CN113452511A - 一种基于sdn的量子密钥分发物联网的发布订阅系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及基于SDN的量子密钥分发物联网的发布订阅系统及方法。该发布订阅系统包括包括感知层、网络层、SDN控制层和应用层。其中，感知层用于采集事件数据；网络层用于从接收事件数据并将其转化为事件，以及从SDN控制层接收订阅数据并根据订阅数据向用户转发事件；SDN控制层用于接收事件以对其进行主题分类，并将主题发送给应用层，以及管理量子密钥的分发；应用层用于将主题推送给用户，并将用户反馈的订阅信息发送给SDN控制层；在感知层与网络层之间传输的事件数据和/或在网络层与用户之间传输的事件经量子密钥加密处理。

Description

一种基于SDN的量子密钥分发物联网的发布订阅系统及方法
技术领域
本发明涉及量子通信领域，具体涉及一种基于SDN的量子密钥分发物联网的发布订阅系统及方法。
背景技术
物联网服务通常呈现实时动态变化的特点，并且网络服务需要具备动态自动化的智能主动服务提供机制。从本质上来说，智能主动化的网络服务打破了传统的被动服务模式，能够充分利用各种网络资源优势，主动开展以满足用户个性化需求为目的的全方位服务。主动性体现在两个方面，一是事件通知机制主动将信息推送到需要它的服务中；二是服务根据需求与系统中发生的事件进行主动协同，交付服务。智能既是主动服务的实现基础，也是主动服务体现出的特征。
发布订阅系统被认为是一种有效的信息分发方法。发布订阅模式是对数据生产者、数据消费者之间的交互模式的一种抽象，能够自然地提供生产者与消费者之间多对多的事件驱动交互模式。发布订阅交互模式可以为大规模交互应用提供松稱合交互模式。订阅者有能力表达其感兴趣的事件或事件模式，当任何发布者发布了订阅者注册的相关感兴趣的事件后，所有订阅者会被异步通知。这种基于事件的交互能力的优势在于发布者和订阅者之间能够在时间、空间和同步上达到完全解耦。由于分布式发布订阅系统交互模式符合互联网应用服务的动态、异步的本质特征，所以更适合未来互联网服务的架构。发布订阅模式作为大规模事件驱动机制的实现方式，得到了日益广泛的研究与应用。
发布订阅系统是一个中间件系统，主要由信息订阅者、信息发布者和事件代理组成。信息消费者(也称订阅者)通过事件代理来表达它所感兴趣的事件，可以订阅或取消订阅事件；信息生产者(也称发布者)通过事件代理发布事件；发布/订阅中间件(事件代理网络)根据信息订阅者的订阅信息维护订阅表并形成路由表，并把信息及时可靠地传送给订阅者。发布/订阅模式实现了时间、空间和控制三方解耦，满足了需进行实时数据传输的大规模分布式应用需求。
在基于主题的发布/订阅系统中，中间代理节点根据主题来匹配事件和路由表，从而将事件送至感兴趣的接收者。但是主题是预定义的，并且主题的描述粒度会对系统的可扩展性和灵活性有不同程度的限制。基于内容的发布/订阅系统在表达能力和灵活性上比基于主题的发布/订阅系统有优势，订阅者直接对内容进行订阅，事件代理需要解析事件内容，然后根据内容进行订阅匹配和事件转发。基于渠道的系统通过指定渠道来完成订阅，数据的可靠传播通过在渠道和多播地址之间的一对一映射来实现。此种订阅模型在表达能力上有所欠缺，用户不能指定渠道中感兴趣的事件。基于类型的订阅模型中，事件被规约为类的实例，即每一个事件都属于某种类的对象，中间代理结点根据事件的类型来过滤事件。基于类型的订阅模型虽然表达能力较强，但是很难找到通用的匹配算法。
