决现有技术中当量子光与经典信号复用在同一根光纤的情况下，反向经典光产生的拉曼光比正向经典光产生的拉曼光强，这极大的限制了量子秘钥设备的工作距离的技术性缺陷。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于量子城域环网的经典信息交互方法，所述单纤组网包括由若干终端节点通过单纤连接的环网，所述终端节点均包括QKD发射机、QKD接收机、交换机、前端波分复用器、后端波分复用器、时钟接收单元以及时钟发射单元，所述QKD发射机分别连接交换机、后端波分复用器以及时钟发射单元，所述QKD接收机分别连接交换机、前端波分复用器以及时钟接收单元，其中，所述环网中当前终端节点的后端波分复用器与相邻后一级终端节点的前端波分复用器连接，具体的信息传送方法包括以下步骤：
1)当前终端节点：正向经典信息由QKD发射机电口与交换机相连发出，通过交换机光口发出光信号进入后端波分复用器传输，并通过光纤传输至后级终端节点的前端波分解复用器，
2)后级终端节点：前端波分解复用器将前级传来的光信号解复用至交换机的光口，完成光电转换并由交换机电口传至QKD接收机，反向经典交互信息由当前终端节点的QKD接收机电口传至交换机，和后级终端节点的QKD发射机发出的正向经典信息一起，由后级终端节点的交换机光口传出，顺时针传给下下级终端节点的交换机；
3)下下级终端节点，后级终端节点发出的反向交互信息并由下下级终端节点的交换机继续顺时针传输，直至传输到当前级终端节点的交换机并由电口传给当前终端节点的QKD发射机，由此当前终端节点的QKD发射机和后级终端节点的QKD接收机的经典信息的交互过程。
优选地，所述正向经典信息以及反向交互信息均包括对基、误码估计、密钥纠错以及保密放大信息。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：
本发明的基于量子城域环网的经典信息交互方法，采用量子信号与时钟同步信号的波分复用技术，不仅可以避免由于不同光纤受外界环境不同而产生的信号延时抖动，而且可以节约大量的光纤资源和降低设备运维成本。反向经典信号通过绕环的全正向传输，避免了反向经典信号产生的拉曼噪声对QKD系统产生的影响，极大地减小系统误码率以及增加了设备的工作距离。
附图说明
图1为现有技术中城域环网的网络链路图。
图中：QKD发射机100，QKD接收机200，交换机300，前端波分复用器400，后端波分复用器500，时钟接收单元600，时钟发射单元700。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明进行清楚、完整地描述。
如图1所示，一种基于量子城域环网的经典信息交互方法，所述单纤组网包括由若干终端节点通过单纤连接的环网，所述终端节点均包括QKD发射机100、QKD接收机200、交换机300、前端波分复用器400、后端波分复用器500、时钟接收单元600以及时钟发射单元700，所述QKD发射机100分别连接交换机300、后端波分复用器500以及时钟发射单元700，所述QKD接收机200分别连接交换机300、前端波分复用器400以及时钟接收单元600，其中，所述环网中当前终端节点的后端波分复用器500与相邻后一级终端节点的前端波分复用器400连接，
所述QKD发射机100有三个端口，包括一个光口和两个电口。光口产生包含相位信息的单光子脉冲激光。两个电口分别与交换机300和时钟发射单元700相连，QKD发射机100的主控板通过电口控制时钟发射单元700发射时钟信号。QKD发射机100的另外一个电口与交换机300相连，用来传输经典的服务信号。
同样的，QKD接收机200包括一个光口和两个电口，光口用来接收包含相位信息的单光子脉冲激光，其中一个电口用来接收时钟接收单元600传来的同步时钟信息，另外一个光口用来与交换机300交互经典服务信息。
交换机300包含两个电口和两个光口。两个电口分别用来与QKD发射机100和QKD接收机200相连。两个光口分别用来发射带有经典服务信息的光信号和接收上一个节点发射的正向经典服务信息和其他节点传输的反向服务信息。
