CN108768888A - 一种电力系统量子加密业务的队列调度方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电力系统量子加密业务的队列调度方法，包括以下步骤：按时延要求对业务进行分类，为每类业务分配一个先入先出队列并根据所述时延要求计算所述队列的权值；当所述队列的待加密数据包到达所述队列队头时计算所述队列队头数据包的前期等待时间；根据所述队列队头数据包前期等待时间、所述队列权值、业务加密所需密钥长度和最大加密速率计算所述队列队头数据包的预计耗时；从所述预计耗时大于时延要求的队列中选择权值最大的队列进行队头数据包的发送。本发明的电力系统量子加密业务的队列调度方法能够提高各队列数据包的时延达标率，克服了传统调度方法中无法对时延进行直接控制和优化的问题。

Description

一种电力系统量子加密业务的队列调度方法
技术领域
本发明涉及量子密钥分发技术领域，特别是一种电力系统量子加密业务的队列调度方法。
背景技术
电力通信网络是电力系统运营的重要支撑网络之一，是电网运营智能化、电网管理信息化和电力调度自动化的重要基础。随着电网的不断发展壮大，作为承载电网管理、运行、控制信息的电力通信网也在不断发展壮大，电力通信网安全与电网安全和企业管理的关系日益密切。同时，随着以特高压电网为核心、各级电网协调发展的坚强智能电网建设，对通信系统的支撑能力提出了更高要求。迫切需要建立电力通信网的安全体系架构，保障电力通信网免遭拒绝服务、窃听、欺骗、篡改消息、抵赖或伪造等恶意攻击。
目前，基于量子加密的电力通信网加密体系正受到广泛的关注。量子通信的绝对安全性可以用于密钥的产生和发放，但是无法实现高速率大容量通信，因此利用量子通信技术传输密钥成为了研究热点之一。其中量子密钥分发(QKD:Quantum Key Distribution)是发展最为迅速、有望最早实现商用化的技术。QKD技术通过单光子传输数字信息，生成绝对安全可靠的密钥，称之为量子密钥，其安全性源于单光子不可再分原理、海森堡不确定关系、测量塌缩原理和量子不可克隆定理等量子物理学基本原理，理论上具备绝对安全性。
量子密钥虽能达到很高的安全性，但量子密钥的成码率较低，这限制了采用量子通信技术传输密钥的最大容量，难以对电力通信网中的业务实现全覆盖。因此，需要在电力通信网所有业务中选择业务重要度较高的部分业务进行量子加密，进一步保证其安全性。并且由于不同业务有不同时延要求，选择一个合理的调度算法进行调度以尽可能的满足选出业务的时延要求是有必要的。
传统的队列调度算法中，严格优先级(SP)算法在高优先级队列不为空的情况下，优先调度优先级高的队列，虽然能很好的保证高优先级队列内业务的时延要求，但可能出现低优先级队列得不到调度的情况；轮询调度(RR)算法和加权轮询调度(WRR)算法虽能让所有队列都得到调度，但由于数据包长度的不同，会导致带宽分配不均衡的情况，即较大的数据包将占用更多的带宽，并且RR算法和WRR算法均无法直接对时延进行控制；加权公平队列(WFQ)算法解决了数据包大小不同导致的不均衡问题，却仍无法对时延进行直接控制。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种电力系统量子加密业务的队列调度方法，以解决传统算法无法对时延进行直接控制的问题。
基于上述目的，本发明提供了一种电力系统量子加密业务的队列调度方法包括以下步骤：
按时延要求对业务进行分类，为每类业务分配一个先入先出队列并计算其权值；
待加密数据包到达所述队列时为其添加标签记录到达时间，并更新虚拟时标；
计算所述队列队头数据包前期等待时间和虚拟离开时间；
根据所述队列队头数据包的前期等待时间、所述队列权值以及预设的业务加密所需密钥长度和最大加密速率计算所述队列队头数据包的预计耗时；
从所述预计耗时大于所述时延要求的队列中选择所述权值最大的队列进行队头数据包的发送并对该队列虚拟离开时间进行修正；若预计耗时均小于时延要求，则选择所述虚拟离开时间最小且所述权值最大的队列的数据包进行发送。
优选地，所述按时延要求对业务进行分类，为每类业务分配一个先入先出队列并计算其权值wi，采用如下公式：
其中，n为队列列数、Ti为第i个队列对应的延时时间、wi为第i个队列对应的权值。
所述待加密数据包到达队列时为其添加标签记录到达时间，并更新虚拟时标包括以下步骤：
构建非空队列集合B，初始化系统虚拟时标V(t)，t为实际时间，定义队列i队头数据包的虚拟离开时间Fi；
当待加密数据包到达或离开队列时，更新非空队列集合B，进而更新虚拟时标V(t)，并为新到达数据包添加一个时间标签记录其到达的实际时间，k为该数据包在对应队列中的序号。
其中虚拟时标按下式更新：
