CN116192281B - 基于量子通信的网络拓扑控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出的基于量子通信的网络拓扑控制方法,当网络拓扑结构发生改变时,控制平面的服务器向数据平面的路由器发送新的路由表,该路由表通过量子直接通信等手段传输以确保不会被攻击者篡改;数据平面路由器收到最高优先级路由表或流表后,通过量子直接通信等手段转发以确保全网所有路由器均能收到并更新为非攻击者冒充的路由表或流表,以此实现网络拓扑结构的稳定性和安全性,避免网络部分或局部瘫痪或业务数据流向非合作方。

Description

基于量子通信的网络拓扑控制方法
技术领域
本发明属于量子通信、计算机网络和信息安全的交叉学科,具体是指基于量子通信实现路由表、流表或网络拓扑相关控制指令传输,防止决定网络拓扑结构的核心数据遭到窃听和篡改的技术方法,尤其涉及一种基于量子通信的网络拓扑控制方法。
背景技术
量子是能量的最小单元,满足量子不可分割原理、量子不可克隆原理和海森堡测不准原理。以量子为信息载体的通信传输技术理论上具备信道层面的无条件安全属性,即窃听者无法在不引起通信双方察觉的条件下通过分离量子等方式窃取获悉信息内容,更无法在不引起通信双方察觉的条件下通过接入系统篡改信息内容。鉴于这一特性,量子通信技术被广泛应用于密钥分发、安全攸关数据传输、安全时间同步等领域。
对于计算机网络来说,拓扑结构的改变往往以路由表的变更和转发为标志。当计算机网络出现拓扑变化时,具有最高优先级的路由器会生成相应的路由表或流表,转发给与其连接的路由器以更新路由表,当全网所有路由器的路由表均完成更新后,网络拓扑即发生改变。更重要的是随着软件定义网络技术的日渐成熟,计算机网络传输层逐渐分离出数据平面和控制平面,控制平面决定网络拓扑结构,数据平面决定网络数据传输。软件定义网络在提升运维效率的同时,也给计算机网络的安全带来隐患:攻击者可以通过挟持控制平面和数据平面的指令传输、篡改路由表或流表的方式,对整个网络进行攻击(而非只是拦截部分链路传输的数据或破译特定的加密信息)。因此,计算机网络拓扑控制过程中的信息安全防护,比数据传输过程中的信息安全防护更为重要。
发明内容
针对上述缺陷,本发明要解决的技术问题是如何当网络拓扑结构发生改变时,控制平面的服务器编译新的路由表/流表,通过量子直接通信等手段将控制指令和路由表/流表发送给数据平面的路由器,路由器收到路由表/流表并确认其来源安全可靠后更新并转发路由表/流表,全网所有路由器重复上述步骤并完成路由表/流表更新后完成网络拓扑结构调整。
针对上述缺陷,鉴于量子通信技术具有信道层面无条件安全特性,且定期(通常为15分钟)更新的路由表和流表报文数据大小远小于视频、音频等业务数据,本发明的目的在于提供一种基于量子通信的网络拓扑控制方法,计算机网络控制平面服务器和数据平面路由器之间、数据平面各路由器之间均部署即插即用的量子通信系统,路由器将网络状态数据上传至服务器,上传过程通过量子通信完成,确保攻击者不能冒充或篡改,服务器根据网络状态确定网络拓扑的调整方案,生成控制指令报文和路由表/流表,通过量子通信下发到路由器,路由器确认控制指令报文和路由表/流表来源可靠,通过量子通信内生的身份校验机制完成上述步骤,确认无误后更新自己的路由表/流表,并生成转发报文,将路由表/流表发送给全网所有的路由器,直至下一路由表/流表更新周期到来或者服务器发送新的网络拓扑调整指令。
优选的,上述控制平面的服务器与数据平面的路由器之间通过量子通信系统建立安全互联通道,各路由器之间通过量子通信系统建立安全互联通道,量子通信通道与经典通信通道之间互相独立。
优选的,上述量子通信系统,使用量子直接通信技术,将安全传输机制锁定在物理层。
优选的,上述状态数据包括但不限于网络运行情况、拥塞故障、数据时延分布。
优选的,上述路由器收集状态数据汇总并上报服务器,上报过程需要通过量子通信完成。
优选的,上述方法具体包括以下步骤:
S1、路由表/流表的生成,控制平面的服务器根据各路由器上报汇总的状态数据决定是否需要调整网络拓扑结构,如需要则按要求生成新的路由表/流表,生成周期根据量子通信业务承载能力确定;
S2、路由表/流表的传递,控制平面利用量子通信系统将控制指令路由表/流表传递给最高优先级的路由器,路由器确定报文来源可信后更新路由表/流表,同时生成路由表/流表的转发报文;
S3、路由表/流表的转发,路由器通过量子通信系统将路由表/流表转发给与其互联的所有路由器,其他路由器确定报文来源可信后更新路由表/流表。
优选的,当网络拓扑结构发生改变时,控制平面的服务器向数据平面的路由器发送新的路由表,该路由表通过量子直接通信等手段传输以确保不会被攻击者篡改。