时钟光发射单元700包含一个电口和一个光口，电口从QKD发射机100接收指令通过光口发出同步光信息。时钟光接收单元600包括一个电口和一个光口，光口接收的同步光信息通过电口发送至QKD接收机200。
其中，前端波分复用器400、后端波分复用器500包含三个输入波长口和一个公共输出端，三个波长口分别用于传输量子光。同步时钟光和经典光，所述波分复用器的通道隔离度大于100dB，确保了经典信号波长光不会泄露至量子波长端。
具体的信息传送方法包括以下步骤：
1)当前终端节点：正向经典信息由QKD发射机电口与交换机相连，通过交换机光口发出光信号进入后端波分复用器传输，并通过光纤传输至后级终端节点的前端波分解复用器，
2)后级终端节点：前端波分解复用器将前级传来的光信号解复用至交换机的光口，完成光电转换并由交换机电口传至QKD接收机，反向经典交互信息由当前节点的QKD接收机电口传至交换机，和本级的QKD发射机发出的正向经典信息一起，由本级交换机光口传出，顺时针传给下下级的交换机；
3)下下级终端节点，上节点的QKD接收机发出的反向交互信息通过本级交换机继续顺时针传输，直至传输到当前级终端节点的交换机并由电口传给当前级的QKD发射机，由此完成当前级节点QKD发射机和后级终端节点QKD接收机的经典信息的交互过程。
所述正向经典信息以及反向交互信息均包括对基、误码估计、密钥纠错以及保密放大信息。
由于正向经典信息和反向经典信息均为顺时针传输，因此避免了光纤传输过程中的反向拉曼产生，减少了量子信号波长的噪声产生，优化了密钥误码率和增加了点到点的传输距离。同样的，下个节点的QKD发射机与下下个节点QKD接收机的经典信息交互也是如此。如此，整个环网内的QKD设备均能正常的运行。
综合本发明的经典信息交互方法可知，本发明的基于量子城域环网的经典信息交互方法，采用量子信号与时钟同步信号的波分复用技术，不仅可以避免由于不同光纤受外界环境不同而产生的信号延时抖动，而且可以节约大量的光纤资源和降低设备运维成本。反向经典信号通过绕环的全正向传输，避免了反向经典信号产生的拉曼噪声对QKD系统产生的影响，极大地减小系统误码率以及增加了设备的工作距离。

Claims (2)

1.一种基于量子城域环网的经典信息交互方法，其特征在于，所述单纤组网包括由若干终端节点通过单纤连接的环网，所述终端节点均包括QKD发射机、QKD接收机、交换机、前端波分复用器、后端波分复用器、时钟接收单元以及时钟发射单元，所述QKD发射机分别连接交换机、后端波分复用器以及时钟发射单元，所述QKD接收机分别连接交换机、前端波分复用器以及时钟接收单元，其中，所述环网中当前终端节点的后端波分复用器与相邻后一级终端节点的前端波分复用器连接，具体的信息传送方法包括以下步骤：
1)当前终端节点：正向经典信息由QKD发射机电口与交换机相连发出，通过交换机光口发出光信号进入后端波分复用器传输，并通过光纤传输至后级终端节点的前端波分解复用器，
2)后级终端节点：前端波分解复用器将前级传来的光信号解复用至交换机的光口，完成光电转换并由交换机电口传至QKD接收机，反向经典交互信息由当前终端节点的QKD接收机电口传至交换机，和后级终端节点的QKD发射机发出的正向经典信息一起，由后级终端节点的交换机光口传出，顺时针传给下下级终端节点的交换机；
3)下下级终端节点，后级终端节点发出的反向交互信息并由下下级终端节点的交换机继续顺时针传输，直至传输到当前级终端节点的交换机并由电口传给当前终端节点的QKD发射机，由此当前终端节点的QKD发射机和后级终端节点的QKD接收机的经典信息的交互过程。
2.如权利要求1所述的基于量子城域环网的经典信息交互方法，其特征在于，所述正向经典信息以及反向交互信息均包括对基、误码估计、密钥纠错以及保密放大信息。
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