CN109462547B - 基于量子城域通信网络的路径选择方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于量子城域通信网络的路径选择方法及装置，该方法包括：确定N个距离区间和每个距离区间对应的资源门限值，其中N为大于1的整数；针对物理网络拓扑确定N层增强图，其中，N层增强图与N个距离区间一一对应，每层增强图中具有连接关系的两个节点之间的距离小于或等于对应的距离区间的右端点；根据N层增强图、物理网络拓扑以及每个距离区间对应的资源门限值确定待处理业务的路径，实现了基于量子城域通信网络的路径选择，节约了大量资源。

Description

基于量子城域通信网络的路径选择方法及装置

技术领域

本发明涉及量子通信技术领域，尤其涉及一种基于量子城域通信网络的路径选择方法及装置。

背景技术

随着计算能力的提高以及量子计算机的出现，信息网络面临的安全威胁日益严峻。利用量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)机制可以为端到端通信提供可靠的密钥进行加密，实现信息安全。但是由于QKD的密钥生成速率随着距离的增大而减小，若要实现远端QKD节点的密钥共享，必须在路径上设置可信中继或者借用其他量子节点作为中继。但通过可信中继实现密钥共享的同时，也会浪费很多资源。

现有技术中，传统光网络的路径选择，通常会采用路由旁路策略，通过在某个节点处直接通过该节点中的光模块，而不进行上电处理的业务，且由于光网络中的信号可以在光域进行信号再生，因此光网络的路由旁路策略不需要考虑源宿节点的距离，大大减少了节点中端口的使用，进而节约了大量资源。

然而由于量子本身特性，无法直接对信号进行放大整形，在到达一定距离后必须要进行中继操作，因此，现有技术中传统光网络的路径选择方式不适用于量子城域通信网络，量子城域通信网络的路径经过的所有节点都进行密钥的中继，导致在某些节点会出现不必要的加解密操作，从而浪费了过多的资源。

发明内容

本发明提供一种基于量子城域通信网络的路径选择方法、装置、设备及存储介质，以实现基于量子城域通信网络的路径选择，进而节约资源。

第一方面，本发明实施例提供一种基于量子城域通信网络的路径选择方法，包括：

确定N个距离区间和每个距离区间对应的资源门限值，其中N为大于1的整数；针对物理网络拓扑确定N层增强图，其中，N层增强图与N个距离区间一一对应，每层增强图中具有连接关系的两个节点之间的距离小于或等于对应的距离区间的右端点；根据N层增强图、物理网络拓扑以及每个距离区间对应的资源门限值确定待处理业务的路径。

本方案中，通过确定N个距离区间和每个距离区间对应的资源门限值，其中N为大于1的整数，然后针对物理网络拓扑确定N层增强图，其中，N层增强图与N个距离区间一一对应，每层增强图中具有连接关系的两个节点之间的距离小于或等于对应的距离区间的右端点，最后根据N层增强图、物理网络拓扑以及每个距离区间对应的资源门限值确定待处理业务的路径，实现了基于量子城域通信网络的路径选择，进而节约了大量资源。

可选的，根据N层增强图、物理网络拓扑以及每个距离区间对应的资源门限值确定待处理业务的路径，包括：

步骤S1：在第N层增强图中确定待处理业务对应的最短路径，最短路径包括至少一个最短子路径，每个最短子路径中不存在中继节点；

步骤S2：确定每个最短子路径在物理网络拓扑对应的目标路径，其中，最短子路径和目标路径具有相同的源节点和目的节点；

步骤S3：在N个距离区间中确定最短子路径的距离所属的距离区间以及最短子路径的距离所属的距离区间对应的资源门限值，并确定目标路径中包括的所有路径的资源占用率总和；

步骤S4：若资源占用率总和小于或等于最短子路径的距离所属的距离区间对应的资源门限值，则将最短子路径作为待处理业务的路径。

可选的，本发明实施例提供的一种基于量子城域通信网络的路径选择方法，还包括：

步骤S5：若资源占用率总和大于最短子路径的距离所属的距离区间对应的资源门限值，则在第N-1层增强图中确定最短子路径对应的最短路径，并针对最短子路径对应的最短路径所包括的最短子路径执行步骤S2至步骤S5，直至将待处理业务的路径确定完毕。

可选的，确定目标路径中包括的所有路径的资源占用率总和，包括：

确定目标路径的每条路径占用的资源量，以及，待处理业务对应的总资源量；计算每条路径占用的资源量与总资源量的比值，并对所有比值求和，得到目标路径中包括的所有路径的资源占用率总和。

可选的，本发明实施例体用的一种基于量子城域通信网络的路径选择方法，还包括：

向中继节点发送指示消息，指示消息用于指示待处理业务的路径。

第二方面，本发明实施例提供一种基于量子城域通信网络的路径选择装置，包括：

第一确定模块，用于确定N个距离区间和每个距离区间对应的资源门限值，其中N为大于1的整数；第二确定模块，用于针对物理网络拓扑确定N层增强图，其中，N层增强图与N个距离区间一一对应，每层增强图中具有连接关系的两个节点之间的距离小于或等于对应的距离区间的右端点；第三确定模块，用于根据N层增强图、物理网络拓扑以及每个距离区间对应的资源门限值确定待处理业务的路径。

