CN112887206A - 量子城域网中基于动态优先级的路由器队列调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种量子城域网中基于动态优先级的路由器队列调度方法，量子城域网为量子业务和经典业务分配不同的服务优先级，对路由节点上的缓存队列进行分类，将不同业务类型和服务优先级的业务产生的数据包放入不同的优先级队列中，使用加权循环调度算法在队列调度过程中为队列分配权重值，根据网络状态动态调整不同队列的权重值。本发明利用延时队列处理因密钥暂时短缺而不能加密的数据包，保证了业务的公平性与实时性，利用加权循环调度算法，在队列调度的过程中根据网络状态动态调整队列权重值，提高了队列调度的灵活性和适应性。

Description

量子城域网中基于动态优先级的路由器队列调度方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及量子城域网技术领域中的一种量子城域网中基于动态优先级的路由器队列调度方法。本发明可在量子城域网中根据网络状态，在队列调度过程中采用动态加权的优先级调度机制，保证业务的实时性和公平性。

背景技术

量子城域网主要包括经典网络、QKD系统、量子信道和经典保密系统。首先QKD系统负责在经典信道的辅助下进行密钥协商，每次密钥协商完毕会在相邻的路由器端形成密钥。发送端和接收端利用量子密钥和经典保密系统对要传输的信息进行一次一密加密，加密后的信息通过经典信道传输，沿途的路由器利用量子密钥对加密后的信息进行逐跳的解密和加密，最后接收方收到加密信息后利用量子密钥对信息进行解密。

随着通信网络技术的发展，单一的数据传输网络逐步演化为视频，图像，语音等多业务的综合传输网络，这些多媒体业务在业务所获得的带宽，传输数据流的低时延和低抖动等性能指标上对网络的服务质量QoS(Quality Of Service)提出了更高的要求，网络资源的有效管理是实现网络QoS控制的关键，具体表现在缓冲队列和链路带宽等网络资源的公平分配和合理使用上。因特网工程小组提出过许多用来控制网络QoS的服务模型与协议，比较典型的有综合服务模型IntServ(Integrated Service)和区分服务模型DiffServ(Differentiated Service)。IntServ提供的是端到端的QoS保证，对网络中路由器的性能要求很高，扩展性较差，很难在大规模的网络中实施，为了解决IntServ扩展性差的缺点，DiffServ模型采用流汇聚和逐跳行为的方式为网络提供一定程度的QoS保障，它具有良好的扩展性和鲁棒性，而且实现简单，已经成为复杂网络中实现QoS的首选方式，而区分服务中的队列调度也是当今研究的热点课题之一。

通过研究发现，在网络发生拥塞的状况下，控制网络拥塞最直接有效的手段就是队列调度，它是网络QoS控制的核心技术之一。综合服务IntServ和区分服务DiffServ中都存在队列调度问题，当网络发生拥塞时网络中的数据分组会进入路由器的缓冲队列中，作为转发节点的路由器会按照一定的调度策略决定缓冲队列中数据分组的出队顺序。因此队列调度的基本思想是如何从一个或者多个缓冲队列中选择即将被转发的数据分组。目前应用最多的队列调度算法共有三类：分组公平类算法，轮询类算法和服务曲线类算法。加权公平队列算法WFQ(Weighted Fair Queuing)是基于通用处理机共享流体模型的算法，加权轮询调度算法WRR(Weighted Round Robin)是基于循环类算法的改进型算法，在一次轮询周期中依据每个队列的权重值进行循环调度。衡量队列调度算法性能的指标主要有对链路带宽的利用率，对不同业务流带宽分配的公平性和业务流的时延特性，以及算法本身的复杂度等。

随着量子城域网的高速发展，用户规模和业务类型都将急剧增加，网络发生拥塞的概率也逐渐变大，其中，量子加密业务在传输过程中需要利用量子密钥进行加密和解密，由于量子密钥是相邻可信中继通过QKD系统以一定的密钥生成速率协商而来的，因此在保证量子城域网QoS的同时还要考虑量子密钥的生成速率这一性能指标。传统的单一队列调度算法在队列调度过程中不能区分处理量子保密业务与经典业务，也无法处理量子保密业务因密钥暂时短缺而产生的丢包问题，导致业务的实时性与公平性无法得到保障，因此难以适用于量子城域网。目前还未出现针对量子城域网的路由器队列调度方法，为了保证量子业务和经典业务都有较好的通过率，在量子城域网中关于路由器队列调度方法的研究也变得越来越重要。

北京国电通网络技术有限公司在其申请的专利文献“一种电力系统量子加密业务的队列调度方法”(专利申请号201810361281.1，申请公开号：CN108768888A)中提出了一种电力系统量子加密业务的队列调度方法。该专利文献所公开方法的主要步骤是：(1)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；(2)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；(3)根据所述队列队头数据包的前期等待时间、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头数据包的预计耗时；(4)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。该方法存在的不足之处是：在步骤(3)中数据包每次到达队列头时都计算预计耗时，算法的复杂度较大，只适用于单一的量子保密通信网络，不能直接应用到经典业务和量子保密业务共存的量子城域网中。

