CN109921901B - 量子秘钥分发与ptn设备融合装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种量子秘钥分发与PTN设备融合装置及控制方法。量子秘钥分发与PTN设备融合装置，由系统控制器、高速切换模块、光通信分系统、量子分系统和显示模块组成，量子秘钥分发与PTN设备融合装置的控制方法，按照量子分系统和光通信分系统的业务优先级高低，决定量子分系统和光通信分系统的工作状态进行光通信业务的传输。本发明减少铺设光纤资源，节约工程成本，极大提高了应用性，并拓宽量子秘钥分发系统的应用场景，利于工程实际应用，能够应用于对数据传输带宽高且安全性要求高等业务需求场景，具有广泛的市场应用前景。

Description

量子秘钥分发与PTN设备融合装置及控制方法

技术领域

本发明属于光通信传输技术领域，特别是涉及一种量子秘钥分发与PTN设备融合装置及控制方法。

背景技术

量子通信被理论上证明具有绝对安全。量子秘钥分发系统由于其利用单光子传输，因此对传输信道的隔离度具有很高的要求，导致目前所采用的量子保密通信网都是单独铺设光纤，并利用可信节点进行中继传输，量子通信系统与光通信系统不能有效融合，不利于利用已有的光纤资源实现工程应用。

随着通信业务量的不断增加，数据带宽不断加大，现有通信技术已经不能很好地满足现今通信需求的发展速度，PTN技术应运而生。PTN是以分组为传送单位，承载电信级以太网业务为主，兼容TDM、ATM和IP等各种业务的综合传送技术；基于分组架构继承了MSTP的运用维护理念，融合了MSTP和MPLS的双重优点，是下一代网络中分组业务主要的承载技术。PTN继承了SDH/MSTP技术的所有优势，是一种大带宽技术，单端口可实现100GE和400GE，与MSTP的10G大带宽相比带宽大幅提升；PTN分组交换的统计复用技术、层次化的QoS技术实现了分组软硬管道技术，可实现数据业务承载统计复用的高效性，以及关键价值业务的刚性承载体验。PTN具有50ms保护功能，使通信系统具有很高的可靠性。PTN采用MPLS-TP，是面向连接的组网技术，端到端的组网方式更便于处理连接问题，同时也能组成其他较复杂的传输业务网络。PTN容量大、分组化、高可靠性的优势决定了其拥有广阔的发展和应用空间。PTN技术主要用于传输网汇聚层和接入层。

现有的量子通信系统都是借助单独铺设光纤或者商业的暗光纤等，这对于实际工程应用具有很大的不便性，未来想要普及量子通信走进千家万户，必须设计一种利于高速光通信融合传输的应用系统。

当前，量子秘钥分发技术主要利用单光子为载体实现秘钥的传输与分发，因此，导致系统要求准单光子状态实现系统传输，例如采用波长λ=600nm的光源，其单光子能量约为3.3×10^-19焦耳，但通常为了得到更理想的单光子数，通常系统探测低于单光子能量，这些无疑会导致秘钥传输距离和传输速率受到很大的限制，目前虽然采用低温超导探测技术可以实现高探测效率，但传输系统受到限制；并且由于单光子的抗干扰性很差，因此通常系统达不到高隔离度的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种量子秘钥分发与PTN设备融合装置及控制方法，解决了现有技术中量子通信系统通常需要单独铺设光纤或者商业暗光纤才能实现工程应用以及秘钥传输距离和传输速率受到限制和传输系统受到限制以及系统达不到高隔离度的要求的问题。

