CN220554017U - 一种网状结构的多级qkd网络系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种网状结构的多级QKD网络系统，所述系统包括多个城域网，多个域域网两两之间通过光纤连接，任意两个域域网连接的链接上设置有监测器；任意一个域域网包括多个用户端，任意两个用户端通过量子信道连接并设置有监测器；用户端A将通信申请发送至所有的用户端，并获取处于通信状态中的所有城域网所占用的波长范围，选择本地城域网的波长X作为通信波长与用户端B通信；用户端A获取与用户端B的通信链路的监测器数据并选择最佳的传输路径l1将信号传输至用户端B。本实用新型对域域网和用户端采取上下级结构，实现了各级结构独立运行或多级结构并行运行，使得密钥生成速率和效率大大提升，提高了量子通信的实际运用性。
Description
技术领域
本实用新型涉及量子通信领域，具体涉及一种网状结构的多级QKD网络系统。
背景技术
传统密码通信的安全性是基于数学计算上的复杂度，量子密码通信的安全性与传统密码通信不同是基于量子力学的基本原理；数学计算上的复杂度随着计算机日益增强的计算能力逐渐受到威胁，而量子力学的基本原理保证了量子密码通信处于一个绝对安全的状态。量子力学的基本原理，即海森堡测不准原理(Heinsberg's Uncertainty Principle)和量子态不可克隆原理(Quantum No-Cloning Theorem)，使得量子密钥分发的合法通信双方安全的分享密钥，从而进行绝对安全的信息传输。
目前量子密钥分发技术的主要难点在于如何更好地将量子通信与经典通信融合，即利用现有的经典通信网络来进行量子通信，考虑到现有经典通信已经大规模采用光纤网络，为量子通信创造了一个良好的条件，因为现有的光纤网络也可以保证量子通信的进行，就不用为了量子通信来建立专用的通信网络，大大节省了成本。
而在如何更好地将量子通信与经典通信融合这个难点上，已经有了多种可行的方案可以实现多种可行的多用户QKD网络结构。从现有的技术方案上来看，大多数的多用户QKD网络结构采用的都是基于环状和总线型的结构，采用的一般都是波分复用技术，但大多数方案中的发送方的激光器采用的都是单波长光源，因此每次只能产生单一波长，且每个用户只能是Alice发送方或者是Bob接收方的其中一个，导致每次通信时都只能实现一对一的通信；上述方案导致了多用户QKD网络中多个用户不能同时工作和多用户QKD网络系统的密钥生成速率和效率非常的低等问题，使得量子通信在现实中缺乏实际可行性。
因此，有待对现有技术的不足进行改进，提出一种网状结构的多级QKD网络系统。
实用新型内容
本实用新型的目的是为了克服已有技术的缺陷，为了解决多用户QKD网络系统的密钥生成速率问题，提出了一种网状结构的多级QKD网络系统。
本实用新型通过下述技术方案实现的：
一种网状结构的多级QKD网络系统，所述系统包括多个城域网，多个域域网两两之间通过光纤连接，任意两个域域网连接的链接上设置有监测器；
任意一个域域网包括多个用户端，任意两个用户端通过量子信道连接，任意一条量子信道链接上设置有监测器；
所述多个用户端包括第一光路选择器、第二光路选择器、第三光路选择器、测量端、发射端和控制器；
所述第一光路选择器的第一输入端口通过测量端与第二光路选择器的第一输出端口相连，第二输入端口与第二光路选择器的第二输出端口相连，第三输入端口通过第三光路选择器与第二光路选择的第三端口相连；所述第三光路选择器与发射端相连后接入控制器的第一端口，所述控制器的第二端口、第三端口分别与第一光路选择器、第二光路选择器连接；
所述多个用户端用于通过域域网进行互相通信；
所述监测器用于监测链路的资源占用率和链路通信状态并将资源占用率和链路通信状态反馈给用户端。
优选地，所述多个用户端包括N个用户端，所述用户端用于作为信号的发送端、传输节点或接收端。
优选地，当两个通信用户端位于不同的域域网时，