可选的，第三确定模块具体用于：

步骤S1：在第N层增强图中确定待处理业务对应的最短路径，最短路径包括至少一个最短子路径，每个最短子路径中不存在中继节点；

步骤S2：确定每个最短子路径在物理网络拓扑对应的目标路径，其中，最短子路径和目标路径具有相同的源节点和目的节点；

步骤S3：在N个距离区间中确定最短子路径的距离所属的距离区间以及最短子路径的距离所属的距离区间对应的资源门限值，并确定目标路径中包括的所有路径的资源占用率总和；

步骤S4：若资源占用率总和小于或等于最短子路径的距离所属的距离区间对应的资源门限值，则将最短子路径作为待处理业务的路径。

可选的，第三确定模块还用于：

步骤S5：若资源占用率总和大于最短子路径的距离所属的距离区间对应的资源门限值，则在第N-1层增强图中确定最短子路径对应的最短路径，并针对最短子路径对应的最短路径所包括的最短子路径执行步骤S2至步骤S5，直至将待处理业务的路径确定完毕。

可选的，第三确定模块还用于：

确定目标路径的每条路径占用的资源量，以及，待处理业务对应的总资源量；计算每条路径占用的资源量与总资源量的比值，并对所有比值求和，得到目标路径的中包括的所有路径的资源占用率总和。

可选的，本发明实施例体用的一种基于量子城域通信网络的路径选择装置，还包括：

发送模块，用于向中继节点发送指示消息，指示消息用于指示待处理业务的路径。

第三方面，本发明实施例提供一种终端设备，包括处理器和存储器；

存储器用于存储计算机可执行指令，以使处理器执行指令实现如第一方面或第一方面可选方式的基于量子城域通信网络的路径选择方法。

第四方面，本发明实施例提供一种计算机存储介质，存储介质包括计算机指令，当指令被计算机执行时，使得计算机实现如第一方面或第一方面可选方式的基于量子城域通信网络的路径选择方法。

第五方面，本发明实施例提供一种计算机程序产品，包括计算机指令，当指令被计算机执行时，使得计算机实现如第一方面或第一方面可选方式的基于量子城域通信网络的路径选择方法。

本发明提供的基于量子城域通信网络的路径选择方法、装置、设备及存储介质，通过确定N个距离区间和每个距离区间对应的资源门限值，其中N为大于1的整数，然后针对物理网络拓扑确定N层增强图，其中，N层增强图与N个距离区间一一对应，每层增强图中具有连接关系的两个节点之间的距离小于或等于对应的距离区间的右端点，最后根据N层增强图、物理网络拓扑以及每个距离区间对应的资源门限值确定待处理业务的路径，实现了基于量子城域通信网络的路径选择，进而节约了大量资源。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一提供的基于量子城域通信网络的路径选择的流程示意图；

图2是本发明实施例一提供的密钥生成速率与节点距离关系的示意图；

图3是本发明实施例一提供的量子城域物理网络拓扑图的示意图；

图4是本发明实施例提供的第一层增强图的示意图；

图5是本发明实施例提供的第二层增强图的示意图；

图6是本发明实施例二提供的基于量子城域通信网络的路径选择的流程示意图；

图7是本发明实施例中待处理业务1的资源分配示意图；

图8是本发明实施例中待处理业务2的资源分配示意图；

图9是本发明实施例三提供的支持旁路的节点结构示意图；

图10本发明实施例三提供的基于SDN控制器的QKD架构；

图11是本申请一实施例提供的基于量子城域通信网络的路径选择装置的示意图；

图12是本发明一实施例提供的终端设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

随着计算能力的提高以及量子计算机的出现，信息网络面临的安全威胁日益严峻。利用QKD机制可以为端到端通信提供可靠的密钥进行加密，实现信息安全。但是QKD的密钥生成速率随着节点距离的增大而减小，若要实现远端QKD节点的密钥共享，必须在路径上设置可信中继或者借用其他量子节点作为中继。但通过可信中继实现密钥共享的同时，也会浪费很多资源。然而现有技术中，在路由路径经过的所有节点都进行密钥的中继，导致在某些节点会出现不必要的加解密操作，从而浪费了过多的资源。为了节约资源，本发明实施例提供一种基于量子城域通信网络的路径选择方法、装置、设备及存储介质。下面将对本申请技术方案进行详细介绍：

在量子城域通信网络中，为了实现远端QKD节点的密钥共享，需要在路径上设置中继节点，对在中继节点处对待处理业务进行加解密的操作，然而，量子密钥在源宿节点之间通信的路径中，可能存在多个中间节点，为了节约资源，可以根据密钥生成速率与量子城域通信网络中节点距离之间的关系，在这些中间节点中选择出中继节点和旁路节点，以实现基于量子城域通信网络的路径选择。

实施例一

图1是本发明实施例一提供的基于量子城域通信网络的路径选择的流程示意图，本实施例以该方法应用于终端来举例说明，该终端可以是移动电话，数字广播终端，消息收发设备，游戏控制台，平板设备，医疗设备，健身设备，个人数字助理等，如图1所示，本发明实施例中的方法可以包括：