本发明所采用的技术方案是，量子秘钥分发与PTN设备融合装置，由系统控制器、高速切换模块、光通信分系统、量子分系统和显示模块组成；

所述系统控制器分别与光通信分系统、量子分系统、高速切换模块双向信号连接，所述系统控制器与显示模块信号单向信号连接。

进一步的，所述系统控制器，用于控制光通信分系统和量子分系统的工作、高速切换模块的切换以及显示模块的显示；

所述高速切换模块，用于控制量子分系统的工作模式或者光通信分系统工作模式的快速切换；

所述光通信分系统，由两台PTN设备组成，用于实现两台PTN设备间的点对点光通信业务传输；

所述量子分系统，由量子发射端机、量子接收端机和量子秘钥服务器组成，用于实现量子秘钥的生成、存储和分发工作；

所述显示模块，用于显示量子秘钥分发与PTN设备融合装置的开关机状态，光通信分系统和量子分系统的实时工作状态，并记录光通信分系统和量子分系统的工作参数。

进一步的，所述量子接收端机中的量子探测器加装半导体低温制冷装置。

进一步的，所述高速切换模块选用纳秒级的高速光开关。

本发明所采用的另一种技术方案是，量子秘钥分发与PTN设备融合装置的控制方法，具体按照以下步骤进行：

步骤S1、量子秘钥分发与PTN设备融合装置开机，初始化量子秘钥分发与PTN设备融合装置；

步骤S2、按照量子分系统和光通信分系统的业务优先级高低，决定量子分系统和光通信分系统的工作状态；若量子分系统业务优先级为最低，则光通信分系统进入待机状态，量子分系统进入工作状态即开始生成量子秘钥并保存到量子秘钥服务器；显示模块显示光通信分系统待机、量子分系统工作；

步骤S3、查询量子秘钥分发与PTN设备融合装置是否关机，如果关机则结束，如果不关机，则进入步骤S4；

步骤S4、系统控制器对量子分系统的业务传输申请优先级进行实时查询，如果没有高优先级状态业务请求，则保持步骤S2现有状态不变；如果有高优先级业务申请，则进入步骤S5；

步骤S5、量子秘钥分发与PTN设备融合装置中断保护，系统控制器对当前业务进行中断并采取中断保护措施，并控制高速切换模块立即响应高优先级业务切换操作并进入步骤S6；

步骤S6、量子分系统待机，光通信分系统开始工作；

步骤S7、查询量子秘钥分发与PTN设备融合装置是否关机，如果关机，则结束；如果不关机，则进入步骤S8；

步骤S8、系统控制器对光通信分系统的业务传输申请优先级进行实时查询，如果没有高优先级状态业务请求，则执行步骤S14；如果有高优先级光通信业务申请，则进入步骤S9；

步骤S9、系统控制器进行二次中断响应，并启动二次中断保护；

步骤S10、系统控制器响应步骤S8中最高优先级别的光通信业务，进行业务传输；

步骤S11、查询量子秘钥分发与PTN设备融合装置是否关机，如果关机，则结束；如果不关机，则进入步骤S12；

步骤S12、查询二次中断后的最高优先级别的光通信业务是否完成，如果未完成，跳转到步骤S10；如果完成，则进入步骤S13；

步骤S13、完成更高级别的业务传输后，则光通信分系统恢复中断，回到二次中断前状态，即进入步骤S6；

步骤S14、根据步骤S8中系统控制器查询到无更高级业务申请，则判断量子秘钥分发与PTN设备融合装置首次中断业务传输工作是否结束，如果尚未结束，则进入步骤S6继续进行光通信分系统业务传输；如果已经结束，则进入步骤S15；

步骤S15、量子秘钥分发与PTN设备融合装置恢复中断，回到切换前状态，返回到步骤S2，即光通信分系统业务进入待机状态，量子分系统开始进入工作状态，生成量子秘钥并保存。

本发明的有益效果是，本发明设计一种量子秘钥分发与PTN设备融合装置，实现光通信系统与量子秘钥分发系统能够利用单纤实现融合传输，减少铺设光纤资源，节约工程成本，极大提高了应用性，并拓宽量子秘钥分发系统的应用场景，利于工程实际应用。由于量子秘钥分发与PTN设备融合装置兼具数据高速传输和安全加密的优点，因此能够应用于对数据传输带宽高且安全性要求高等业务需求场景，具有广泛的市场应用前景。

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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是量子秘钥分发与PTN设备融合装置的控制原理示意图。

图2是量子秘钥分发与PTN设备融合装置的系统组成示意图。

图3是量子秘钥分发与PTN设备融合装置的控制方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

量子秘钥分发与PTN设备融合装置的简化原理示意图如图1所示，由系统控制器、高速切换模块、光通信分系统、量子分系统和显示模块组成；系统控制器分别与光通信分系统、量子分系统、高速切换模块双向信号连接，系统控制器与显示模块信号单向信号连接；

