CN114422131A - Qkd网络路由方法 - Google Patents
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Abstract
QKD网络路由方法,解决了QKD网络如何减少路径切换时间的丢包的问题,属于保密通信领域。本发明包括:S1、本节点生成路由数据包和通信数据包,对路由数据包和通信数据包进行区分,若是路由数据包,转入S2,若是通信数据包,转入S3;S2、实时获取链路密钥池中剩余密钥量,若大于warn,转入S4;否则,本节点不再给邻居节点发送路由数据包,通信数据包的发送过程照常进行,转入S4;S3、实时获取链路密钥池中剩余密钥量,若大于min,转入S4;否则,本节点不再给邻居节点发送路由数据包,同时不再发送通信数据包,转入S4;warn表示密钥池容量的警报阈值,min表示密钥池容量的最小阈值;S4、选取最优的路由路径。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于OLSR的改进QKD网络路由方法,属于保密通信领域。
背景技术
量子密钥分发(Quantum key distribution,QKD)技术与一次一密(One TimePad,OTP)算法相结合,能够为远程通信方提供理论上无条件安全的保密通信服务。由于单套的QKD设备只能为一个通信对提供量子密钥,为了扩大其服务范围与规模,基于多套QKD设备来组建QKD网络成为了首选。在各学科研究人员的不懈努力下,近年来实验性QKD网络的搭建规模不断扩大,用户数量已经从6个拓展到了56个,传输距离也从19.6km延伸到了7600km。随着网络规模的不断扩大,设计一种合理的路由协议来为网络中的通信对选择最优的通信路径,对于保障网络通信质量至关重要。然而,由QKD设备的密钥生成能力有限引发的链路状态频繁更替、密钥利用率不高等问题,导致传统路由协议不能直接应用于QKD网络。
发明内容
针对QKD网络如何减少路径切换时间的丢包的问题,本发明提供一种基于OLSR的改进QKD网络路由方法。
本发明的一种QKD网络路由方法,包括:所述方法包括:
S1、本节点生成路由数据包和通信数据包,对路由数据包和通信数据包进行区分,
若是路由数据包,转入S2,若是通信数据包,转入S3;
S2、实时获取链路密钥池中剩余密钥量,若大于warn,转入S4;否则,本节点不再给邻居节点发送路由数据包,通信数据包的发送过程照常进行,转入S4;
S3、实时获取链路密钥池中剩余密钥量,若大于min,转入S4;否则,本节点不再给邻居节点发送路由数据包,同时不再发送通信数据包,转入S4;
warn表示密钥池容量的警报阈值,min表示密钥池容量的最小阈值,剩余密钥量在warn与min之间,表示链路即将断路;
S4、选取最优的路由路径。
作为优选,在进行数据包封装时,增加了1bit的消息类型字段,当发送通信数据包时,所述消息类型字段设置为0;发送路由数据包时,所述消息类型字段设置为1,S1中根据所述消息类型字段对路由数据包和通信数据包进行区分。
作为优选,在封装数据包时,从本地获知到所需的链路密钥池编号与密钥编号;
在S2及S3中,根据链路密钥池编号与密钥编号,计算出链路密钥池中的剩余密钥量。
作为优选,所述S4中,根据密钥分发速率、剩余密钥量、密钥池的最大阈值确定本节点各链路的密钥供给稳定性,优先选择密钥供给稳定性值最大对应的路径作为最优的路由路径,密钥供给稳定性值越大表示链路的密钥供给稳定性越高。
作为优选,每条路径包括多条链路,各链路的密钥供给稳定性值为:
C(u,v)表示边(u,v)的密钥分发速率,Max(u,v)表示边(u,v)所在链路密钥池的最大阈值,Cur(u,v)(i)表示i时刻时边(u,v)的剩余密钥量,γ(u,v)(i)表示i时刻时边(u,v)的密钥恢复能力,u和v分别表示边(u,v)的两个端节点;
所述路径的密钥供给稳定性值为其各链路的密钥供给稳定性值中最小值。