深圳市邦彦信息技术有限公司在其申请的专利文献“一种基于动态权重计算的队列调度方法”(专利申请号：201410216080.4，申请公开号：CN104009936A)中提出了一种基于动态权重计算的队列调度方法。该专利文献所公开方法的主要步骤是：(1)接收数据包并对其进行分类并存放在对应的业务队列中；(2)读取并测量每个业务队列中数据包的信息；(3)根据读取的各业务队列中数据包的信息和收益最大判断准则计算各个队列的最优权重值；(4)根据计算得到的各业务队列的最优权重值，加权轮询调度器对业务队列中的数据包进行调度输出。该方法存在的不足之处是：在步骤(1)中对数据包进行分类存放时，网络中任意一个业务流量的急剧增加都可能导致队列溢出产生丢包。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提出一种量子城域网中基于动态优先级的路由器队列调度方法，用于解决量子城域网中经典业务和量子保密业务共存时的队列管理以及现有技术中存在的数据包每次到达队列头时都计算预计耗时，算法的复杂度较大，只适用于单一的量子保密通信网络，不能直接应用到经典业务和量子保密业务共存的量子城域网中的问题。

为了实现上述目的，本发明的设计思路是，首先在量子城域网中标记量子业务产生的数据包，然后利用差分服务代码点DSCP(Differentiated Services Code)分别为量子保密业务和经典业务分配两种不同的服务优先级，之后对路由器上的缓存队列进行分类，依据业务类型和服务优先级将业务数据包放入对应的队列中，最后利用加权循环调度算法，在队列调度过程中根据业务的时延和带宽要求以及网络状态动态调整队列的权重值，保证量子保密业务和经典业务都有较好的通过率。

本发明的具体步骤包括如下：

(1)生成量子密钥：

量子城域网中相邻可信中继使用光量子系统在经典信道的辅助下生成量子密钥；

(2)源端发起经典业务和量子保密业务请求，设置标记变量E_t，使用E_t标记源端应用层产生的量子保密业务数据包；

(3)源端IP层判断业务数据包是否被E_t标记：若是，执行步骤(4)，否则，执行步骤(5)；

(4)设置量子保密业务的加密等级：

(4a)量子城域网为量子保密业务设置四种加密等级L₁，L₂，L₃，L₄，在计算密钥长度时采用1，2，3，4四种取值代表四种加密等级L₁，L₂，L₃，L₄，在数据包头部的选项字段中采用00，01，10，11四种比特值代表四种加密等级；

(4b)源端IP层根据业务类型设置量子保密业务数据包头部选项字段的后两位比特值为00，01，10，11四种比特值中的一种，继续执行步骤(5)；

(5)分配量子保密业务和经典业务的服务优先级：

(5a)源端IP层根据服务优先级设置业务数据包头部tos字段的前6位比特值，业务服务优先级为最高时，前6位比特值设置为101110，业务服务优先级为一般时，前6位比特值设置为001010；

(5b)量子城域网为量子保密业务分配最高优先级P_qh和一般优先级P_ql，为经典业务分配最高优先级P_ch和一般优先级P_cl，P_qh和P_ch对应比特值101110，P_ql和P_cl对应比特值001010；

(6)对中间路由节点的缓存队列进行分类：

路由节点IP层将缓存队列Q分为量子保密业务队列Q_q，经典业务队列Q_c，及延时队列Q_d三类，其中，Q_q分为量子高优先级队列Q_qh和量子低优先级队列Q_ql，Q_c分为经典高优先级队列Q_ch和经典低优先级队列Q_cl，Q_d分为量子高优先级延时队列Q₁和量子低优先级延时队列Q₂，设置Q_qh，Q_ql，Q_ch，Q_cl，Q₁，Q₂的队列长度阈值分别为T_qh，T_ql，T_ch，T_cl，T₁，T₂，设置业务数据包在延时队列中的最大等待时间为T_d，其中，T_qh、T_ql分别是T_ch、T_cl的两倍；

(7)分配队列的初始权重：

调度器依据加权轮询调度算法设置量子保密业务队列Q_q，经典业务队列Q_c，延时队列Q_d的初始权重之比为W_q：W_c：W_d，建议值为1:8:1，其中，设置Q_q中Q_qh，Q_ql的权重之比为W_qh:W_ql，建议值为3:1，Q_c中Q_ch，Q_cl的权重之比为W_ch:W_cl，建议值为3:1，Q_d中Q₁，Q₂的权重之比为W₁:W₂，建议值为3:1；

(8)业务数据包入队列：

(8a)根据标记变量E_t判断到达路由节点上的业务数据包PK_n是否为经典业务数据包：若是，不执行任何操作，否则，将该业务数据包判定为量子保密业务数据包后判断当前业务是否是高优先级业务：若是，判断当前时刻Q_qh的队列长度是否小于队列长度阈值T_qh：若是，将PK_n放入Q_qh尾部，否则，丢弃PK_n；若是低优先级业务，判断当前时刻Q_ql的队列长度是否小于队列长度阈值T_ql：若是，将PK_n放入Q_ql尾部，否则，丢弃PK_n，继续执行步骤(9)；

(8b)判断当前业务是否为高优先级业务：若是高优先级业务，判断当前Q_ch的队列长度是否小于队列长度阈值T_ch，若是，将PK_n放入Q_ch尾部，否则，丢弃PK_n，若是低优先级业务，判断当前Q_cl的队列长度是否小于队列长度阈值T_cl，若是，将PK_n放入Q_cl尾部，否则，丢弃PK_n；以下步骤(9)到步骤(22)是路由节点处理队列中业务数据包的整个过程；