系统控制器，用于控制光通信分系统和量子分系统的工作、高速切换模块的切换以及显示模块的显示，采用“DSP+FPGA”即数字信号处理和现场可编程门阵列相结合的方式实现对量子秘钥分发与PTN设备融合装置的控制，系统控制器直接决定了量子秘钥分发与PTN设备融合装置的工作效率和可靠性；系统控制器将量子秘钥分发与PTN设备融合装置的工作状态在显示模块中实时显示，量子秘钥分发与PTN设备融合装置的工作状态表示目前工作中的分系统类型及工作状态及其工作参数；

高速切换模块，用于控制量子分系统的工作模式或者光通信分系统工作模式的快速切换；由于量子秘钥分发与PTN设备融合装置中传输速率限制，必须选定高速的切换装置才能提高系统的工作效率，所选用高速光开关需要达到纳秒级的切换速度；

光通信分系统，由两台PTN设备组成，用于实现两台PTN设备间的点对点光通信业务传输；工作时在系统控制器的控制下完成对光通信分系统的开关控制，量子秘钥分发与PTN设备融合装置初始上电时光通信分系统工作状态为待机，光通信分系统的工作状态通过显示模块进行实时显示，光通信分系统根据量子秘钥分发与PTN设备融合装置的业务优先级来判定是否待机或工作，当光通信分系统具有较高优先级时，光通信分系统工作状态切换为待机状态，量子分系统进入工作状态；

量子分系统，由量子发射端机、量子接收端机和量子秘钥服务器组成，用于实现量子秘钥的生成、存储和分发工作；工作时由系统控制器控制量子分系统的开关，量子秘钥分发与PTN设备融合装置初始上电时量子分系统工作状态为工作状态，量子分系统工作状态通过显示模块进行实时显示，当量子秘钥分发与PTN设备融合装置初始工作后，量子分系统出现高优先级需求时，量子分系统首先进行切换为待机工作模式，然后光通信分系统进入工作状态，显示模块显示为量子分系统为待机状态；光通信分系统为工作状态；为了能够提高生成量子秘钥的效率，一方面通过提高量子分系统的工作频率，另一方面对量子接收端机中的量子探测器加装半导体低温制冷装置，以提高探测器的探测效率进而提高量子秘钥的生成效率；

显示模块，用于显示量子秘钥分发与PTN设备融合装置的开关机状态，光通信分系统和量子分系统的实时工作状态，并记录光通信分系统和量子分系统的工作参数，便于控制人员了解量子秘钥分发与PTN设备融合装置的工作状态。

量子秘钥分发与PTN设备融合装置系统组成示意如图2所示，系统控制器记为C，显示模块记为D，U1、U2记为使用用户，量子分系统由量子端机A1、B1和量子秘钥服务器A2、B2组成，量子端机由量子发射端机和量子接收端机组成，光通信分系统由PTN设备端机P1和P2组成，高速切换模块由高速光开关K1和K2组成，图2中光纤链路代表量子秘钥分发与PTN设备融合装置的共用光纤，光纤链路用来连接K1和K2。量子秘钥分发与PTN设备融合装置能够根据需要实现双向的业务传输。

量子秘钥分发与PTN设备融合装置利用共用的单光纤链路承载量子分系统和光通信分系统的业务传输，一方面满足用户对量子秘钥的存储和使用要求，一方面也可满足用户对高速光通信传输业务的需求。为了保证对量子分系统的高隔离度，利用光纤传输业务时采用时分复用的方式，保证光通信分系统和量子分系统在工作时不会相互影响。为了提高量子秘钥分发与PTN设备融合装置中量子分系统的成码率，需要选择工作时钟频率高的量子分系统，同时有效利用PTN网内保护倒换时间小于50ms的特性，极大保证光通信传输在切换时不出现业务错误。量子分系统与光通信分系统利用高速切换模块实现在单光纤上的业务传输快速切换，切换利用一种业务优先级机制，对光通信分系统和量子分系统中的量子秘钥分发与光通信的各类业务进行分级，即对光通信分系统的各种业务根据用户的需求进行优先级的预先设定，同时对量子分系统也设定传输优先级，各类业务在传输中严格遵守高优先级业务优先传输的约定，系统控制器通过高优先级业务的选择传输，进而根据需要控制量子分系统与光通信分系统的切换，同时，为了保证业务的传输，需要严格控制高速切换模块的工作时间，即切换时间要尽可能短，保证业务在切换中不会影响QoS，高速切换模块中根据实际情况选择了纳秒级的高速光开关以实现切换时间短的要求。