作为优选,在本节点的邻居表、两跳邻居表、拓扑信息表以及路由表中均加入Metric字段,用于表示各链路的密钥供给稳定性,根据邻居表、两跳邻居表、拓扑信息表以及路由表中数据,以路径密钥供给稳定性最高为寻径策略,完成对最优路由路径的选取。
本发明的有益效果,由于链路的通断变化直接由该链路上所布置密钥池的剩余密钥量所决定,本发明提供了一种基于剩余密钥量的链路状态预判机制,以引导路由协议在链路即将中断之前就进行路径切换,可有效减少路径切换时间的丢包,进而提高量子密钥利用率;此外,传统路由协议基本都是将跳数最少的最短路径作为路由判据来进行最优路径选取,当链路状态频繁更替时,这种路由决策方式很容易导致通信路径在跳数最少和跳数第二少的路径之间频繁变化,进而发生由通信不稳定导致的性能低下,为此,本发明通过对剩余密钥量、密钥分发速率、密钥消耗速率等因素的综合考量,提供一种基于密钥供给稳定性的最优路径选取策略,以增强路由路径的生存时间,从而提高量子密钥利用率。该工作对于提升QKD网络的实际性能,拓展QKD网络的应用范围,具有重要的理论与实践价值。
附图说明
图1为密钥池状态示意图;
图2为基于剩余密钥量的链路状态预判机制。
具体实施方式
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作出创造性劳动的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。
需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明,但不作为本发明的限定。
在QKD网络中,链路通断状态是由该链路上所部署的密钥池中是否还存有可用于保密通信的量子密钥决定的。如前文所提,为了保障通信过程的持续稳定运行,在每条链路上都设置了独立的密钥池。在实际执行过程中,密钥池容量不可能被无限制的扩张。为此,每个密钥池都设置了最大阈值max。同时,为了保障每次新的密钥分发发生都有足量的预先共享密钥,每个密钥池都设置了最小阈值min。此外,在本节中,为了对链路状态进行预判,每个密钥池都设置了警告阈值warn,用于表征该链路即将断路,并预先激活新路由路径的计算过程。根据三个阈值,密钥池将被分为三种状态,如图1所示。
当某条链路发生断路后,首先做出响应的是HELLO数据包的丢包引起的邻居表变化,而后触发新路由路径的计算过程。考虑到通信时延的不稳定性,原始OLSR协议往往是在3个HELLO_intervel周期内都未接收到邻居节点发来的HELLO数据包时,才视该链路因量子密钥不足而瘫痪。然而,从第一个HELLO数据包未被发出开始,链路已经发生了瘫痪,通信数据包已经无法被正常传输。在此后的3个HELLO_intervel周期内,通信数据包必然被丢包。在此期间,由于路由表中的路由路径实际情况是不可达的,通信数据包一直在被丢弃。为了应对该问题,本实施方式通过对通信数据包与路由数据包加以区分、对QKD网络的HELLO数据包传输机制进行改造等技术手段,提出了一种基于剩余密钥量的链路状态预判方案,如图2所示,本实施方式的QKD网络路由方法,包括:
步骤一、本节点生成路由数据包和通信数据包,对路由数据包和通信数据包进行区分,
判断在HELLO_intervel周期是否结束,若是,生成HELLO数据包,并设置HELLO数据包的消息类型段,若否,生成通信数据包,并设置通信数据包的消息类型段。
实时获取链路密钥池中剩余密钥量;
若是路由数据包,转入步骤二,若是通信数据包,转入步骤三;
步骤二、若大于warn,转入步骤四;否则,本节点不再给邻居节点发送路由数据包,通信数据包的发送过程照常进行,转入步骤四;
步骤三、若大于min,转入步骤四;否则,本节点不再给邻居节点发送路由数据包,同时不再发送通信数据包,转入步骤四;
warn表示密钥池容量的警报阈值,min表示密钥池容量的最小阈值,剩余密钥量在warn与min之间,表示链路即将断路;