(9)判断当前Q₁，Q₂的队列长度C₁，C₂是否都为0：若是，设置量子保密业务队列的和经典业务队列的权重之比W_a:W_b，建议值为1:9，执行步骤(14)，否则，执行步骤(10)；

(10)判断C₁是否不为0：若是，执行步骤(11),否则，执行步骤(13)；

(11)根据Q₁分配到的权重计算本次从Q₁中调度数据包的个数N，从Q₁头部获取数据包K_q1，得到K_q1的包长PK_q，根据K_q1头部的选项字段得到加密等级L_q，PK_q除以2^L_q得到加密K_q1的密钥长度C_q，查找K_q1对应链路上的密钥长度C_x，判断C_x是否大于C_q：若是，从Q₁中取出K_q1，在K_q1的接收端口处取出密钥进行解密，再从K_q1的对应链路上取出长度为C_q的密钥对K_q1进行加密，在输出端口处转发，否则，获取当前时间T和K_q1的入队时间t_q1，判断T减t_q1是否大于K_q1的最大等待时间T_d，若是，丢弃K_q1，否则，不处理该业务数据包；按照数据包在Q₁中的排队顺序依次从当前数据包往后连续处理N-1个数据包；

(12)判断C₂是否为0：若是，执行步骤(14)，否则，执行步骤(13)；

(13)根据Q₂分配到的权重计算本次从Q₂中调度数据包的个数M，从Q₂队列头部获取数据包K_q2，得到K_q2的包长PK_p；根据K_q2头部的选项字段得到其加密等级L_p，PK_p除以2^L_p得到加密K_q2的密钥长度C_p，查找K_q2对应链路上的密钥长度C_y，判断C_y是否大于C_p：若是，从Q₂中取出K_q2，在K_q2的接收端口处取出密钥进行解密，再从K_q2对应链路上取出长度为C_p的密钥对K_q2进行加密，在输出端口处转发，否则，获取当前时间T和K_q2的入队时间t₂，判断T减t₂是否大于K_q2的最大等待时间T_d：若是，丢弃K_q2，否则,不处理该业务数据包；按照数据包在Q₂中的排队顺序依次从当前数据包往后连续处理M-1个数据包；

(14)检查量子保密业务队列和经典业务队列：

(14a)判断当前Q_ql和Q_qh的队列长度之比是否大于等于W_b:W_a，建议值为9:1：若是，设置Q_ql和Q_qh的初始权重之比为W_qh:W_ql，否则，不做任何处理；

(14b)判断当前Q_cl和Q_ch的队列长度之比是否大于等于W_b:W_a：若是，设置Q_cl和Q_ch的初始权重之比为W_ch:W_cl，否则，不做任何处理；

(15)调度器按照调度优先级从高到低的顺序，先调度Q_qh队列和Q_ch队列，后调度Q_ql队列和Q_cl队列；

(16)根据加权轮询调度算法，分别为Q_qh，Q_ql，Q_ch，Q_cl设置四个队列计数器Ct₁，Ct₂，Ct₃，Ct₄，其中，根据队列分配到的权重计算Ct₁，Ct₂，Ct₃，Ct₄的初始值；

(17)判断当前调度队列是否为量子保密业务队列：若是，执行步骤(18)，否则，执行步骤(21)；

(18)处理量子保密业务队列：

(18a)判断当前调度队列的计数器值是否为0：若是，直接按照队列优先级顺序调度下一队列，执行步骤(22)，否则，从当前队列头部获取业务数据包PK_i，得到PK_i的包长PK_l，解析PK_i头部中的选项字段，得到量子保密业务的加密等级L_i，PK_l除以2^L_i得到加密PK_i的密钥长度C_l，查找对应链路上的密钥长度C_i；

(18b)判断C_i是否大于C_l：若是，在PK_i的接收端口处取出密钥进行解密，从PK_i对应链路上取出长度为C_l的密钥对PK_i进行加密，在输出端口处转发，将当前调度队列的计数器值减一，调度器按照队列优先级顺序调度下一队列，执行步骤(22)，否则，执行步骤(19)；

(19)判断该量子加密业务是否为高优先级业务：若是高优先级业务，再判断当前Q₁的队列长度是否小于队列长度阈值T₁：若是，将PK_i放入Q₁尾部，记录当前入队时间t_i，将当前调度队列的计数器值减一，调度器按照队列优先级顺序调度下一队列，执行步骤(22)，否则，丢弃PK_i，将当前调度队列的计数器值减一，调度器按照队列优先级顺序调度下一队列，执行步骤(22)；若是低优先级业务，执行步骤(20)；

(20)判断当前Q₂的队列长度是否小于队列长度阈值T₂：若是，将PK_i放入Q₂尾部，记录当前入队时间t_i，调度器按照队列优先级顺序调度下一队列，执行步骤(22)，否则，丢弃PK_i，调度器按照队列优先级顺序调度下一队列，执行步骤(22)；

(21)处理经典业务队列：

判断当前调度队列的计数器值是否为0：若是，直接按照队列优先级顺序调度下一队列，执行步骤(22)，否则，中间路由节点查询路由表R_c，找到经典业务对应的下一跳地址和出口，通过出口将该经典业务数据包转发到下一跳地址，将当前队列的计数器值减一，调度器按照队列优先级顺序调度下一队列；