式中，tj表示第j个事件发生的实际时间，数据包的到达和离开统称为事件；τ表示事件tj与tj-1发生的时间间隔；wi为队列i的权值，w则为所有队列的权值总和；B为非空队列集合；虚拟时标的初值V(0)为0。
所述待加密数据包到达队头时计算其前期等待时间和虚拟离开时间包括以下步骤：
对于队列i新到达队头的数据包，计算该数据包从队尾到队头的时间(前期等待时间)te(i)和虚拟离开时间Fi，其中，前期等待时间tq(i)按下式计算：
虚拟离开时间Fi按下式计算：
式中，Si为数据包到达队列时的虚拟到达时间；Fi -表示队列i上一个队头数据包的虚拟离开时间；表示该数据包到达队头的实际时间，上标k为该数据包在对应队列中的序号；L为所需密钥的长度；Fi的初始值为0。
所述计算队头数据包预计耗时te(i)包括:根据非空队列集合B、业务加密所需密钥长度L、最大加密速率r、前期等待时间tq(i)和权值wi计算每个队头数据包的预计耗时te(i)，其中，预计耗时te(i)采用下式计算：
其中,te(i)为队头数据包预计耗时、L为业务加密所需的密钥长度、r为最大加密速率。
所述对该队列虚拟离开时间进行修正，采用下式进行修正：
其中，Fi 0为修正前的Fi值。
由以上方案可以看出，本发明提供的电力系统量子加密业务的队列调度方法，通过对待加密数据包在调度系统中的预计耗时进行估计，并优先发送预计耗时大于时延要求的队列的队头数据包，从而提高各队列数据包的时延达标率，克服了传统调度方法中无法对时延进行直接控制和优化的问题。
附图说明
图1为本发明实施例各队列的时延图，其中图1(a)、图1(b)、图1(c)为运用传统WFQ调度时各队列的时延图，图1(d)、图1(e)、图1(f)为运用本发明方法调度时各队列的时延图；
图2为超时数据包数统计图，其中图2(a)为队列1的超时数据包数统计图，图2(b)为系统总超时数据包统计图；两图中上面的线为传统WFQ处理下的超时数据包数随数据包加密量的变化图，下面的线为用本发明方案处理的超时数据包数随数据包加密量的变化图；
图3为本发明一种电力系统量子加密业务的队列调度方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图3所示，一种电力系统量子加密业务的队列调度方法，包括以下步骤：
按时延要求对业务进行分类，为每类业务分配一个队列并根据所述时延要求计算所述队列的权值；
计算所述队列队头数据包的前期等待时间；
根据所述队列队头数据包的前期等待时间、所述队列权值以及预设的业务加密所需密钥长度和最大加密速率计算所述队列队头数据包的预计耗时；
从所述预计耗时大于所述时延要求的队列中选择所述权值最大的队列进行队头数据包的发送。
一种电力系统量子加密业务的队列调度方法的另一个实施例包括以下步骤：
按时延要求对业务进行分类，为每类业务分配一个先入先出队列并计算所述队列的权值；
当待加密数据包到达所述队列时为其添加标签记录到达时间，并更新虚拟时标；
计算所述队列队头数据包的前期等待时间和虚拟离开时间；
根据所述队列队头数据包的前期等待时间、所述队列权值以及预设的业务加密所需密钥长度和最大加密速率计算所述队列队头数据包的预计耗时；
从所述预计耗时大于所述时延要求的队列中选择所述权值最大的队列进队头数据包的发送并对所述队列的虚拟离开时间进行修正；若所述预计耗时均小于所述时延要求，则选择所述虚拟离开时间最小且所述权值最大的队列的数据包进行发送。
进一步，一种电力系统量子加密业务的队列调度方法的更为详细的实施例包括以下步骤：
Step1：将电力业务按其时延要求进行分类，为每类业务分配一个FIFO(先入先出)队列并按照相应时延要求计算各队列的权值wi，时延要求越高其权值越大。
选取三个队列进行调度，对应时延要求分别为T1＝10ms、T2＝30ms、T3＝100ms；各队列中待加密数据包的到达均服从参数λ＝30packets/s的泊松分布；每个待加密数据包所需要的密钥长度L＝20bit；最大加密速率r＝4kbit/s。
各队列权值wi的计算可采用如下公式：
计算得出三个队列权值分别为w1＝0.459、w2＝0.312、w3＝0.229。
需要说明的是，本发明实例中提供的权重计算公式仅仅是示意性的，并不构成对确定权重方法的限制，可以根据实际情况自行设置。
Step2：构建非空队列集合B，初始化系统虚拟时标V(t)，t为实际时间，定义队列i队头数据包的虚拟离开时间为Fi。
Step3：当待加密数据包到达或离开队列时，更新非空队列集合B，进而更新虚拟时标V(t)，并为新到达数据包添加一个时间标签记录其到达的实际时间，k为该数据包在对应队列中的序号；
其中，每当一个事件发生时，则会按下式更新虚拟时标V(t)：
式中，tj表示第j个事件发生的实际时间，数据包的到达和离开统称为事件；τ表示事件tj与tj-1发生的时间间隔；wi为队列i的权值，w则为所有队列的权值总和；B为非空队列集合；虚拟时标的初值V(0)为0。