优选的,上述数据平面路由器收到最高优先级路由表或流表后,通过量子直接通信转发以确保全网所有路由器均能收到并更新为非攻击者冒充的路由表或流表。
优选的,上述路由表/流表数据包大小为数十兆字节,以量子直接通信为代表的量子通信系统工作带宽处于数十千字节每秒。
本发明提供一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,该程序被处理器执行时实现上述方法。
与现有技术相比,本发明具有以下优势:
首先,本发明提出利用量子通信实现状态数据传输的方案,具有很强的现实可操作性,量子通信特别是量子直接通信传输速率远低于经典OTN光端机传输速率,无法与超大规模用户高清音视频业务匹配,但能够满足网络状态数据传输的速率要求;
其次,本发明将网络安全概念从单纯的数据安全提升到了运维安全,保证网络拓扑按照预设要求稳定安全运转,避免网络部分或局部瘫痪或业务数据流向非合作方;
最后,本发明提出基于量子通信的网络拓扑空控制方法,将量子通信作为桥接控制平面和数据平面的传输手段,为软件定义网络扩容升级的物理安全防护体系构建奠定坚实基础。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,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示出了本发明基于量子通信的网络拓扑控制方法的一实施例示意图;
图2示出了本发明基于量子通信的网络拓扑控制方法的具体实施例示意图;
图3示出了本发明基于量子通信的网络拓扑控制方法的另一实施例示意图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例,为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细描述。应理解,此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明,并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说,本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。
需要说明的是,在本文中,诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
如图1所示,本发明提供了一种基于量子通信的网络拓扑控制方法的实施例,包括:
S101、路由表/流表的生成,控制平面的服务器根据各路由器上报汇总的状态数据决定是否需要调整网络拓扑结构,如需要则按要求生成新的路由表/流表,生成周期根据量子通信业务承载能力确定;
S102、路由表/流表的传递,控制平面利用量子通信系统将控制指令路由表/流表传递给最高优先级的路由器,路由器确定报文来源可信后更新路由表/流表,同时生成路由表/流表的转发报文;
S103、路由表/流表的转发,路由器通过量子通信系统将路由表/流表转发给与其互联的所有路由器,其他路由器确定报文来源可信后更新路由表/流表。
如图2所示,本实施例还提供一种基于量子通信的网络拓扑控制方法,实施步骤为:
1. 控制平面的服务器与数据平面的路由器之间通过量子通信系统建立安全互联通道,各路由器之间通过量子通信系统建立安全互联通道,量子通信通道与经典通信通道之间互相独立;
2. 路由器收集状态数据(主要是拥塞时延等)汇总并上报服务器,上报过程需要通过量子通信完成,以确保服务器收集到的状态数据来自于真实的路由器而非由攻击者编造冒充;
3. 收集到状态数据的服务器根据业务流量需要,优化网络拓扑结构并生成新的路由表/流表;
4. 服务器通过量子通信系统将调整网络拓扑结构的控制指令和路由表/流表发送给路由器,路由器确定控制指令来源可信后修改自身路由表/流表并生成转发报文;
5. 路由器通过量子通信系统内将路由表/流表转发至全网所有路由器,所有路由器的路由表/流表更新后网络拓扑结构即发生调整。通常,路由表/流表数据包大小为数十兆字节,以量子直接通信为代表的量子通信系统工作带宽处于数十千字节每秒,完全能够满足十五分钟更新一次路由表/流表的实际工作要求。
如图3所示,本实施例展示了基于量子通信的网络拓扑控制方法实施例,具体包括:
S201、计算机网络控制平面服务器和数据平面路由器之间、数据平面各路由器之间均部署即插即用的量子通信系统;
S202、路由器将网络状态数据上传至服务器,上传过程通过量子通信完成,确保攻击者不能冒充或篡改,服务器根据网络状态确定网络拓扑的调整方案,生成控制指令报文和路由表/流表,通过量子通信下发到路由器;
S203、路由器确认控制指令报文和路由表/流表来源可靠,可通过量子通信内生的身份校验机制完成上述步骤,确认无误后更新自己的路由表/流表,并生成转发报文,将路由表/流表发送给全网所有的路由器,直至下一路由表/流表更新周期到来或者服务器发送新的网络拓扑调整指令。