步骤四、选取最优的路由路径。
其中,本实施方式相对于原始链路状态感知机制增加的部分,主要包括路由数据包和通信数据包的区分、剩余密钥量的实时获取和路由数据包发送过程的提前中断三部分操作。(1)在进行数据包封装时,增加了1bit的消息类型字段,当发送通信消息时,该字段被设置为0;发送HELLO消息或TC消息等路由消息时,该字段被设置为1。(2)在封装数据包时,可以从本地获知到所需的链路密钥池编号与密钥编号。根据这两者信息,可直接在本地计算出链路密钥池中的剩余密钥量。(3)当消息字段为1时,将剩余密钥量与警告阈值warn进行对比:当剩余密钥量低于warn时,令本节点不再给邻居节点发送HELLO数据包,而通信数据包的发送过程照常进行;当消息字段为0时,将剩余密钥量与最小阈值min进行对比:当剩余密钥量低于min时,令本节点不再给邻居节点发送HELLO数据包,同时不再发送通信数据包。基于该思想,总会有warn-min的量子密钥可用于在路径切换期间提供正常的保密通信服务,降低了丢包率,从而提升了网络性能。
在具备了有效的链路状态预判之后,QKD网络路由协议还应能够根据预判结果进行及时的路径调整。在最优路径选取时,传统的无线自组网路由协议均是采用跳数作为度量标准。当一条最短路径即跳数最少路径因密钥量不足而发生断路后,路由协议会据此选出一条次短路径进行保密通信。然而,在一个QKD网络中,链路密钥分发过程持续进行。在经过一个小周期的歇息后,最初的最短路径就会因剩余密钥量增长而转变为可行状态。运行一段时间后,又由于最短路径的量子密钥不足而转至次短路径。如此循环往复,使得通信路径在最短与次短路径之间进行频繁变化,导致通信不稳定,全网送达率下降。为此,本实施方式综合考虑剩余密钥量、密钥分发速率、密钥消耗速率等因素,提出了一种基于密钥供给稳定性的改进最优路径选取方法,本实施方式的步骤四中,根据密钥分发速率、剩余密钥量、密钥池的最大阈值确定本节点各链路的密钥供给稳定性值,优先选择密钥供给稳定性值最大对应的链路作为最优的路由路径,密钥供给稳定性值越大表示密钥供给稳定性越高。
用C(u,v)表示边(u,v)的密钥分发速率,u和v分别表示边(u,v)的两个端节点,Max(u,v)表示边(u,v)所设链路密钥池的最大阈值,Cur(u,v)(i)表示i时刻时边(u,v)的剩余密钥量,γ(u,v)(i)表示i时刻时边(u,v)的密钥供给稳定性。则γ(u,v)(i)的计算方式如公式(1)所示。
此外,对于QKD网络中一条路径path包括多个链路,该路径的优先级可用其所包含的所有链路密钥供给稳定性的最小值来表示,如公式(2)所示。
以密钥供给稳定性为判据选择出的最优路径稳定性更高、更不易断裂,能够更好的适应链路状态随密钥量波动而频繁变化的QKD网络。此外,该判据仅涉及密钥带宽、密钥池最大阈值、密钥池剩余密钥量等信息,这些信息均是可以从本地直接获取的,无需与其他节点交互,可随时进行判据更新,并据此更新路由路径。
由于密钥供给稳定性是随着剩余密钥量的变化而动态变化的,因此在通信过程中,需要对链路密钥能力及路径密钥能力进行实时存储与维护。本文所提的基于OLSR的改进QKD网络路由方法,在其邻居表、两跳邻居表、拓扑信息表以及路由表中均加入了Metric字段,用来表示相应链路或相应路径的密钥供给稳定性,具体含义如表1所示。
表1改进OLSR协议的各项表结构