步骤S101：确定N个距离区间和每个距离区间对应的资源门限值，其中N为大于1的整数。

密钥生成速率随着量子城域通信网络中节点距离的增大而减小，用户可以根据密钥生成速率来确定N个距离区间，其中N为大于1的整数，本发明实施例对N不做具体限制，只要能够满足实际需求即可。图2是本发明实施例一提供的密钥生成速率与节点距离关系的示意图，如图2所示，坐标轴横轴D表示节点距离，坐标轴纵轴V表示密钥生成速率，由图2中的函数图像可以看出，密钥生成速率V随着节点距离D的不断增大而减小，且密钥生成速率V与节点距离D呈非线性关系。在图2中，V1表示节点距离为D1时的密钥生成速率，V2表示节点距离为D2时的密钥生成速率。在相同的距离区间内，可以认为密钥生成速率是均匀的，以该距离区间中的最大节点距离处对应的密钥生成速率为在该距离区间的标准密钥生成速率。

以确定两个距离区间为例，如图2所示，令【0，D1】表示第一个距离区间，【D1，D2】表示第二个距离区间，则第一个距离区间的标准密钥生成速率为V1，第二个距离区间的标准密钥生成速率为V2。本发明实施例对每个距离区间的长度设置方式不做限制，可选的，可以根据节点距离与密钥生成速率之间的关系进行确定，例如，设置第一个距离区间为【0，D1】且节点距离为D1时的密钥生成速率为V1，选取V2＝2V1/3，并确定密钥生成速率为V2时对应的节点距离D2，设置第二个距离区间【D1，D2】。

确定N个距离区间之后，为了实现更合理的路径选择，还需要确定每个距离区间对应的资源门限值，例如，在确定距离区间的过程中，共确定了N个距离区间，则需要确定N个资源门限值，可选地，第一个距离区间对应的是第一资源门限值，第二距离区间对应的是第二资源门限值，第三距离区间对应的是第三资源门限值。第一资源门限值100％，相当于没有限制，除去第一资源门限值以外，其他的资源门限值都是小于100％的数值。在除去第一资源门限值的资源门限值中，第二资源门限值为最大资源门限值，其他距离区间对应的资源门限值都小于第二资源门限值，且随着距离区间的右端点距原点距离的不断增大，其对应的资源门限值越小。本发明实施例对每个距离区间对应的资源门限值的大小不做限制，只要能够满足实际需求即可。示例性的，令N＝5，则共确定了5个距离区间，相应的需要设定5个资源门限值，其中，第一资源门限值为100％，比如第二资源门限值值即最大资源门限值设置为60％，则第三资源门限值可以设置为50％，第四资源门限值可以设置为40％，第五资源门限值可以设定为30％。其中，第N个资源门限值为采用第N个距离区间的标准密钥生成速率Vn在某个路径进行旁路的过程中，未分配该待处理业务前，该路径链路资源的最高资源占用率。通过确定不同的距离区间以及每个区间对应的资源门限值，避免了旁路过多节点导致量子信道资源占用过多，导致量子通信速率过低的问题，实现了对量子城域通信网络的合理资源分配。

步骤S102：针对物理网络拓扑确定N层增强图，其中，N层增强图与N个距离区间一一对应，每层增强图中具有连接关系的两个节点之间的距离小于或等于对应的距离区间的右端点。

网络拓扑是指用传输介质互连各种设备的物理布局，指构成网络的成员间特定的物理的即真实的、或者逻辑的即虚拟的排列方式。针对两个网络，不管它们的物理接线、节点间实际物理距离是否相同，只要这两个网络的连接结构相同，则其网络拓扑相同。物理网络拓扑图是指一个通信网络内部实体的物理实际连接关系。其中，物理网络拓扑可以为多种拓扑形式，本发明实施例对物理网络拓扑的拓扑形式不做限制。在一种可能的实施方式中，图3是本发明实施例一提供的量子城域物理网络拓扑图的示意图，如图3所示，物理网络拓扑图包括多个节点与多条链路，其中，不同的数字表示不同的节点，待处理业务是将数据信息从源节点传输到目的节点，其中，源节点可以是任意一个节点，目的节点可以是除源节点以外的任意一个节点，而在源节点与目的节点之间可能存在中间节点。例如，某待处理业务为将数据信息从节点5传输至节点2，则源节点为节点5，目的节点为节点2，根据不同的传输路径，该业务传输路径可以为5-4-3-2，也可以为5-6-1-2，或者其他路径，只要能够将该业务中的数据信息从节点5传输到节点2即可。以该业务的传输路径为5-4-3-2为例，其中节点4和节点3为中间节点。中间节点可能是中继节点或旁路节点，待处理业务在中继节点需要进行加解密的操作，在旁路节点不需要进行加解密的操作。可选的，确定待处理业务的传输路径，可以根据待处理业务的源节点与目的节点，利用D算法计算出一条最短路由路径。

N层增强图是一种网络拓扑图的表现形式，N层增强图与N个距离区间一一对应，比如，第一个距离区间对应第一层增强图，第二个距离区间对应第二层增强图，依此类推。下面以通过确定两个距离区间，确定两层增强图为例进行介绍确定增强图的方法。