此外，物联网服务快速增长的业务量和复杂性，要求物联网服务系统具有对异构、动态变化环境的适应能力。分布式发布/订阅交互模式符合物联网服务系统的本质特征，是实现大规模基于事件驱动的网络服务的一种有效手段。但是，现有物联网的发布/订阅系统中的数据隐私加密技术多是基于数学方法的经典密码学技术来计算密码学的复杂性，这些方法面临被量子计算机破解的风险，在不久的将来无法保证通信的安全性。量子密钥分发的安全性是以量子力学基本原理为理论基础的，它可让在物理空间上分离的用户共享无条件安全的密钥，它能够解决物联网发布/订阅系统通信的安全问题。但目前，如何构建基于量子密钥分发的物联网的发布/订阅系统还没有相关解决方案。
发明内容
针对现有技术的上述问题，本发明提出了一种基于SDN的量子密钥分发物联网的发布订阅系统及方法。
该发布订阅系统可以包括包括感知层、网络层、SDN控制层和应用层；
所述感知层被配置用于采集事件数据；
所述网络层被配置用于从所述感知层接收所述事件数据并将其转化为事件，以及从SDN控制层接收订阅数据并根据所述订阅数据向用户转发所述事件；
所述SDN控制层被配置用于从所述网络层接收所述事件以对其进行主题分类，并将所述主题发送给所述应用层，以及管理量子密钥的分发；
所述应用层被配置用于将所述主题推送给所述用户，并将所述用户反馈的订阅信息发送给所述SDN控制层；
在所述感知层与所述网络层之间传输的所述事件数据和/或在所述网络层与所述用户之间传输的所述事件经所述量子密钥加密处理。
进一步地，所述感知层包括物联网设备和边缘网关；所述物联网设备用于感知和采集所述事件数据，并把所述事件数据传送至所述边缘网关；所述边缘网关用于将所述事件数据传输给所述网络层。
进一步地，所述网络层包括城域网和接入网，所述城域网包括城域节点；所述城域节点被配置成事件代理节点，用于接收所述感知层的所述事件数据以将其转换为所述事件并记录，以及根据所订阅数据转发所述事件；所述接入网被配置用于建立所述事件代理节点与所述感知层之间的传输路径。
更进一步地，所述接入网包括光线路终端和边缘网关。
进一步地，所述SDN控制层包括SDN控制器和量子密钥管理单元；
所述SDN控制器被配置用于从所述事件代理节点接收所述事件以按主题对所述事件进行分类，并将所述主题上传至所述应用层，以及根据所述订阅信息制定订阅路由表，并将所述订阅信息和所述订阅路由表发送给所述事件代理节点，以控制所述事件代理节点根据所述订阅信息和所述订阅路由表转发所述事件；
所述量子密钥管理单元被配置用于控制所述量子密钥的分发。
进一步地，所述应用层包括IOT服务接口和用户服务，用于实现所述应用层与所述控制层和所述用户之间的交互。
一种基于本发明的发布订阅系统的发布订阅方法，其包括事件发布模块、事件订阅模块和事件信息传送模块；其中，
所述事件发布模块用于根据所述事件数据向所述用户推送所述主题；
所述事件订阅模块用于所述用户根据所述主题向所述事件代理节点传送所述订阅数据；
所述事件信息传送模块用于所述事件代理节点根据所述订阅数据向所述用户传送所述事件的信息。
进一步地，所述事件发布模块包括以下过程：当所述物联网设备采集到所述事件数据后向所述边缘网关提出事件数据上传请求；所述边缘网关根据所述请求向所述量子密钥管理单元提出密钥请求；所述量子密钥管理单元根据所述密钥请求分发所述量子密钥，以供所述事件数据的上传使用；所述事件代理节点将所述事件数据转换为所述事件，并上传至所述SDN控制器；所述SDN控制器将所述事件进行主题分类，并将所述主题上传至所述物联网服务接口。
进一步地，所述事件订阅模块包括以下过程：所述物联网服务接口将所述主题推送给所述用户，然后将所述用户反馈的所述订阅信息传输给所述SDN控制器；所述SDN控制器根据所述订阅信息制定所述订阅路由表，并将其发送给所述事件代理节点。
进一步地，所述事件信息传送模块包括以下过程：所述事件代理节点根据所述订阅路由表向所述量子密钥管理单元发送所述密钥请求；所述量子密钥管理单元根据所述密钥请求提取所述量子密钥，以供所述事件信息在所述事件代理节点和所述用户之间的传送路径上的保密传送。