在一些实施例中,S201中,考虑到逻辑层密钥管理的难度问题,优选使用量子直接通信技术方案,将安全传输机制锁定在物理层。
在一些实施例中,S202中状态数据包括但不限于网络运行情况、拥塞故障、数据时延分布等。
本发明还提供一种基于量子通信的网络拓扑控制方法的实施例,当网络拓扑结构发生改变时,控制平面的服务器向数据平面的路由器发送新的路由表,该路由表通过量子直接通信等手段传输以确保不会被攻击者篡改;数据平面路由器收到最高优先级路由表或流表后,通过量子直接通信等手段转发以确保全网所有路由器均能收到并更新为非攻击者冒充的路由表或流表,以此实现网络拓扑结构的稳定性和安全性,避免网络部分或局部瘫痪或业务数据流向非合作方。
在一些实施例中,量子通信以量子态为载体进行传输,传输过程符合海森堡测不准原理、量子态不可克隆原理、量子不可分离原理。
在一些实施例中,量子通信信道可以是光纤也可以是自由空间。
在一些实施例中,量子态可以是光子也可以是自旋电子,编码自由度可以是相位、偏振、模场、到达时间等,可以遵循准备-测量协议也可以遵循纠缠协议,不限定量子通信系统具体结构和工作模式。
在一些实施例中,网络拓扑调整的路由器将网络状态数据上传至服务器,上传过程通过量子通信完成,确保攻击者不能冒充或篡改,状态数据包括但不限于网络运行情况、拥塞故障、数据时延分布等,服务器根据网络状态确定网络拓扑的调整方案,生成控制指令报文和路由表/流表,通过量子通信下发到路由器,路由器确认控制指令报文和路由表/流表来源可靠,可通过量子通信内生的身份校验机制完成上述步骤,确认无误后更新自己的路由表/流表,并生成转发报文,将路由表/流表发送给全网所有的路由器,直至下一路由表/流表更新周期到来或者服务器发送新的网络拓扑调整指令。
在一些实施例中,不限定路由表、流表遵循的协议标准,不限定路由器的部署方案,不限定控制平面服务器和数据平面路由器之间的控制关系,凡使用量子通信进行计算机网络控制层数据传输安全防护的技术均属本发明权利要求范围。
与现有技术相比,本发明具有以下优势:
首先,本发明提出利用量子通信实现状态数据传输的方案,具有很强的现实可操作性,量子通信特别是量子直接通信传输速率远低于经典OTN光端机传输速率,无法与超大规模用户高清音视频业务匹配,但能够满足网络状态数据传输的速率要求;
其次,本发明将网络安全概念从单纯的数据安全提升到了运维安全,保证网络拓扑按照预设要求稳定安全运转,避免网络部分或局部瘫痪或业务数据流向非合作方;
最后,本发明提出基于量子通信的网络拓扑空控制方法,将量子通信作为桥接控制平面和数据平面的传输手段,为软件定义网络扩容升级的物理安全防护体系构建奠定坚实基础。
为了描述的方便,描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然,在实施本申请时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。
本领域内的技术人员应明白,本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此,本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且,本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器,使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述,例如程序模块。一般地,程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请,在这些分布式计算环境中,由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中,程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中,使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品,该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上,使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理,从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
在一个典型的配置中,计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。