首先确定第一个距离区间和第二个距离区间，如图2所示，【0，D1】表示第一个距离区间，【D1，D2】表示第二个距离区间，然后获取物理网络拓扑中任意节点之间的最短节点距离，在一种可能的实施方式中，获取物理网络拓扑中任意两个节点之间最短节点距离，可以通过D算法路由并计算出物理拓扑中任意两个节点之间的最短节点距离，在获取到任意两个节点之间的最短节点距离之后，将该最短节点距离分别与第一个距离区间和第二个距离区间的右端点进行比较，并将该最短节点距离小于或等于第一距离区间右端点D1的任意两节点之间添加虚拟链路，绘制第一层增强图，将该最短节点距离小于或等于第二距离区间右端点D2的任意两节点之间添加虚拟链路，绘制第二层增强图。第一层增强图中具有连接关系的两个节点之间的节点距离小于或等于D1，第二层增强图中具有连接关系的两个节点之间的节点距离小于或等于D2。

N层增强图中包含节点以及链路，节点是真实的物理节点，链路是虚拟链路，但是有的虚拟链路是覆盖物理链路的。图4是本发明实施例提供的第一层增强图的示意图，图5是本发明实施例提供的第二层增强图的示意图，如图4所示，节点5与节点1之间的最短距离不大于D1，节点4与节点2之间的最短距离不大于D1。如图5所示，节点7与节点5之间、节点9与节点6之间、节点6与节点2之间、节点5与节点3之间、节点6和节点4之间、节点1与节点3之间、节点5和节点1之间以及节点4和节点2之间的最短距离不大于D2。

步骤S103：根据N层增强图、物理网络拓扑以及每个距离区间对应的资源门限值确定待处理业务的路径。根据N层增强图、物理拓扑图以及每个距离区间对应的资源门限值确定待处理业务的路径，可以通过将待处理业务在第N层增强图中进行路由，并将该待处理业务的路径映射到物理网络拓扑中，判断待处理业务映射到物理拓扑中的所有链路中的资源占有率，是否大于第N个距离区间对应的资源门限值，若待处理业务映射到物理拓扑中的所有链路中的资源占有率大于第N个距离区间对应的资源门限值，循环执行：令N＝N-1，将待处理业务在第N层增强图中进行路由，并将该待处理业务的路径映射到物理网络拓扑中，判断待处理业务映射到物理拓扑中的所有链路中的资源占有率，是否大于第N个距离区间对应的资源门限值。直到待处理业务映射到物理拓扑中的所有路径中的资源占有率不大于第N个距离区间对应的资源门限值；若待处理业务映射到物理拓扑中的所有路径中的资源占有率，不大于第N个距离区间对应的资源门限值，则将在第N层增强图中路由路径作为待处理业务的路径，以此循环，直到将待处理业务的路径确定完毕。其中，待处理业务在第N层增强图中路由，待处理业务的路径映射到物理拓扑中，可能包括多条链路，

本方案中，通过确定N个距离区间和每个距离区间对应的资源门限值，其中N为大于1的整数，然后针对物理网络拓扑确定N层增强图，其中，N层增强图与N个距离区间一一对应，每层增强图中具有连接关系的两个节点之间的距离小于或等于对应的距离区间的右端点，最后根据N层增强图、物理网络拓扑以及每个距离区间对应的资源门限值确定待处理业务的路径，实现了基于量子城域通信网络的路径选择，进而节约了大量资源。

为了便于对本发明实施例中如何根据N层增强图、物理网络拓扑以及每个距离区间对应的资源门限值确定待处理业务的路径进行介绍，下面以在上述实施中设置的两个增强图中，针对两个待处理业务进行路径选择为例进行介绍，对待处理业务的密钥需求量的表示，可以通过待处理业务以最大速率进行量子密钥生成所需的时间片数目来表示，其中，时间片表示一个特定的时间长度，例如，假定一个时间片代表的时间为1s，如果某待处理业务以最大速率进行量子密钥生成需要3s，那么该待处理业务以最大速率进行量子密钥生成需要3个时间片。其中，以相同速率进行量子密钥生成所需要的时间片越多，则表示待处理业务的密钥需求量越大。其中待处理业务1为(4，2，6)，(4，2，6)表示源节点为4，目的节点为2，使用最大速率进行量子密钥生成需要6个时间片；待处理业务2为(7，3，2)，(7，3，2)表示源节点为7，目的节点为3，使用最大速率进行量子密钥生成需要2个时间片，以下实施例以每条链路最多有10个时间片可以分配为例进行说明。

实施例二

在实施例一的基础上，进一步地，对上述步骤S103进行说明：

可选的，图6是本发明实施例二提供的基于量子城域通信网络的路径选择的流程示意图，如图6所示，步骤S103包括如下步骤S1至步骤S4：

步骤S1：在第N层增强图中确定待处理业务对应的最短路径，最短路径包括至少一个最短子路径，每个最短子路径中不存在中继节点。

在基于量子城域通信网络中可能存在多个待处理业务，针对每个待处理业务都根据N层增强图、物理网络拓扑以及每个距离区间对应的资源门限值确定待处理业务的路径，本发明实施例对多个待处理业务的处理顺序不做限制，优选的，对多个待处理业务根据对密钥需求量从大到小进行排序，并优先对密钥需求量比较大的待处理业务进行路径选择。示例性的，比较待处理业务1(4，2，6)与待处理业务2(7，3，2)的密钥需求量，其中，(4，2，6)表示源节点为4，目的节点为2，使用最大速率进行量子密钥生成需要6个时间片；(7，3，2)表示源节点为7，目的节点为3，使用最大速率进行量子密钥生成需要2个时间片。待处理业务1的密钥需求量比待处理业务2的密钥需求量大，优先处理待处理业务1。