附图说明
图1示意性说明了本发明的基于SDN的量子密钥分发物联网的发布订阅系统的框架原理图；
图2示意性示出了本发明的基于SDN的量子密钥分发物联网的发布订阅系统的工作流程的原理框架图；
图3示意性示出了本发明的基于SDN的量子密钥分发物联网的发布订阅系统的工作流程的一个具体示例。
具体实施方式
在下文中，本发明的示例性实施例将参照附图来详细描述。下面的实施例以举例的方式提供，以便充分传达本发明的精神给本发明所属领域的技术人员。因此，本发明不限于本文公开的实施例。
图1示出了本发明的基于SDN的量子密钥分发物联网的发布订阅系统的框架原理图。
如图1所示，发布订阅系统可以包括感知层、网络层、应用层、SDN控制层四个部分。
在本发明中，感知层用于事件数据的收集。
在一种具体实施方式中，感知层可以包括IOT(物联网)设备和边缘网关。IOT设备感知和采集事件数据(元数据)并把事件数据传送至与它们直接相连的边缘网关。
IOT设备充当信息传感设备，其可以包括但不限于传感器、RFID、GPS、红外感应器、激光扫描器等等，用于采集任何需要监控、连接、互动的物体或者过程，采集声、光、热、电、力学、化学、生物、位置、体重、速度等各种信息。
边缘网关将事件数据传输给相连的事件代理。根据本发明，可以为边缘网关设置量子密钥分发(QKD)设备，以提供量子密钥，从而为关于边缘网关的数据传输提供量子密钥的加密保护。例如，为IT向边缘网关传输的事件数据提供量子密钥加密保护。
网络层用于从感知层接收事件数据并将其转化为事件，以及从SDN控制层接收订阅数据并根据订阅数据转发事件。在一种具体实施方式中，网络层可以包括城域网和接入网。
城域网可以包括一个或多个城域节点，每个城域节点构成一个事件代理节点。在城域网中，多个城域节点组成事件代理网络。
感知层通过接入网连接事件代理节点，以便能够将事件数据上传至事件代理节点。本领域技术人员容易理解，每个事件代理节点可以通过接入网连接感知层中的一个或多个IOT设备，接收来自各个IOT设备上传的事件数据并将其转换为事件，记录该节点下所有的事件。此外，事件代理节点还可以根据SDN控制层提供的订阅数据(例如订阅信息和订阅路由表)转发事件(例如向应用层的用户)。
接入网可以包括光线路终端(OLT)和边缘网关，用于建立事件代理节点与感知层的数据传输路径。
在本发明中，为了实现网络层数据的传输安全，可以为事件代理节点、OLT、边缘网关设置量子密钥分发设备,从而借助量子密钥实现数据传输的绝对安全。
SDN控制层用于对事件进行主题分类并将主题发送至应用层以实现事件的发布，以及管理发布订阅系统内的量子密钥分发设备。在一种具体实施方式中，SDN控制层可以包括SDN控制器和量子密钥管理单元。
SDN控制器可以从事件代理网络(节点)获知事件以按主题对事件进行分类，并将主题上传至应用层以将事件发布，以及根据应用层返回的订阅信息制定订阅路由表，并将订阅数据(订阅信息和订阅路由表)发送给事件代理网络(节点)，以控制事件代理网络(节点)根据订阅数据(例如向应用层的订阅者)转发事件。
量子密钥管理单元用于根据密钥请求控制量子密钥分发设备分发量子密钥。例如，当边缘网关接收感知层的IOT设备的事件数据上传请求时，可以将该请求上报给量子密钥管理单元，量子密钥管理单元控制相应的量子密钥分发设备向IOT设备和边缘网关分发量子密钥，供IOT设备向边缘网关上传事件数据使用。
应用层用于向网络中的用户推送主题，并将用户反馈的(主题)订阅信息发送给SDN控制层。在一种具体实施方式中，应用层可以包括IOT服务接口和用户服务，用于实现应用层与控制层和用户之间的交互。
图2示出了本发明的发布订阅系统的工作流程的原理框架图。