(22)判断当前调度队列的计数器值是否不为0：若是，执行步骤(17)，否则，判断按照队列优先级顺序是否可以查找到计数器值不为0的队列，若是，执行步骤(17)，否则，将Ct₁，Ct₂，Ct₃，Ct₄的值分别设置为相应队列的计数器初始值后执行步骤(23)；

(23)业务数据包经过中间路由节点的转发到达目的端，目的端层层解包获取数据。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

第一，本发明将不同业务类型，不同服务优先级的业务数据包放入不同的队列，路由器根据队列长度为业务分配实时带宽，将因密钥暂时短缺而无法处理的量子加密数据包放入延时队列中，开始队列调度前优先处理延时队列。克服了现有技术中存在的算法的复杂度较大，只适用于单一的量子保密通信网络，不能直接应用到经典业务和量子保密业务共存的量子城域网中的问题。使得本发明具有业务的丢包率低，实时性好的特点。

第二，本发明利用加权轮询调度算法进行队列调度，根据不同业务的带宽和时延需求以及网络实时状态在队列调度过程中动态调整队列权重，克服了现有技术中对数据包进行分类存放时，网络中任意一个业务流量的急剧增加都可能导致队列溢出产生丢包的问题，使得本发明提高了队列调度的灵活性和适应性。

附图说明

图1为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图1对本发明作进一步详细说明。

步骤1，生成量子密钥。

量子城域网中相邻可信中继使用光量子系统在经典信道的辅助下生成量子密钥。

所述的可信中继使用光量子系统在经典信道的辅助下生成量子密钥指的是光量子系统使用MDI-QKD协议生成量子密钥，基于偏振编码的MDI-QKD协议的执行流程如下：

第一步，相邻的可信中继作为通信双方，分别称为Alice和Bob，通信双方制备相位随机化的弱相干光脉冲，并随机地编码为四个BB84态之一。然后Alice和Bob分别通过量子信道把制备好的量子态发送给一个不可信的第三方Charlie进行贝尔态测量。

第二步，Charlie公布成功的贝尔态测量结果，Alice和Bob公布各自编码使用的基矢，对于两者使用基矢中的相同部分，根据测量结果Alice和Bob选择翻转或不翻转所持有的比特以得到正关联的数据。

第三步，Alice和Bob根据诱骗态方法估计单光子部分的增益和误码率，经过经典纠错或密性放大过程生成最终的安全密钥。

步骤2，源端发起经典业务和量子保密业务请求，设置标记变量E_t，使用E_t标记源端应用层产生的量子保密业务数据包。

步骤3，源端IP层判断业务数据包是否被E_t标记：若是，执行步骤4，否则，执行步骤5。

步骤4，设置量子保密业务的加密等级。

第一步，量子城域网为量子保密业务设置四种加密等级L₁，L₂，L₃，L₄，在计算密钥长度时采用1，2，3，4四种取值代表四种加密等级L₁，L₂，L₃，L₄，在数据包头部的选项字段中采用00，01，10，11四种比特值代表四种加密等级。

第二步，源端IP层根据业务类型设置量子保密业务数据包头部选项字段的后两位比特值为00，01，10，11四种比特值中的一种，继续执行步骤5。

步骤5，分配量子保密业务和经典业务的服务优先级。

第一步，源端IP层根据服务优先级设置业务数据包头部tos字段的前6位比特值，业务服务优先级为最高时，前6位比特值设置为101110，业务服务优先级为一般时，前6位比特值设置为001010。

所述tos字段的前6位比特值是指，将tos字段的前6位比特值定义为差分服务代码点DSCP，tos字段的前6位比特值将0和1进行排列组合得到64个服务优先级。

第二步，量子城域网为量子保密业务分配最高优先级P_qh和一般优先级P_ql，为经典业务分配最高优先级P_ch和一般优先级P_cl，P_qh和P_ch对应比特值101110，P_ql和P_cl对应比特值001010。

步骤6，对中间路由节点的缓存队列进行分类。

路由节点IP层将缓存队列Q分为量子保密业务队列Q_q，经典业务队列Q_c，及延时队列Q_d三类，其中，Q_q分为量子高优先级队列Q_qh和量子低优先级队列Q_ql，Q_c分为经典高优先级队列Q_ch和经典低优先级队列Q_cl，Q_d分为量子高优先级延时队列Q₁和量子低优先级延时队列Q₂，设置Q_qh，Q_ql，Q_ch，Q_cl，Q₁，Q₂的队列长度阈值分别为T_qh，T_ql，T_ch，T_cl，T₁，T₂，设置业务数据包在延时队列中的最大等待时间为T_d，其中，T_qh、T_ql分别是T_ch、T_cl的两倍。

步骤7，分配队列初始权重。

调度器依据加权轮询调度算法设置量子保密业务队列Q_q，经典业务队列Q_c，延时队列Q_d的初始权重之比为W_q：W_c：W_d，建议值为1:8:1，其中，设置Q_q中Q_qh，Q_ql的权重之比为W_qh:W_ql，建议值为3:1，Q_c中Q_ch，Q_cl的权重之比为W_ch:W_cl，建议值为3:1，Q_d中Q₁，Q₂的权重之比为W₁:W₂，建议值为3:1；