确定了待处理业务之后，将待处理业务在第N层增强图中确定待处理业务的最短路径，具体的，可以将该待处理业务在第N层增强图中通过D算法路由，得到待处理业务的最短路径。在第N层增强图中确定的待处理业务对应的最短路径，包括至少一个最短子路径，最短子路径是指在第N层增强图中相邻节点之间的链路，每个最短子路径中不存在中继节点。

示例性的，针对待处理业务1，在第二层增强图中通过D算法路由，得到待处理业务1的最短路径4-2；最短路径4-2中存在一个最短子路径4-2，在4-2的路径中，不存在中继节点，节点3可能被旁路；针对待处理业务2，在第二层增强图中通过D算法路由，得到待处理业务2的最短路径7-5-3，最短路径7-5-3中存在两个最短子路径7-5和5-3，最短子路径7-5之间以及5-3之间不存在中继节点，节点6和节点4可能被旁路。步骤S2：确定每个最短子路径在物理网络拓扑对应的目标路径，其中，最短子路径和目标路径具有相同的源节点和目的节点。针对步骤S1中确定的最短子路径，在物理网络拓扑中确定其对应的目标路径，例如，待处理业务1的最短子路径4-2在物理网络拓扑中对应的目标路径为4-3-2，最短子路径4-2和目标路径4-3-2具有相同的源节点4和目的节点2；类似的，待处理业务2的最短子路径7-5和5-3在物理网络拓扑中对应的目标路径分别为7-6-5和5-4-3，最短子路径7-5和目标路径7-6-5具有相同的源节点7和目的节点5，最短子路径5-3和目标路径5-4-3具有相同的源节点5和目的节点3。

步骤S3：在N个距离区间中确定最短子路径的距离所属的距离区间以及最短子路径的距离所属的距离区间对应的资源门限值，并确定目标路径中包括的所有路径的资源占用率总和。

由图4和图5可以看出，待处理业务1中的最短子路径为4-2，其中节点4到节点2之间的距离属于第一个距离区间，在第一个距离区间内没有资源门限值，待处理业务2中的最短子路径为7-5和5-3，由图5可以看出，节点7到节点5以及节点5到节点3之间的距离都属于第二个距离区间，在第二个距离区间内的资源门限值为第二资源门限值。

目标路径中包括的路径的资源占用率总和是指所有正在处理业务对目标路径中该路径的资源占用率的总和。目标路径中包括的所有路径是指待处理业务的最短子路径映射到物理拓扑中的所有链路。例如，目前的待处理业务为待处理业务2，正在处理业务为任务1，则正在处理业务1在该路径的资源占用率即该路径的资源占用率总和，再例如，目前的待处理业务为待处理业务5，正在处理业务为正在处理业务1、正在处理业务2、正在处理业务3和正在处理业务4，则该路径的资源占用率总和为正在处理业务1、正在处理业务2、正在处理业务3和正在处理业务4在该路径中的资源占用率的和。若待处理业务的最短子路径映射到物理网络拓扑中的目标路径包括多条路径，例如待处理业务2中的最短子路径7-5，映射到物理网络拓扑中的所有路径包括7-6和6-5，则计算路径的资源占用率总和需要分别计算所有正在处理业务在路径7-6的资源占用率总和以及在路径6-5的资源占用率总和。

示例性的，由于本发明实施例中的待处理业务1不受资源门限值的限制，以本发明实施例中待处理业务2中的最短子路径为例，确定目标路径中包括的所有路径的资源占用率总和，其中，待处理业务1已经完成处理。待处理业务2中的最短子路径7-5的目标路径为路径7-6-5，目标路径7-6-5中的所有路径为7-6和6-5，分别计算待处理业务1在路径7-6的资源占用率总和以及路径6-5的资源占用率总和。由于待处理业务1的目标路径为4-3-2，并未经过路径7-6和6-5，因此，路径7-6的资源占用率总和以及路径6-5的资源占用率总和均为零。待处理业务2中的最短子路径5-3的目标路径为路径5-4-3，目标路径5-4-3中的所有路径为5-4和4-3，分别计算待处理业务1在路径5-4的资源占用率总和以及路径4-3的资源占用率总和，由于待处理业务1的目标路径为4-3-2，并未经过路径5-4，因此，路径5-4的资源占用率总和为零，由于待处理业务1的目标路径中存在路径4-3，因此，需要计算待处理业务1在路径4-3中的资源占用率。

可选的，确定目标路径中包括的所有路径的资源占用率总和，包括：

确定目标路径的每条路径占用的资源量，以及，每条路径对应的总资源量；计算每条路径占用的资源量与总资源量的比值，并对所有比值求和，得到目标路径中包括的所有路径的资源占用率总和。分别计算一个或多个正在处理业务在目标路径的每条路径占用的资源量，对每条路径占用的资源量可依据时间片来计算。其中，依据时间片来确定每条路径占用的资源量，不仅需要考虑密钥需求量，还需要考虑密钥生成速率。例如，某待处理业务的密钥需求量为以最大速率生成密钥需要2个时间片，则该待处理业务的密钥需求量还可以为以最大速率的一半的速率生成密钥需要4个时间片，以此类推。每条路径对应的最多可分配的时间片作为每条路径对应的总资源量，计算每个正在处理业务中每条路径占用的资源量与总资源量的比值，并对所有的比值求和，得到目标路径中包括的所有路径的资源占用率总和。或者通过计算所有正处理业务在某路径占用的资源量之和与该条路径的总资源量之比，来计算该路径的资源占用率总和。本发明实施例对计算资源占用率总和的具体方式不做限制。