如图所示，在本发明的发布订阅系统的工作流程中，可以主要包括事件发布、事件订阅和事件信息传送等三个工作模块。
事件发布模块主要涉及事件的发布过程。在事件发布模块的一个具体实施方式中，在IOT设备采集到事件数据后，向边缘网关提出事件数据上传请求。边缘网关收到请求后，上报给量子密钥管理单元，以请求密钥。量子密钥管理单元根据请求控制量子密钥分发设备(例如从网络的密钥池中)提取并分发密钥，供该事件数据上传使用。事件代理节点将收到的事件数据转换为事件，并上传至SDN控制器(此上传过程同样可以请求量子密钥以实现加密传输)。SDN控制器将从事件代理节点接收到的事件进行主题分类，并将主题上传至应用层的IOT服务接口(此上传过程同样可以请求量子密钥以实现加密传输)，从而完成对事件的发布。
事件订阅模块主要涉及事件的订阅过程。在事件订阅模块的一个具体实施方式中，IOT服务接口在接收到来自控制层的主题后将主题推送给所有用户，然后将用户反馈的订阅信息传输给SDN控制器。SDN控制器根据订阅信息制定订阅路由表，并将其发送给事件代理节点。
事件信息传送模块主要涉及事件信息向用户(订阅者)的传送过程。在事件信息发送模块的一个具体实施方式中，事件代理节点在接收到订阅数据(例如订阅信息和订阅路由表)后，根据订阅路由表向量子密钥管理单元发送密钥请求。量子密钥管理单元根据密钥请求提取量子密钥供事件信息在事件代理节点和订阅者之间的传送路径上的保密传送。
图3示出了本发明的发布订阅系统的工作流程的一个具体示例，以便更清楚地理解本发明的工作原理。
如图3所示，当物联网设备A采集到事件数据，要将事件数据上传至事件代理节点1，并由事件代理节点2下的物联网设备B所订阅时，本发明的基于SDN的量子密钥分发物联网的发布订阅系统可以具体执行以下工作流程：
步骤一：物联网设备A向其所在的边缘网关请求上传收集的事件数据；
步骤二：边缘网关收到上传请求，并上报给SDN控制层的量子密钥管理单元以请求量子密钥；
步骤三：SDN控制层的量子密钥管理单元根据请求，控制量子密钥分发设备从物联网设备A至事件代理节点1的数据传输路径上的密钥池中提取量子密钥，以供物联网设备A中的事件数据上传使用；
步骤四：事件代理节点1收到来自物联网设备A的事件数据，将事件数据转化为事件，并将其上传到SDN控制器；
步骤五：SDN控制器对自物联网设备A处接收到的事件进行主题分类，并将该主题上传给应用层的IOT服务接口；
步骤六：IOT服务接口将主题推送给所有用户，然后将得到物联网设备B这一用户反馈的订阅信息，并将其传输给SDN控制器；
步骤七：SDM控制器根据订阅信息确定订阅路由表(即由事件代理节点1将订阅的事件发布给物联网设备B这一用户的路径)，并将其发送给事件代理节点1；
步骤八：事件代理节点1收到物联网设备B这一用户的订阅信息，根据相应的订阅路由表向量子密钥管理单元发送密钥请求；
步骤九：量子密钥管理单元根据密钥请求控制量子密钥分发设备提取量子密钥，以供事件代理节点1将该主题事件安全地传送给物联网设备B这一用户；
步骤十：物联网设备B这一用户得到所订阅的事件。
在本发明中，提出了一种基于SDN的量子密钥分发物联网的发布订阅系统。利用本发明的发布订阅系统可以实现物联网发布订阅服务的安全通信，提高物联网系统中数据和隐私的安全性。此外，借助于本发明的发布订阅工作流程，可以为物联网整个发布订阅服务提供安全保障。
尽管前面结合附图通过具体实施例对本发明进行了说明，但是，本领域技术人员容易认识到，上述实施例仅是示例性的，用于说明本发明的原理，其并不会对本发明的范围造成限制，本领域技术人员可以对上述实施例进行各种组合、修改和等同替换，而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于SDN的量子密钥分发物联网的发布订阅系统，其包括感知层、网络层、SDN控制层和应用层；