步骤8，业务数据包入队列。

第一步，根据标记变量E_t判断到达路由节点上的业务数据包PK_n是否为经典业务数据包：若是，不执行任何操作，否则，该业务数据包为量子保密业务数据包，再判断当前业务是否是高优先级业务：若是，继续判断当前时刻Q_qh的队列长度是否小于队列长度阈值T_qh：若是，将PK_n放入Q_qh尾部，否则，丢弃PK_n；若是低优先级业务，判断当前时刻Q_ql的队列长度是否小于队列长度阈值T_ql：若是，将PK_n放入Q_ql尾部，否则，丢弃PK_n，继续执行步骤9。

第二步，判断当前业务是否为高优先级业务：若是高优先级业务，判断当前Q_ch的队列长度是否小于队列长度阈值T_ch，若是，将PK_n放入Q_ch尾部，否则，丢弃PK_n，若是低优先级业务，判断当前Q_cl的队列长度是否小于队列长度阈值T_cl，若是，将PK_n放入Q_cl尾部，否则，丢弃PK_n；执行步骤9。

步骤9，判断当前Q₁，Q₂的队列长度C₁，C₂是否都为0：若是，设置量子保密业务队列的和经典业务队列的权重之比W_a:W_b，建议值为1:9，执行步骤14，否则，执行步骤10。

步骤10，判断C₁是否不为0：若是，执行步骤11,否则，执行步骤13。

步骤11，根据Q₁分配到的权重计算本次从Q₁中调度数据包的个数N，从Q₁头部获取数据包K_q1，得到K_q1的包长PK_q，根据K_q1头部的选项字段得到加密等级L_q，PK_q除以2^L_q得到加密K_q1的密钥长度C_q，查找K_q1对应链路上的密钥长度C_x，判断C_x是否大于C_q：若是，从Q₁中取出K_q1，在K_q1的接收端口处取出密钥进行解密，再从K_q1的对应链路上取出长度为C_q的密钥对K_q1进行加密，在输出端口处转发，否则，获取当前时间T和K_q1的入队时间t_q1，判断T减t_q1是否大于K_q1的最大等待时间T_d，若是，丢弃K_q1，否则，不处理该业务数据包；按照数据包在Q₁中的排队顺序依次从当前数据包往后连续处理N-1个数据包。

所述根据Q₁分配到的权重计算本次从Q₁中调度数据包的个数N是由下式得到：

N＝(W_d÷W_z)*(W₁÷W_dz)*C_pk

其中，W_d表示Q_d队列的权重值，W_z表示Q_q，Q_c和Q_d的权重值之和，W₁表示Q₁队列的权重值，W_dz表示Q₁和Q₂的权重值之和，C_pk表示调度器在一个轮询周期里需要处理的数据包个数。

步骤12，判断C₂是否为0：若是，执行步骤14，否则，执行步骤13。

步骤13，根据Q₂分配到的带宽计算本次从Q₂中调度数据包的个数M，从Q₂队列头部获取数据包K_q2，得到K_q2的包长PK_p；根据K_q2头部的选项字段得到其加密等级L_p，PK_p除以2^L_p得到加密K_q2的密钥长度C_p，查找K_q2对应链路上的密钥长度C_y，判断C_y是否大于C_p：若是，从Q₂中取出K_q2，在K_q2的接收端口处取出密钥进行解密，再从K_q2对应链路上取出长度为C_p的密钥对K_q2进行加密，在输出端口处转发，否则，获取当前时间T和K_q2的入队时间t₂，判断T减t₂是否大于K_q2的最大等待时间T_d：若是，丢弃K_q2，否则,不处理该业务数据包；按照数据包在Q₂中的排队顺序依次从当前数据包往后连续处理M-1个数据包。

所述根据Q₂分配到的权重计算本次从Q₂中调度数据包的个数M是由下式得到：

M＝(W_d÷W_z)*(W₂÷W_dz)*C_pk

其中，W₂表示Q₂队列的权重值。

步骤14，检查量子保密业务队列和经典业务队列。

第一步，判断当前Q_ql和Q_qh的队列长度之比是否大于等于W_b:W_a，建议值为9:1：若是，设置Q_ql和Q_qh的初始权重之比为W_qh:W_ql，否则，不做任何处理。

第二步，判断当前Q_cl和Q_ch的队列长度之比是否大于等于W_b:W_a：若是，设置Q_cl和Q_ch的初始权重之比为W_ch:W_cl，否则，不做任何处理。

步骤15，调度器按照调度优先级从高到低的顺序，先调度Q_qh队列和Q_ch队列，后调度Q_ql队列和Q_cl队列。

步骤16，根据加权轮询调度算法，分别为Q_qh，Q_ql，Q_ch，Q_cl设置四个队列计数器Ct₁，Ct₂，Ct₃，Ct₄，其中，根据队列分配到的权重计算Ct₁，Ct₂，Ct₃，Ct₄的初始值。

所述根据队列分配到的权重计算Ct₁，Ct₂，Ct₃，Ct₄的初始值是由下式得到：

Ct₁＝(W_q÷W_z)*(W_qh÷W_qz)*C_pk

Ct₂＝(W_q÷W_z)*(W_ql÷W_qz)*C_pk

Ct₃＝(W_c÷W_z)*(W_ch÷W_cz)*C_pk

Ct₄＝(W_c÷W_z)*(W_cl÷W_cz)*C_pk

其中，W_q表示量子保密业务队列Q_q的权重值，W_c表示经典业务队列Q_c的权重值，W_qh表示量子高优先队列Q_qh的权重值，W_ql表示量子低优先队列Q_ql的权重值，W_qz表示Q_qh和Q_ql的权重值之和，W_ch表示经典高优先队列Q_ch的权重值，W_cl表示经典低优先队列Q_cl的权重值，W_cz表示Q_ch和Q_cl的权重值之和。