示例性的，由于待处理业务1的最短子路径的距离属于第一距离区间，因此，待处理业务1的密钥生成速率为最大速率V1，需要6个时间片，因此，待处理业务1的目标路径4-3-2的路径4-3和路径3-2占用的资源量为6个时间片，每条路径对应的总资源量为10个时间片，因此，待处理业务1在路径4-3中的资源占用率为60％，在路径3-2中的资源占用率为60％。

步骤S4：若资源占用率总和小于或等于最短子路径的距离所属的距离区间对应的资源门限值，则将最短子路径作为待处理业务的路径。

若待处理业务的最短子路径映射到物理网络拓扑中的目标路径包括多条路径，例如待处理业务2中的最短子路径7-5，映射到物理网络拓扑中的所有路径包括7-6和6-5，则资源占用率总和有两个，分别是路径7-6的资源占用率总和以及路径6-5的资源占用率总和。在与最短子路径的距离所属的距离区间对应的资源门限值进行比较时，选择在目标路径中所有路径的资源占用率总和之间，比例值最大的资源占用率总和与最短子路径的距离所属的距离区间对应的资源门限值进行比较。示例性的，待处理业务1的最短子路径4-2的距离所属的距离区间不受资源门限值的限制，因此，最短子路径4-2作为待处理业务1的路径，其中，节点3旁路。图7是本发明实施例中待处理业务1的资源分配示意图，如图7所示，待处理业务在路径4-3和路径3-2中分别占用6个时间片。

待处理业务2中的最短子路径7-5中的目标路径7-6-5的所有路径7-6和7-5的资源占用率均为零，都小于最短子路径的距离所属的第二个距离区间对应的第一资源门限值50％，因此，最短子路径7-5作为待处理业务2的路径，其中，节点6旁路。另外，由于最短子路径的距离所属第二个距离区间，因此，待处理业务2在最短子路径7-5中的密钥生成速率为V2。以V1＝3*V2/2为例，由于待处理业务2的密钥需求量为以最大速率V1生成密钥需要2个时间片，因此，待处理业务2的密钥需求量以速率V2生成密钥需要3个时间片。图8是本发明实施例中待处理业务2的资源分配示意图，如图8所示，待处理业务2在路径7-6和路径6-5中分别占用3个时间片。可选的，针对资源占用率总和大于最短子路径的距离所属的距离区间对应的资源门限值的情况，如图6所示，路径选择方法还包括：

步骤S5：若资源占用率总和大于最短子路径的距离所属的距离区间对应的资源门限值，则在第N-1层增强图中确定最短子路径对应的最短路径，并针对最短子路径对应的最短路径所包括的最短子路径执行步骤S2至步骤S5，直至将待处理业务的路径确定完毕。

若资源占用率总和大于最短子路径的距离所属的距离区间对应的资源门限值，则在第N-1层增强图中确定最短子路径对应的最短路径，并针对最短子路径对应的最短路径包括的最短子路径执行上述步骤S2-S5，直到待处理业务的路径确定完毕。由于首先从第N个增强图开始路由，逐渐的在第N-1个增强图、第N-2个增强图等中进行路径选择，直到待处理业务的路径确定完毕，提高了旁路节点数量，节约了大量的资源，由于对资源分配时设定资源门限值，合理的处理好了旁路策略与量子信道资源占用问题。

示例性的，待处理业务2的最短子路径5-3，其目标路径中为5-4-3中的路径5-4的资源占用率总和为0％，路径4-3的资源占用率总和为60％，其中，最大的资源占用率总和为路径4-3的资源占用率总和60％，大于待处理业务2的最短子路径5-3的距离所属的第二个距离区间对应的第一资源门限值50％，则在第一层增强图中确定最短子路径对应的最短路径。

在第一层增强图中，待处理业务2的最短子路径5-3对应的最短路径为5-4-3，该最短路径包括的最短子路径为5-4和4-3，在最短子路径5-4和4-3中不存在中继节点。最短子路径5-4和4-3在物理网络拓扑中对应的目标路径分别为5-4和4-3，没有节点被旁路。考虑到路径5-4和路径4-3的距离所属的距离区间为第一个距离区间，则待处理业务2在路径5-4-3中的密钥生成速率为V1，需要的时间片为两个。如图8所示，待处理业务2在路径5-4和路径4-3中分别占用了两个时间片。在上述实施例中，待处理业务1在节点3旁路，量子密钥在从源节点4传输至目的节点2的过程中，经过节点3时，不进行加解密操作。待处理业务2在节点6处旁路，量子密钥的传输路径为7-6-5-4-3，其中，中继节点为节点5和节点4，在节点6处不进行加解密操作。在同一个节点，针对不同的待处理业务，可能被旁路，也有可能不被旁路，节点为了实现不同的功能，可选的，本发明实施例提供的一种基于量子城域通信网络的路径选择方法，还包括：向节点发送指示消息，指示消息用于指示待处理业务的路径。