所述感知层被配置用于采集事件数据；
所述网络层被配置用于从所述感知层接收所述事件数据并将其转化为事件，以及从SDN控制层接收订阅数据并根据所述订阅数据向用户转发所述事件；
所述SDN控制层被配置用于从所述网络层接收所述事件以对其进行主题分类，并将所述主题发送给所述应用层，以及管理量子密钥的分发；
所述应用层被配置用于将所述主题推送给所述用户，并将所述用户反馈的订阅信息发送给所述SDN控制层；
在所述感知层与所述网络层之间传输的所述事件数据和/或在所述网络层与所述用户之间传输的所述事件经所述量子密钥加密处理。
2.如权利要求1所述的发布订阅系统，其中，所述感知层包括物联网设备和边缘网关；
所述物联网设备用于感知和采集所述事件数据，并把所述事件数据传送至所述边缘网关；
所述边缘网关用于将所述事件数据传输给所述网络层。
3.如权利要求1所述的发布订阅系统，其中，所述网络层包括城域网和接入网，所述城域网包括城域节点；
所述城域节点被配置成事件代理节点，用于接收所述感知层的所述事件数据以将其转换为所述事件并记录，以及根据所订阅数据转发所述事件；
所述接入网被配置用于建立所述事件代理节点与所述感知层之间的传输路径。
4.如权利要求3所述的发布订阅系统，其中，所述接入网包括光线路终端和边缘网关。
5.如权利要求1所述的发布订阅系统，其中，所述SDN控制层包括SDN控制器和量子密钥管理单元；
所述SDN控制器被配置用于从所述事件代理节点接收所述事件以按主题对所述事件进行分类，并将所述主题上传至所述应用层，以及根据所述订阅信息制定订阅路由表，并将所述订阅信息和所述订阅路由表发送给所述事件代理节点，以控制所述事件代理节点根据所述订阅信息和所述订阅路由表转发所述事件；
所述量子密钥管理单元被配置用于控制所述量子密钥的分发。
6.如权利要求1所述的发布订阅系统，其中，所述应用层包括IOT服务接口和用户服务，用于实现所述应用层与所述控制层和所述用户之间的交互。
7.一种基于如权利要求1-6中任一项所述的基于SDN的量子密钥分发物联网的发布订阅系统的发布订阅方法，其包括事件发布模块、事件订阅模块和事件信息传送模块；其中，
所述事件发布模块用于根据所述事件数据向所述用户推送所述主题；
所述事件订阅模块用于所述用户根据所述主题向所述事件代理节点传送所述订阅数据；
所述事件信息传送模块用于所述事件代理节点根据所述订阅数据向所述用户传送所述事件的信息。
8.如权利要求7所述的发布订阅方法，其中，所述事件发布模块包括以下过程：
当所述物联网设备采集到所述事件数据后向所述边缘网关提出事件数据上传请求；
所述边缘网关根据所述请求向所述量子密钥管理单元提出密钥请求；
所述量子密钥管理单元根据所述密钥请求分发所述量子密钥，以供所述事件数据的上传使用；
所述事件代理节点将所述事件数据转换为所述事件，并上传至所述SDN控制器；
所述SDN控制器将所述事件进行主题分类，并将所述主题上传至所述物联网服务接口。
9.如权利要求7所述的发布订阅方法，其中，所述事件订阅模块包括以下过程：
所述物联网服务接口将所述主题推送给所述用户，然后将所述用户反馈的所述订阅信息传输给所述SDN控制器；
所述SDN控制器根据所述订阅信息制定所述订阅路由表，并将其发送给所述事件代理节点。
10.如权利要求7所述的发布订阅方法，其中，所述事件信息传送模块包括以下过程：
所述事件代理节点根据所述订阅路由表向所述量子密钥管理单元发送所述密钥请求；
所述量子密钥管理单元根据所述密钥请求提取所述量子密钥，以供所述事件信息在所述事件代理节点和所述用户之间的传送路径上的保密传送。
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