步骤17，判断当前调度队列是否为量子保密业务队列：若是，执行步骤18，否则，执行步骤21。

步骤18，处理量子保密业务队列。

第一步，判断当前调度队列的计数器值是否为0：若是，直接按照队列优先级顺序调度下一队列，执行步骤22，否则，从当前队列头部获取业务数据包PK_i，得到PK_i的包长PK_l，解析PK_i头部中的选项字段，得到量子保密业务的加密等级L_i，PK_l除以2^L_i得到加密PK_i的密钥长度C_l，查找对应链路上的密钥长度C_i。

第二步，判断C_i是否大于C_l：若是，在PK_i的接收端口处取出密钥进行解密，从PK_i对应链路上取出长度为C_l的密钥对PK_i进行加密，在输出端口处转发，将当前调度队列的计数器值减一，调度器按照队列优先级顺序调度下一队列，执行步骤22，否则，执行步骤19。

步骤19，判断该量子加密业务是否为高优先级业务：若是高优先级业务，再判断当前Q₁的队列长度是否小于队列长度阈值T₁：若是，将PK_i放入Q₁尾部，记录当前入队时间t_i，将当前调度队列的计数器值减一，调度器按照队列优先级顺序调度下一队列，执行步骤22，否则，丢弃PK_i，将当前调度队列的计数器值减一，调度器按照队列优先级顺序调度下一队列，执行步骤22；若是低优先级业务，执行步骤20。

步骤20，判断当前Q₂的队列长度是否小于队列长度阈值T₂：若是，将PK_i放入Q₂尾部，记录当前入队时间t_i，调度器按照队列优先级顺序调度下一队列，执行步骤22，否则，丢弃PK_i，调度器按照队列优先级顺序调度下一队列，执行步骤22。

步骤21，处理经典业务队列。

判断当前调度队列的计数器值是否为0：若是，直接按照队列优先级顺序调度下一队列，执行步骤22，否则，中间路由节点查询路由表R_c，找到经典业务对应的下一跳地址和出口，通过出口将该经典业务数据包转发到下一跳地址，将当前队列的计数器值减一，调度器按照队列优先级顺序调度下一队列。

步骤22，判断当前调度队列的计数器值是否不为0：若是，执行步骤17，否则，判断按照队列优先级顺序是否可以查找到计数器值不为0的队列，若是，执行步骤17，否则，将Ct₁，Ct₂，Ct₃，Ct₄的值分别设置为相应队列的计数器初始值，执行步骤23。

步骤23，业务数据包经过中间路由节点的转发到达目的端，目的端层层解包获取数据。

Claims (6)

1.一种量子城域网中基于动态优先级的路由器队列调度方法，其特征在于，利用加权循环调度算法，在路由器进行队列调度的过程根据城域网状态动态调整队列的权重值，该方法的具体步骤包括如下：

(1)生成量子密钥：

量子城域网中相邻可信中继使用光量子系统在经典信道的辅助下生成量子密钥；

(2)源端发起经典业务和量子保密业务请求，设置标记变量E_t，使用E_t标记源端应用层产生的量子保密业务数据包；

(3)源端IP层判断业务数据包是否被E_t标记：若是，执行步骤(4)，否则，执行步骤(5)；

(4)设置量子保密业务的加密等级：

(4a)量子城域网为量子保密业务设置四种加密等级L₁，L₂，L₃，L₄，在计算密钥长度时采用1，2，3，4四种取值代表四种加密等级L₁，L₂，L₃，L₄，在数据包头部的选项字段中采用00，01，10，11四种比特值代表四种加密等级；

(4b)源端IP层根据业务类型设置量子保密业务数据包头部选项字段的后两位比特值为00，01，10，11四种比特值中的一种，继续执行步骤(5)；

(5)分配量子保密业务和经典业务的服务优先级：

(5a)源端IP层根据服务优先级设置业务数据包头部tos字段的前6位比特值，业务服务优先级为最高时，前6位比特值设置为101110，业务服务优先级为一般时，前6位比特值设置为001010；

(5b)量子城域网为量子保密业务分配最高优先级P_qh和一般优先级P_ql，为经典业务分配最高优先级P_ch和一般优先级P_cl，P_qh和P_ch对应比特值101110，P_ql和P_cl对应比特值001010；

(6)对中间路由节点的缓存队列进行分类：

路由节点IP层将缓存队列Q分为量子保密业务队列Q_q，经典业务队列Q_c，及延时队列Q_d三类，其中，Q_q分为量子高优先级队列Q_qh和量子低优先级队列Q_ql，Q_c分为经典高优先级队列Q_ch和经典低优先级队列Q_cl，Q_d分为量子高优先级延时队列Q₁和量子低优先级延时队列Q₂，设置Q_qh，Q_ql，Q_ch，Q_cl，Q₁，Q₂的队列长度阈值分别为T_qh，T_ql，T_ch，T_cl，T₁，T₂，设置业务数据包在延时队列中的最大等待时间为T_d，其中，T_qh、T_ql分别是T_ch、T_cl的两倍；