作为发送端的用户端A将通信申请发送至所有的用户端，并获取处于通信状态中的所有城域网所占用的波长范围，选择本地城域网的波长X，然后将波长X告知其它城域网，并选择波长X作为通信波长与作为接收端的用户端B通信。
优选地，作为发送端的用户端A获取与作为接收端的用户端B的通信链路的监测器数据，选择最佳的传输路径l1传输信号至作为接收端的用户端B。
优选地，当两个通信用户端位于同一个域域网通信时，
作为发送端的用户端C将通信申请发送至同一个域域网内的其他用户端，并获取处于通信状态中的用户端所占用的波长范围，选择通信波长Y作为通信波长与作为接收端的用户端D通信。
优选地，所述用户端C获取与用户端D的通信链路的监测器数据，然后选择最佳的传输路径l2传输信号至用户端D。
优选地，当用户端为发送端时，控制器控制第三光路选择器确定发射端的总输出方向，发射端发出的信号选择第一光路选择器模块或者第二光路选择器发出。
优选地，当用户端为接收端时，控制器控制第一光路选择器或者控制第二光路选择器为第一输入端口接收光信号后传输至测量端进行测量。
本实用新型的有益效果为：
本实用新型将经典通信网络中的网状结构与量子通信的多用户QKD城域网络融合，并对域域网和用户端采取上下级结构，实现了各级结构独立运行或多级结构并行运行，可以实现多链路量子通信、通信链路保护或光网状结构的多对多的量子密钥分发等功能，本实用新型使得密钥生成速率和效率大大提升，提高了量子通信的实际运用性。
附图说明
图1为本实用新型一种网状结构的多级QKD网络系统的城域网网络结构图；
图2为本实用新型的城域网结构图；
图3为本实用新型的用户端结构图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本实用新型进行进一步详细说明，但本实用新型要求保护的范围并不局限于下述具体实施例。
一种网状结构的多级QKD网络系统，如图1-2所示，所述系统包括多个城域网，多个域域网两两之间通过光纤连接，任意两个域域网连接的链接上设置有监测器；
任意一个域域网包括多个用户端，任意两个用户端通过量子信道连接。任意一条量子信道链接上设置有监测器。
所述多个用户端包括N个用户端，所述用户端为信号的发送端、中间节点或接收端。
如图3所示，所述多个用户端包括第一光路选择器301、第二光路选择器302、第三光路选择器304、测量端303、发射端305和控制器306；
所述第一光路选择器301有N个输入端口(N取决于与用户端连接的量子信道的数量)，第二光路选择模块302有M个输出端口(M取决于与用户端连接的量子信道的数量)；
第一光路选择器301的第一输入端口通过测量端303与第二光路选择器302的第一输出端口相连，第二输入端口与第二光路选择器302的第二输出端口相连，第三输入端口通过第三光路选择器304与第二光路选择302的第三端口相连；所述第三光路选择器304与发射端305相连后接入控制器306的第一端口，所述控制器306的第二端口、第三端口分别与第一光路选择器301、第二光路选择器连接302；
所述多个用户端用于通过域域网进行互相通信；
所述监测器用于监测链路的资源占用率和链路通信状态并将资源占用率和链路通信状态反馈给用户端。
本实施例基于一种网状结构的多级QKD网络系统的工作的原理和过程如下：
当两个通信用户端位于不同的域域网时，作为发送端的用户端A将通信申请发送至所有的用户端，并获取处于通信状态中的所有城域网所占用的波长范围，选择本地城域网的波长X，然后将波长X告知其它城域网，并选择波长X作为通信波长与作为接收端的用户端B通信；
作为发送端的用户端A获取与作为接收端的用户端B的通信链路的监测器数据，接着选择最佳的传输路径l1传输信号至作为接收端的用户端B，，最佳传输路径采用现有技术算法获取，不是本申请的创新点，因此不详细介绍；在所述传输路径l1的中间用户端作为传输节点，所述传输节点对传输的信号不做任何处理。