内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器,随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式,如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。内存是计算机可读介质的示例。
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括,但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带,磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质,可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定,计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media),如调制的数据信号和载波。
还需要说明的是,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述,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。
以上所述仅为本申请的实施例而已,并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说,本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种基于量子通信的网络拓扑控制方法,其特征在于,计算机网络控制平面服务器和数据平面路由器之间、数据平面各路由器之间均部署即插即用的量子通信系统,路由器将网络状态数据上传至服务器,上传过程通过量子通信完成,确保攻击者不能冒充或篡改,服务器根据网络状态确定网络拓扑的调整方案,生成控制指令报文和路由表/流表,通过量子通信下发到路由器,路由器确认控制指令报文和路由表/流表来源可靠,通过量子通信内生的身份校验机制完成上述步骤,确认无误后更新自己的路由表/流表,并生成转发报文,将路由表/流表发送给全网所有的路由器,直至下一路由表/流表更新周期到来或者服务器发送新的网络拓扑调整指令;所述方法具体包括以下步骤:
S1、路由表/流表的生成,控制平面的服务器根据各路由器上报汇总的状态数据决定是否需要调整网络拓扑结构,如需要则按要求生成新的路由表/流表,生成周期根据量子通信业务承载能力确定;
S2、路由表/流表的传递,控制平面利用量子通信系统将控制指令路由表/流表传递给最高优先级的路由器,路由器确定报文来源可信后更新路由表/流表,同时生成路由表/流表的转发报文;
S3、路由表/流表的转发,路由器通过量子通信系统将路由表/流表转发给与其互联的所有路由器,其他路由器确定报文来源可信后更新路由表/流表。
2.根据权利要求1所述的基于量子通信的网络拓扑控制方法,其特征在于,所述控制平面的服务器与数据平面的路由器之间通过量子通信系统建立安全互联通道,各路由器之间通过量子通信系统建立安全互联通道,量子通信通道与经典通信通道之间互相独立。
3.根据权利要求1所述的基于量子通信的网络拓扑控制方法,其特征在于,所述量子通信系统,使用量子直接通信技术,将安全传输机制锁定在物理层。
4.根据权利要求1所述的基于量子通信的网络拓扑控制方法,其特征在于,所述状态数据包括但不限于网络运行情况、拥塞故障、数据时延分布。
5.根据权利要求1所述的基于量子通信的网络拓扑控制方法,其特征在于,所述路由器收集状态数据汇总并上报服务器,上报过程需要通过量子通信完成。
6.根据权利要求1所述的基于量子通信的网络拓扑控制方法,其特征在于,当网络拓扑结构发生改变时,控制平面的服务器向数据平面的路由器发送新的路由表,该路由表通过量子直接通信手段传输以确保不会被攻击者篡改。
7.根据权利要求1所述的基于量子通信的网络拓扑控制方法,其特征在于,所述数据平面路由器收到最高优先级路由表或流表后,通过量子直接通信转发以确保全网所有路由器均能收到并更新为非攻击者冒充的路由表或流表。
8.根据权利要求1所述的基于量子通信的网络拓扑控制方法,其特征在于,所述路由表/流表数据包大小为数十兆字节,以量子直接通信为代表的量子通信系统工作带宽处于数十千字节每秒。
9.一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,该程序被处理器执行时实现权利要求1-8任一项所述方法。
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