基于表中的数据,以密钥供给稳定性最高为寻径策略,可完成对最优路径的选取。其中,NeigborTuple、TwoHopNeighborTuple、TopologyTuple与RoutingTuple分别用于表示邻居表、两跳邻居表、拓扑信息表与路由表。每个表都是一种自定义数据结构,成员变量如表1所示。为了便于对路由表条目的增删改查,为RoutingTuple结构定义了两个成员函数:GetEntry(Ipv4Address DestAddr)用以查找路由条目;AddEntry(Ipv4Address DestAddr,Ipv4Address NextHop,uint32_t HopCount,uint32_t Metric)函数用以增加路由条目。特别地,若当前路由表中含有以DestAddr为目的节点的路由条目,则AddEntry函数的作用是对其进行替代:删除旧条目并增加新条目。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明,但是应该理解的是,这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是,可以对示例性的实施例进行许多修改,并且可以设计出其他的布置,只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是,可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是,结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。
Claims (10)
1.QKD网络路由方法,其特征在于,所述方法包括:
S1、本节点生成路由数据包和通信数据包,对路由数据包和通信数据包进行区分,若是路由数据包,转入S2,若是通信数据包,转入S3;
S2、实时获取链路密钥池中剩余密钥量,若大于warn,转入S4;否则,本节点不再给邻居节点发送路由数据包,通信数据包的发送过程照常进行,转入S4;
S3、实时获取链路密钥池中剩余密钥量,若大于min,转入S4;否则,本节点不再给邻居节点发送路由数据包,同时不再发送通信数据包,转入S4;
warn表示密钥池容量的警报阈值,min表示密钥池容量的最小阈值,剩余密钥量在warn与min之间,表示链路即将断路;
S4、选取最优的路由路径。
2.根据权利要求1所述的QKD网络路由方法,其特征在于,在进行数据包封装时,增加了1bit的消息类型字段,当发送通信数据包时,所述消息类型字段设置为0;发送路由数据包时,所述消息类型字段设置为1,S1中根据所述消息类型字段对路由数据包和通信数据包进行区分。
3.根据权利要求2所述的QKD网络路由方法,其特征在于,所述路由数据包为HELLO数据包。
4.根据权利要求1所述的QKD网络路由方法,其特征在于,所述S1中,本节点生成路由数据包和通信数据包:
判断在HELLO_intervel周期是否结束,若是,生成HELLO数据包,并设置HELLO数据包的消息类型段,若否,生成通信数据包,并设置通信数据包的消息类型段。
5.根据权利要求1所述的QKD网络路由方法,其特征在于,在封装数据包时,从本地获知到所需的链路密钥池编号与密钥编号;
在S2及S3中,根据链路密钥池编号与密钥编号,计算出链路密钥池中的剩余密钥量。
6.根据权利要求1所述的QKD网络路由方法,其特征在于,所述S4中,根据密钥分发速率、剩余密钥量、密钥池的最大阈值确定本节点各链路的密钥供给稳定性,优先选择密钥供给稳定性值最大对应的路径作为最优的路由路径,密钥供给稳定性值越大表示链路的密钥供给稳定性越高。
8.根据权利要求7所述的QKD网络路由方法,其特征在于,在本节点的邻居表、两跳邻居表、拓扑信息表以及路由表中均加入Metric字段,用于表示各链路的密钥供给稳定性,根据邻居表、两跳邻居表、拓扑信息表以及路由表中数据,以路径密钥供给稳定性最高为寻径策略,完成对最优路由路径的选取。
9.一种计算机可读的存储设备,所述存储设备存储有计算机程序,其特征在于,所述计算机程序被执行时实现如权利要求1至8任一所述方法。
10.一种QKD网络路由系统,包括存储设备、处理器以及存储在所述存储设备中并可在所述处理器上运行的计算机程序,其特征在于,所述处理器执行所述计算机程序实现如权利要求如权利要求1至8任一所述方法。
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