为了保证量子秘钥分发与PTN设备融合装置的QoS，根据应用需求定义光通信分系统中传输业务（如话音、视频、图像等）的优先级R_i，其中，i=0，1，2…n，i越小，R_i越高，同时对量子分系统也设定相同的优先级R_j，其中j为0，1，2…n任意一位数，通常，各类业务的优先级设定需要根据客户的要求进行预先设置。

量子秘钥分发与PTN设备融合装置工作时系统控制器会实时查询光通信分系统和量子分系统两分系统的优先级状态，对传输业务进行选择，具有高级别的优先级业务出现，系统控制器会立刻响应，并进行当前业务暂停保护，并同时进行高优先级业务切换操作，保证高优先级业务的尽快实现。系统控制器会采取一种业务排队策略，当高优先级业务执行完毕后，则会继续执行相对较高级别的业务，利用优先级排队策略进行业务的传输。

量子秘钥分发与PTN设备融合装置的控制方法，如图3所示，具体按照以下步骤进行：

步骤S1、量子秘钥分发与PTN设备融合装置开机，初始化量子秘钥分发与PTN设备融合装置；

步骤S2、按照量子分系统和光通信分系统的业务优先级高低，决定量子分系统和光通信分系统的工作状态；若量子分系统业务优先级为最低，则光通信分系统进入待机状态，量子分系统进入工作状态，即开始生成量子秘钥并保存到量子秘钥服务器；显示模块显示光通信分系统待机、量子分系统工作；

步骤S3、查询量子秘钥分发与PTN设备融合装置是否关机，如果关机则结束，如果不关机，则进入步骤S4；

步骤S4、系统控制器对量子分系统的业务传输申请优先级进行实时查询，如果没有高优先级状态业务请求，则保持步骤S2现有状态不变；如果有高优先级业务申请，则进入步骤S5；

步骤S5、量子秘钥分发与PTN设备融合装置中断保护，系统控制器对当前业务进行中断并采取中断保护措施，并控制高速切换模块立即响应高优先级业务切换操作并进入步骤S6；

步骤S6、量子分系统待机，光通信分系统开始工作；

步骤S7、查询量子秘钥分发与PTN设备融合装置是否关机，如果关机，则结束；如果不关机，则进入步骤S8；

步骤S8、系统控制器对光通信分系统的业务传输申请优先级进行实时查询，如果没有高优先级状态业务请求，则执行步骤S14；如果有高优先级光通信业务申请，则进入步骤S9；

步骤S9、系统控制器进行二次中断响应，并启动二次中断保护；

步骤S10、系统控制器响应步骤S8中最高优先级别的光通信业务，进行业务传输；

步骤S11、查询量子秘钥分发与PTN设备融合装置是否关机，如果关机，则结束；如果不关机，则进入步骤S12；

步骤S12、查询二次中断后的最高优先级别的光通信业务是否完成，如果未完成，跳转到步骤S10；如果完成，则进入步骤S13；

步骤S13、完成更高级别的业务传输后，则光通信分系统恢复中断，回到二次中断前状态，即进入步骤S6；

步骤S14、根据步骤S8中系统控制器查询到无更高级业务申请，则判断量子秘钥分发与PTN设备融合装置首次中断业务传输工作是否结束，如果尚未结束，则进入步骤S6继续进行光通信分系统业务传输；如果已经结束，则进入步骤S15；

步骤S15、量子秘钥分发与PTN设备融合装置恢复中断，回到切换前状态，返回到步骤S2，即光通信分系统业务进入待机状态，量子分系统开始进入工作状态，生成量子秘钥并保存。