(7)分配队列的初始权重：

调度器依据加权轮询调度算法设置量子保密业务队列Q_q，经典业务队列Q_c，延时队列Q_d的初始权重之比为W_q∶W_c∶W_d，建议值为1∶8∶1，其中，设置Q_q中Q_qh，Q_ql的权重之比为W_qh∶W_ql，建议值为3∶1，Q_c中Q_ch，Q_cl的权重之比为W_ch∶W_cl，建议值为3∶1，Q_d中Q₁，Q₂的权重之比为W₁∶W₂，建议值为3∶1；

(8)业务数据包入队列：

(8a)根据标记变量E_t判断到达路由节点上的业务数据包PK_n是否为经典业务数据包：若是，不执行任何操作，否则，将该业务数据包判定为量子保密业务数据包后判断当前业务是否是高优先级业务：若是，判断当前时刻Q_qh的队列长度是否小于队列长度阈值T_qh：若是，将PK_n放入Q_qh尾部，否则，丢弃PK_n；若是低优先级业务，判断当前时刻Q_ql的队列长度是否小于队列长度阈值T_ql：若是，将PK_n放入Q_ql尾部，否则，丢弃PK_n，继续执行步骤(9)；

(8b)判断当前业务是否为高优先级业务：若是高优先级业务，判断当前Q_ch的队列长度是否小于队列长度阈值T_ch，若是，将PK_n放入Q_ch尾部，否则，丢弃PK_n，若是低优先级业务，判断当前Q_cl的队列长度是否小于队列长度阈值T_cl，若是，将PK_n放入Q_cl尾部，否则，丢弃PK_n；继续执行步骤(9)；

(9)判断当前Q₁，Q₂的队列长度C₁，C₂是否都为0：若是，设置量子保密业务队列的和经典业务队列的权重之比W_a∶W_b，建议值为1∶9，执行步骤(14)，否则，执行步骤(10)；

(10)判断C₁是否不为0：若是，执行步骤(11)，否则，执行步骤(13)；

(11)根据Q₁分配到的权重计算本次从Q₁中调度数据包的个数N，从Q₁头部获取数据包K_q1，得到K_q1的包长PK_q，根据K_q1头部的选项字段得到加密等级L_q，PK_q除以2^L_q得到加密K_q1的密钥长度C_q，查找K_q1对应链路上的密钥长度C_x，判断C_x是否大于C_q：若是，从Q₁中取出K_q1，在K_q1的接收端口处取出密钥进行解密，再从K_q1的对应链路上取出长度为C_q的密钥对K_q1进行加密，在输出端口处转发，否则，获取当前时间T和K_q1的入队时间t_q1，判断T减t_q1是否大于K_q1的最大等待时间T_d，若是，丢弃K_q1，否则，不处理该业务数据包；按照数据包在Q₁中的排队顺序依次从当前数据包往后连续处理N-1个数据包；

(12)判断C₂是否为0：若是，执行步骤(14)，否则，执行步骤(13)；

(13)根据Q₂分配到的权重计算本次从Q₂中调度数据包的个数M，从Q₂队列头部获取数据包K_q2，得到K_q2的包长PK_p；根据K_q2头部的选项字段得到其加密等级L_p，PK_q除以2^L_p得到加密K_q2的密钥长度C_p，查找K_q2对应链路上的密钥长度C_y，判断C_y是否大于C_p：若是，从Q₂中取出K_q2，在K_q2的接收端口处取出密钥进行解密，再从K_q2对应链路上取出长度为C_p的密钥对K_q2进行加密，在输出端口处转发，否则，获取当前时间T和K_q2的入队时间t₂，判断T减t₂是否大于K_q2的最大等待时间T_d：若是，丢弃K_q2，否则，不处理该业务数据包；按照数据包在Q₂中的排队顺序依次从当前数据包往后连续处理M-1个数据包；

(14)检查量子保密业务队列和经典业务队列：

(14a)判断当前Q_ql和Q_qh的队列长度之比是否大于等于W_b∶W_a，建议值为9∶1：若是，设置Q_ql和Q_qh的初始权重之比为W_qh∶W_ql，否则，不做任何处理；

(14b)判断当前Q_cl和Q_ch的队列长度之比是否大于等于W_b∶W_a：若是，设置Q_cl和Q_ch的初始权重之比为W_ch∶W_cl，否则，不做任何处理；

(15)调度器按照调度优先级从高到低的顺序，先调度Q_qh队列和Q_ch队列，后调度Q_ql队列和Q_cl队列；

(16)根据加权轮询调度算法，分别为Q_qh，Q_ql，Q_ch，Q_cl设置四个队列计数器Ct₁，Ct₂，Ct₃，Ct₄，其中，根据队列分配到的权重计算Ct₁，Ct₂，Ct₃，Ct₄的初始值；

(17)判断当前调度队列是否为量子保密业务队列：若是，执行步骤(18)，否则，执行步骤(21)；

(18)处理量子保密业务队列：

(18a)判断当前调度队列的计数器值是否为0：若是，直接按照队列优先级顺序调度下一队列，执行步骤(22)，否则，从当前队列头部获取业务数据包PK_i，得到PK_i的包长PK_l，解析PK_i头部中的选项字段，得到量子保密业务的加密等级L_i，PK_l除以2^L_i得到加密PK_i的密钥长度C_l，查找对应链路上的密钥长度C_i；