Step4：对于队列i新到达队头的数据包，计算该数据包从队尾到队头的时间(前期等待时间)tq(i)和虚拟离开时间Fi；
其中前期等待时间tq(i)按下式计算：
虚拟离开时间Fi按下式计算：
式中，Si为数据包到达队列时的虚拟到达时间；表示队列i上一个队头数据包的虚拟离开时间；表示该数据包到达队头的实际时间，上标k为该数据包在对应队列中的序号；L为所需密钥的长度；Fi的初始值为0。
Step5：根据非空队列集合B、业务加密所需密钥长度L、最大加密速率r、前期等待时间tq(i)和权值wi计算每个队头数据包的预计耗时te(i)；
其中，预计耗时te(i)采用下式计算：
Step6：比较集合B中队列i预计耗时te(i)和时延要求Ti，从预计耗时大于时延要求的队列中选择权值最大的队列进行队头数据包的发送，并对该队列虚拟时间Fi进行修正，若预计耗时均小于时延要求，则选择Fi最小且权值最大的队列的数据包进行发送，转至Step3。
其中，对虚拟离开时间Fi的修正，采用下式进行修正：
式中Fi 0为修正前的Fi值。
实施例中，各队列均有10000个待加密数据包到达，其仿真结果如图1和图2所示。
可以看出，相较于传统WFQ调度，本发明方法能在不对其他队列产生明显影响的情况下，有效提高时延要求最高的1队列的实验达标率，从而提高系统总时延达标率。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电力系统量子加密业务的队列调度方法，其特征在于，包括以下步骤：
按时延要求对业务进行分类，为每类业务分配一个队列并根据所述时延要求计算所述队列的权值；
计算所述队列队头数据包的前期等待时间；
根据所述队列队头数据包的前期等待时间、所述队列权值以及预设的业务加密所需密钥长度和最大加密速率计算所述队列队头数据包的预计耗时；
从所述预计耗时大于所述时延要求的队列中选择所述权值最大的队列进行队头数据包的发送。
2.根据权利要求1所述的一种电力系统量子加密业务的队列调度方法，其特征在于，所述按时延要求对业务进行分类，为每类业务分配一个队列并计算所述队列的权值wi，采用如下公式：
其中，n为队列列数、Ti为第i个队列对应的延时时间、wi为第i个队列对应的权值。
3.根据权利要求2所述的一种电力系统量子加密业务的队列调度方法，其特征在于，所述队列队头数据包的前期等待时间tq(i)按下式计算：
其中，t为实际时间、为新到达数据包的实际到达时间、i为队列号、k为该数据包在对应队列中的序号。
4.根据权利要求3所述的一种电力系统量子加密业务的队列调度方法，其特征在于，所述队列队头数据包的预计耗时te(i)采用下式计算:
其中,te(i)为所述队列队头数据包的预计耗时、tq(i)为队列队头数据包的前期等待时间、L为业务加密所需的密钥长度、r为最大加密速率、wi为对应队列的权值。
5.根据权利要求1所述的一种电力系统量子加密业务的队列调度方法，其特征在于，所述计算所述队列队头数据包的前期等待时间还包括计算所述队列队头数据包的虚拟离开时间。
6.根据权利要求5所述的一种电力系统量子加密业务的队列调度方法，其特征在于还包括，初始化系统虚拟时标V(t),当所述队列数据包到达或离开队列时，更新虚拟时标；所述虚拟时标按下式更新：
式中，tj表示第j个事件发生的实际时间，数据包的到达和离开统称为事件；τ表示事件tj与tj-1发生的时间间隔；wi为队列i的权值，w则为所有队列的权值总和；B为所述队列组成的非空队列集合；虚拟时标的初值V(0)为0。
7.根据权利要求5或6所述的一种电力系统量子加密业务的队列调度方法，其特征在于所述虚拟离开时间Fi按下式计算：
其中，Si为数据包到达队列时的虚拟到达时间、表示队列i上一个队头数据包的虚拟离开时间、表示该数据包到达队头的实际时间、上标k为该数据包在对应队列中的序号、L为所需密钥的长度、Fi的初始值为0。
8.根据权利要求1所述的一种电力系统量子加密业务的队列调度方法，其特征在于，从所述预计耗时大于时延要求的队列中选择权值最大的队列进行队头数据包的发送还包括对所述队列的虚拟离开时间进行修正。
9.根据权利要求8所述的一种电力系统量子加密业务的队列调度方法，其特征在于，所述的对所述队列虚拟离开时间进行修正，采用下式进行修正：
其中，Fi 0为修正前的Fi值。
10.根据权利要求1所述的一种电力系统量子加密业务的队列调度方法，其特征在于还包括，当所述队列队头数据包的预计耗时均小于所对应的时延要求时，选择所述虚拟离开时间最小且所述权值最大的队列的数据包进行发送。
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