若在待处理业务中，某节点被旁路，则向该节点发送指示消息，用于指示待处理业务在该节点直接通过直连链路通过，若在待处理业务中，某节点未被旁路，则向该节点发送指示消息，用于指示待处理业务在该节点进行加解密处理。

本发明实施例中，由于通过在第N层增强图中确定最短子路径的距离所属的距离区间对应的资源门限值与目标路径中包括的所有路径的资源占用率总和相比较，确定待处理业务的路径，避免了旁路过多节点导致量子信道资源占用过多，进而使量子通信速率过低的问题，实现了对量子城域通信网络的合理资源分配。

实施例三

在上述实施例一或实施例二中，量子城域通信网络中的节点可以采用支持旁路的节点，图9是本发明实施例三提供的支持旁路的节点结构示意图，如图9所示，支持旁路的节点包括：复用解复用模块81、光开关调节模块82、光量子收发模块83以及数据处理模块84，其中，复用解复用模块81通过波分复用器和波分解复用器，实现合波与分波，光开关调节模块82根据控制器传过来的信息，判断在特定待处理业务的时间片时，该波长的待处理业务是通过旁路侧还是量子收发模块，其中，当该波长的待处理业务在该节点为被旁路节点，则将光开关拨向旁路侧，不进行加解密的工作，当该波长的待处理业务在该节点未被旁路，则光开关拨向量子收发模块，光量子收发模块83实现通过量子收发机实现对量子的接收与发射，数据处理模块84完成对QKD协议中的数据处理操作。其中，数据处理操作包括若该节点为中继节点则对待处理业务进行加解密工作之后，传输至光量子收发模块83进而通过光开关调节模块82以及复用解复用模块81传输至下一个节点，若该节点为目的节点则不再传输至下一个节点。

为了实现对量子节点的控制，量子节点拥有软件定义网络(Software DefinedNetwork，SDN)的控制器的接口，图10是本发明实施例三提供的基于SDN控制器的QKD架构，如图10所示，SDN控制器92的北向接口与应用层91连接，用于接收应用层91发送的控制指令，SDN控制器92的南向接口与QKD层93中支持OpenFlow协议的量子节点接口连接，用于向QKD层93中每个节点发送指示消息，指示待处理业务在节点处是否进行加解密操作。其中，SDN控制器92的北向接口采用ResfulAPI，南向接口采用OpenFlow。

本发明实施例中，通过在量子城域通信网络中采用支持旁路的节点，实现了对旁路节点的旁路，进而不需要在旁路节点加解密操作，节约了大量的资源。由于可以通过SDN控制器控制待处理业务在某节点的传输路径，实现了基于量子城域通信网络的路径选择。

实施例四

本发明实施例还提供一种基于量子城域通信网络的路径选择装置，图11是本申请一实施例提供的基于量子城域通信网络的路径选择装置的示意图，本实施例以该装置应用于终端来举例说明，该终端可以是移动电话，数字广播终端，消息收发设备，游戏控制台，平板设备，医疗设备，健身设备，个人数字助理等，如图11所示，本申请实施例提供的基于量子城域通信网络的路径选择装置包括：

第一确定模块21，用于确定N个距离区间和每个距离区间对应的资源门限值，其中N为大于1的整数；第二确定模块22，还用于针对物理网络拓扑确定N层增强图，其中，N层增强图与N个距离区间一一对应，每层增强图中具有连接关系的两个节点之间的距离小于或等于对应的距离区间的右端点；第三确定模块23，还用于根据N层增强图、物理网络拓扑以及每个距离区间对应的资源门限值确定待处理业务的路径。

可选的，第三确定模块23具体用于：

步骤S1：在第N层增强图中确定待处理业务对应的最短路径，最短路径包括至少一个最短子路径，每个最短子路径中不存在中继节点；

步骤S2：确定每个最短子路径在物理网络拓扑对应的目标路径，其中，最短子路径和目标路径具有相同的源节点和目的节点；

步骤S3：在N个距离区间中确定最短子路径的距离所属的距离区间以及最短子路径的距离所属的距离区间对应的资源门限值，并确定目标路径的中包括的所有路径的资源占用率总和；

步骤S4：若资源占用率总和小于或等于最短子路径的距离所属的距离区间对应的资源门限值，则将最短子路径作为待处理业务的路径。

可选的，第三确定模块23还用于：

步骤S5：若资源占用率总和大于最短子路径的距离所属的距离区间对应的资源门限值，则在第N-1层增强图中确定最短子路径对应的最短路径，并针对最短子路径对应的最短路径所包括的最短子路径执行步骤S2至步骤S5，直至将待处理业务的路径确定完毕。

可选的，第三确定模块23还用于：

确定目标路径的每条路径占用的资源量，以及，待处理业务对应的总资源量；计算每条路径占用的资源量与总资源量的比值，并对所有比值求和，得到目标路径的中包括的所有路径的资源占用率总和。