如图1所示，以城域网1中的用户端2和城域网3中的用户端4进行通信为例，城域网1中的用户端2首先在所有的城域网中发布通信申请，用户端之间和城域网之间存在信息交互，用户端2获取处于通信状态中的所有城域网所占用的波长范围，选择本地城域网的波长X，然后将波长X告知其它城域网，并选择波长X作为通信波长与用户端4通信。
城域网1中的用户端2有多条链路连接到城域网3中的用户端4上，每级结构的每条链路都有相对应的监测器用于监测每条链路的状况并能将链路状况反馈给城域网1中的用户端2；则用户端2能够通过各级结构中的监测器的反馈知道网状量子信道的状况，进而用户端2在进行通信时可以根据网状量子信道的各条链路状况来决定最佳的传输路径1、2、3…；在进行传输时，当除了路径1正常，其他链路都出现了若干的问题不适于通信，那么通过各级结构中的监测器的反馈，用户端2选择了上述传输路径中的1路径，那么城域网1中的用户端2产生的信号即沿着1路径传输到城域网3中的用户端4上，传输途径上的其他用户端不参与通信，只是作为城域网1中的用户端2与城域网3中的用户端4通信传输路径中的其中一个节点，不对信号进行任何的处理。其中，当检测器反馈给用户端传输路径1里的传输节点或者链路存在问题不适合通信，用户端可以根据检测器的实时反馈更快到找到可以通信的传输路径，从而提高通信效率。
当两个通信用户端位于同一个域域网通信时，作为发送端的用户端C将通信申请发送至同一个域域网内的其他用户端，并获取处于通信状态中的用户端所占用的波长范围，选择通信波长Y作为通信波长与作为接收端的用户端D通信；
所述用户端C获取与用户端D的通信链路的监测器数据，然后选择最佳的传输路径l2传输信号至用户端D，最佳传输路径采用现有技术算法获取；在所述传输路径l2的中间用户端作为传输节点，所述传输节点对传输的信号理不做任何处理。
如图2所示，当同一个城域网中的用户端1和用户端5进行通信为例，所述城域网1中的用户端1和用户端5要进行通信前，用户端1通过网状结构量子信道将通信申请发送至同一个域域网内的其他用户端，并获取处于通信状态中的用户端所占用的波长范围，选择通信波长Y作为通信波长与作为接收端的用户端5通信，用户端1有多条链路连接到用户端5上：
1.I1→I4→I5→I7
2.I1→I4→I5→I6→I8
3.I2→I7
4.I2→I6→I8
5.I9
…
每条链路都有相对应的监测用于监测每条链路的状况并能将链路状况反馈给用户端1；因此用户端1能够通过网状量子信道中的监测器的反馈知道网状量子信道的状况，进而用户端1在进行通信时可以根据网状量子信道的各条链路状况来决定最佳的传输路径1、2、3…，在进行传输时，传输路径的中间用户端只作为其中的一个传输节点，对传输的信息不做任何处理；
假设除了链路I1、I4、I5、I7正常，其他链路都出现了若干的问题不适于通信，那么通过监测器102的反馈，用户端1选择了上述传输路径中的1路径，即
1.I1→I4→I5→I7
那么用户端1产生的信号即沿着I1、I4、I5、I7链路传输到用户端5上，传输途径上的用户端2、用户端3和用户端4不参与通信，只是作为用户端1与用户端5通信传输路径中的其中一个节点，不对信号进行任何的处理。其中，当检测器反馈给用户端传输路径1里的传输节点或者链路存在问题不适合通信，用户端可以根据检测器的实时反馈更快到找到可以通信的传输路径，从而提高通信效率，并信号传输采用网状结构的方式起到了一个链路保护的作用。
其中，如图3所示，当用户端为发送端时，控制器306根据最佳传输路径确定用户端信号的传输路径，控制器306首先控制第三光路选择器304确定发射端的总输出方向，发射端发出的信号选择第一光路选择器301或者第二光路选择器302发出；
用户端为接收端时，控制器306根据传输路径控制第一光路选择器301或者控制第二光路选择器302为第一输入端口接收光信号后传输至测量端303进行测量；
当用户端是处在量子通信的中间节点上时，控制器306控制第一光路选择器301和第二光路选择器302分别为第二输入端口和第二输出端口，此时用户端只作为传输路径的其中一个节点，不对信号进行任何的处理，作用相当于信道。