(18b)判断C_i是否大于C_l：若是，在PK_i的接收端口处取出密钥进行解密，从PK_i对应链路上取出长度为C_l的密钥对PK_i进行加密，在输出端口处转发，将当前调度队列的计数器值减一，调度器按照队列优先级顺序调度下一队列，执行步骤(22)，否则，执行步骤(19)；

(19)判断该量子加密业务是否为高优先级业务：若是高优先级业务，再判断当前Q₁的队列长度是否小于队列长度阈值T₁：若是，将PK_i放入Q₁尾部，记录当前入队时间t_i，将当前调度队列的计数器值减一，调度器按照队列优先级顺序调度下一队列，执行步骤(22)，否则，丢弃PK_i，将当前调度队列的计数器值减一，调度器按照队列优先级顺序调度下一队列，执行步骤(22)；若是低优先级业务，执行步骤(20)；

(20)判断当前Q₂的队列长度是否小于队列长度阈值T₂：若是，将PK_i放入Q₂尾部，记录当前入队时间t_i，调度器按照队列优先级顺序调度下一队列，执行步骤(22)，否则，丢弃PK_i，调度器按照队列优先级顺序调度下一队列，执行步骤(22)；

(21)处理经典业务队列：

判断当前调度队列的计数器值是否为0：若是，直接按照队列优先级顺序调度下一队列，执行步骤(22)，否则，中间路由节点查询路由表B_c，找到经典业务对应的下一跳地址和出口，通过出口将该经典业务数据包转发到下一跳地址，将当前队列的计数器值减一，调度器按照队列优先级顺序调度下一队列；

(22)判断当前调度队列的计数器值是否不为0：若是，执行步骤(17)，否则，判断按照队列优先级顺序是否可以查找到计数器值不为0的队列，若是，执行步骤(17)，否则，将Ct₁，Ct₂，Ct₃，Ct₄的值分别设置为相应队列的计数器初始值后执行步骤(23)；

(23)业务数据包经过中间路由节点的转发到达目的端，目的端层层解包获取数据。

2.根据权利要求1所述的量子城域网中基于动态优先级的路由器队列调度方法，其特征在于，步骤(1)中所述的使用光量子系统在经典信道的辅助下生成量子密钥指的是光量子系统使用MDI-QKD协议生成量子密钥，基于偏振编码的MDI-QKD协议的执行流程如下：

第一步，相邻的可信中继作为通信双方，分别称为Alice和Bob，通信双方制备相位随机化的弱相干光脉冲，并随机地编码为四个BB84态之一；然后Alice和Bob分别通过量子信道把制备好的量子态发送给一个不可信的第三方Charlie进行贝尔态测量；

第二步，Charlie公布成功的贝尔态测量结果，Alice和Bob公布各自编码使用的基矢，对于两者使用基矢中的相同部分，根据测量结果Alice和Bob选择翻转或不翻转所持有的比特以得到正关联的数据；

第三步，Alice和Bob根据诱骗态方法估计单光子部分的增益和误码率，经过经典纠错或密性放大过程生成最终的安全密钥。

3.根据权利要求1所述的量子城域网中基于动态优先级的路由器队列调度方法，其特征在于，步骤(5a)中所述tos字段的前6位比特值是指，将tos字段的前6位比特值定义为差分服务代码点DSCP，tos字段的前6位比特值将0和1进行排列组合得到64个服务优先级。

4.根据权利要求1所述的量子城域网中基于动态优先级的路由器队列调度方法，其特征在于，步骤(11)中所述根据Q₁分配到的权重计算本次从Q₁中调度数据包的个数N是由下式得到：

N＝(W_d÷W_z)*(W₁÷W_dz)*C_pk

其中，W_d表示Q_d队列的权重值，W_z表示Q_q，Q_c和Q_d的权重值之和，W₁表示Q₁队列的权重值，W_dz表示Q₁和Q₂的权重值之和，C_pk表示调度器在一个轮询周期里需要处理的数据包个数。

5.根据权利要求4所述的量子城域网中基于动态优先级的路由器队列调度方法，其特征在于，步骤(13)中所述根据Q₂分配到的权重计算本次从Q₂中调度数据包的个数M是由下式得到：

M＝(W_d÷W_z)*(W₂÷W_dz)*C_pk

其中，W₂表示Q₂队列的权重值。

6.根据权利要求5所述的量子城域网中基于动态优先级的路由器队列调度方法，其特征在于，步骤(16)中所述根据队列分配到的权重计算Ct₁，Ct₂，Ct₃，Ct₄的初始值是由下式得到：

Ct₁＝(W_q÷W_z)*(W_qh÷W_qz)*C_pk

Ct₂＝(W_q÷W_z)*(W_ql÷W_qz)*C_pk

Ct₃＝(W_c÷W_z)*(W_ch÷W_cz)*C_pk

Ct₄＝(W_c÷W_z)*(W_cl÷W_cz)*C_pk

其中，W_q表示量子保密业务队列Q_q的权重值，W_c表示经典业务队列Q_c的权重值，W_qh表示量子高优先队列Q_qh的权重值，W_ql表示量子低优先队列Q_ql的权重值，W_qz表示Q_qh和Q_ql的权重值之和，W_ch表示经典高优先队列Q_ch的权重值，W_cl表示经典低优先队列Q_cl的权重值，W_cz表示Q_ch和Q_cl的权重值之和。

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