本发明通过采用高速切换模块，实现量子秘钥分发与PTN设备融合装置的快速切换并利用时分复用工作方式保证发射端和接收端之间的高隔离度，在实际工程应用中，对于传统已有的光通信系统，只需在已有光通信分系统基础上加入系统控制器、量子通信分系统高速切换模块即可组成量子秘钥分发与PTN设备融合装置。采用量子秘钥分发与PTN设备融合装置的控制方法根据量子秘钥分发与PTN设备融合装置的业务需要进行实际设定。本发明特别适合对已有的网络进行升级改造，设计方案采取便利的工程实施方法，在工程应用中具有较高的便利性和易行性。

本发明为了使量子秘钥分发与PTN设备融合装置能够高效工作，避免在量子秘钥分发与PTN设备融合装置在高速切换时容易出现高误码率进而影响服务质量（QoS）的问题，在利用高速切换工作模式的基础上，为了便于实际工程应用要求，提出采用业务优先级的预先工作设定模式，能够使量子秘钥分发与PTN设备融合装置根据不同业务的优先级进行高低级别排序并保证高优先级业务传输，提高业务的QoS，充分保证量子秘钥分发与PTN设备融合装置的可靠性。本发明满足了量子秘钥分发与PTN设备融合装置高隔离度的要求，提高的工作效率和工作可靠性等关键问题，首次实现了PTN与量子融合传输系统设计。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.量子秘钥分发与PTN设备融合装置的控制方法，其特征在于，具体按照以下步骤进行：

步骤S1、量子秘钥分发与PTN设备融合装置开机，初始化量子秘钥分发与PTN设备融合装置；

步骤S2、按照量子分系统和光通信分系统的业务优先级高低，决定量子分系统和光通信分系统的工作状态；若量子分系统业务优先级为最低，则光通信分系统进入待机状态，量子分系统进入工作状态即开始生成量子秘钥并保存到量子秘钥服务器；显示模块显示光通信分系统待机、量子分系统工作；

步骤S3、查询量子秘钥分发与PTN设备融合装置是否关机，如果关机则结束，如果不关机，则进入步骤S4；

步骤S4、系统控制器对量子分系统的业务传输申请优先级进行实时查询，如果没有高优先级状态业务请求，则保持步骤S2现有状态不变；如果有高优先级业务申请，则进入步骤S5；

步骤S5、量子秘钥分发与PTN设备融合装置中断保护，系统控制器对当前业务进行中断并采取中断保护措施，并控制高速切换模块立即响应高优先级业务切换操作并进入步骤S6；

步骤S6、量子分系统待机，光通信分系统开始工作；

步骤S7、查询量子秘钥分发与PTN设备融合装置是否关机，如果关机，则结束；如果不关机，则进入步骤S8；

步骤S8、系统控制器对光通信分系统的业务传输申请优先级进行实时查询，如果没有高优先级状态业务请求，则执行步骤S14；如果有高优先级光通信业务申请，则进入步骤S9；

步骤S9、系统控制器进行二次中断响应，并启动二次中断保护；

步骤S10、系统控制器响应步骤S8中最高优先级别的光通信业务，进行业务传输；

步骤S11、查询量子秘钥分发与PTN设备融合装置是否关机，如果关机，则结束；如果不关机，则进入步骤S12；

步骤S12、查询二次中断后的最高优先级别的光通信业务是否完成，如果未完成，跳转到步骤S10；如果完成，则进入步骤S13；

步骤S13、完成更高级别的业务传输后，则光通信分系统恢复中断，回到二次中断前状态，即进入步骤S6；

步骤S14、根据步骤S8中系统控制器查询到无更高级业务申请，则判断量子秘钥分发与PTN设备融合装置首次中断业务传输工作是否结束，如果尚未结束，则进入步骤S6继续进行光通信分系统业务传输；如果已经结束，则进入步骤S15；

步骤S15、量子秘钥分发与PTN设备融合装置恢复中断，回到切换前状态，返回到步骤S2，即光通信分系统业务进入待机状态，量子分系统开始进入工作状态，生成量子秘钥并保存。

Images