本实用新型将经典通信网络中的网状结构与量子通信的多用户QKD城域网络融合，并对域域网和用户端采取上下级结构，实现了各级结构独立运行或多级结构并行运行，对于信号传输中也起到了一个链路保护的作用；
本实用新型可以实现多链路量子通信、通信链路保护或光网状结构的多对多的量子密钥分发等功能，本实用新型使得密钥生成速率和效率大大提升，提高了量子通信的实际运用性。
根据上述说明书的揭示和教导，本实用新型所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本实用新型并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对实用新型的一些修改和变更也应当落入本实用新型的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对实用新型构成任何限制。
Claims (9)
1.一种网状结构的多级QKD网络系统，其特征在于，所述系统包括多个城域网，多个域域网两两之间通过光纤连接，任意两个域域网连接的链接上设置有监测器；
任意一个域域网包括多个用户端，任意两个用户端通过量子信道连接，任意一条量子信道链接上设置有监测器；
所述多个用户端用于通过域域网进行互相通信；
所述监测器用于监测链路的资源占用率和链路通信状态并将资源占用率和链路通信状态反馈给用户端。
2.根据权利要求1所述的一种网状结构的多级QKD网络系统，其特征在于，所述多个用户端包括第一光路选择器、第二光路选择器、第三光路选择器、测量端、发射端和控制器；
所述第一光路选择器的第一输入端口通过测量端与第二光路选择器的第一输出端口相连，第二输入端口与第二光路选择器的第二输出端口相连，第三输入端口通过第三光路选择器与第二光路选择的第三端口相连；所述第三光路选择器与发射端相连后接入控制器的第一端口，所述控制器的第二端口、第三端口分别与第一光路选择器、第二光路选择器连接。
3.根据权利要求1所述的一种网状结构的多级QKD网络系统，其特征在于，所述多个用户端包括N个用户端，所述用户端用于作为信号的发送端、传输节点或接收端。
4.根据权利要求2所述的一种网状结构的多级QKD网络系统，其特征在于，当两个通信用户端位于不同的域域网时，
作为发送端的用户端A将通信申请发送至所有的用户端，并获取处于通信状态中的所有城域网所占用的波长范围，选择本地城域网的波长X，然后将波长X告知其它城域网，并选择波长X作为通信波长与作为接收端的用户端B通信。
5.根据权利要求4所述的一种网状结构的多级QKD网络系统，其特征在于，作为发送端的用户端A获取与作为接收端的用户端B的通信链路的监测器数据，选择最佳的传输路径l1传输信号至作为接收端的用户端B。
6.根据权利要求5所述的一种网状结构的多级QKD网络系统，其特征在于，当两个通信用户端位于同一个域域网通信时，
作为发送端的用户端C将通信申请发送至同一个域域网内的其他用户端，并获取处于通信状态中的用户端所占用的波长范围，选择通信波长Y作为通信波长与作为接收端的用户端D通信。
7.根据权利要求6所述的一种网状结构的多级QKD网络系统，其特征在于，所述用户端C获取与用户端D的通信链路的监测器数据，然后选择最佳的传输路径l2传输信号至用户端D。
8.根据权利要求3所述的一种网状结构的多级QKD网络系统，其特征在于，当用户端为发送端时，控制器控制第三光路选择器确定发射端的总输出方向，发射端发出的信号选择第一光路选择器模块或者第二光路选择器发出。
9.根据权利要求3所述的一种网状结构的多级QKD网络系统，其特征在于，当用户端为接收端时，控制器控制第一光路选择器或者控制第二光路选择器为第一输入端口接收光信号后传输至测量端进行测量。
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