可选的，本发明实施例体用的一种基于量子城域通信网络的路径选择装置，还包括：

发送模块24，用于向中继节点发送指示消息，指示消息用于指示待处理业务的路径。

本申请实施例提供的基于量子城域通信网络的路径选择装置可用于执行上述的基于量子城域通信网络的路径选择方法，其内容和效果可参考方法部分，本申请实施例对此不做限制。

实施例五

本发明实施例提供一种终端设备，图12是本发明一实施例提供的终端设备的结构示意图，如图12所示，本发明提供的终端设备包括处理器31和存储器32，存储器32用于存储计算机可执行指令，以使处理器31执行指令实现上述的基于量子城域通信网络的路径选择方法，其内容和效果可参考方法部分，本发明实施例对此不做限制。

实施例六

本发明实施例提供一种计算机存储介质，存储介质包括计算机指令，当指令被计算机执行时，使得计算机实现上述基于量子城域通信网络的路径选择方法，其内容和效果可参考方法部分，本发明实施例对此不做限制。

实施例七

本发明实施例提供一种计算机程序产品，包括计算机指令，当指令被计算机执行时，使得计算机实现上述基于量子城域通信网络的路径选择方法，其内容和效果可参考方法部分，本发明实施例对此不做限制。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种基于量子城域通信网络的路径选择方法，其特征在于，包括：

确定N个距离区间和每个距离区间对应的资源门限值，其中N为大于1的整数；

针对物理网络拓扑确定N层增强图，其中，所述N层增强图与所述N个距离区间一一对应，每层增强图中具有连接关系的两个节点之间的距离小于或等于对应的距离区间的右端点；

根据所述N层增强图、所述物理网络拓扑以及所述每个距离区间对应的资源门限值确定待处理业务的路径；

所述根据所述N层增强图、所述物理网络拓扑以及所述每个距离区间对应的资源门限值确定所述待处理业务的路径，包括：

步骤S1：在第N层增强图中确定所述待处理业务对应的最短路径，所述最短路径包括至少一个最短子路径，每个最短子路径中不存在中继节点；

步骤S2：确定每个所述最短子路径在所述物理网络拓扑对应的目标路径，其中，所述最短子路径和所述目标路径具有相同的源节点和目的节点；

步骤S3：在所述N个距离区间中确定所述最短子路径的距离所属的距离区间以及所述最短子路径的距离所属的距离区间对应的资源门限值，并确定所述目标路径中包括的所有路径的资源占用率总和；

步骤S4：若所述资源占用率总和小于或等于所述最短子路径的距离所属的距离区间对应的资源门限值，则将所述最短子路径作为所述待处理业务的路径；

还包括：

步骤S5：若所述资源占用率总和大于所述最短子路径的距离所属的距离区间对应的资源门限值，则在第N-1层增强图中确定所述最短子路径对应的最短路径，并针对所述最短子路径对应的最短路径所包括的最短子路径执行步骤S2至步骤S5，直至将所述待处理业务的路径确定完毕。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定所述目标路径中包括的所有路径的资源占用率总和，包括：

确定所述目标路径的每条路径占用的资源量，以及，所述待处理业务对应的总资源量；

计算所述每条路径占用的资源量与所述总资源量的比值，并对所有比值求和，得到所述目标路径中包括的所有路径的资源占用率总和。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

向中继节点发送指示消息，所述指示消息用于指示所述待处理业务的路径。

4.一种基于量子城域通信网络的路径选择装置，其特征在于，包括：

第一确定模块，用于确定N个距离区间和每个距离区间对应的资源门限值，其中N为大于1的整数；

第二确定模块，用于针对物理网络拓扑确定N层增强图，其中，所述N层增强图与所述N个距离区间一一对应，每层增强图中具有连接关系的两个节点之间的距离小于或等于对应的距离区间的右端点；

第三确定模块，用于根据所述N层增强图、所述物理网络拓扑以及所述每个距离区间对应的资源门限值确定待处理业务的路径；

所述第三确定模块具体用于：

步骤S1：在第N层增强图中确定所述待处理业务对应的最短路径，所述最短路径包括至少一个最短子路径，每个最短子路径中不存在中继节点；

步骤S2：确定每个所述最短子路径在所述物理网络拓扑对应的目标路径，其中，所述最短子路径和所述目标路径具有相同的源节点和目的节点；

步骤S3：在所述N个距离区间中确定所述最短子路径的距离所属的距离区间以及所述最短子路径的距离所属的距离区间对应的资源门限值，并确定所述目标路径中包括的所有路径的资源占用率总和；

步骤S4：若所述资源占用率总和小于或等于所述最短子路径的距离所属的距离区间对应的资源门限值，则将所述最短子路径作为所述待处理业务的路径；

所述第三确定模块还用于：

步骤S5：若所述资源占用率总和大于所述最短子路径的距离所属的距离区间对应的资源门限值，则在第N-1层增强图中确定所述最短子路径对应的最短路径，并针对所述最短子路径对应的最短路径所包括的最短子路径执行步骤S2至步骤S5，直至将所述待处理业务的路径确定完毕。

5.一种终端设备，其特征在于，包括处理器和存储器；

所述存储器用于存储计算机可执行指令，以使所述处理器执行所述指令实现如权利要求1至3中任一项权利要求所述的基于量子城域通信网络的路径选择方法。

6.一种计算机存储介质，其特征在于，所述存储介质包括计算机指令，当所述指令被计算机的处理器执行时，使得所述计算机实现如权利要求1至3中任一项权利要求所述的基于量子城域通信网络的路径选择方法。

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