CN107426101A - 一种基于分层的量子簇分片传输方法 - Google Patents

一种基于分层的量子簇分片传输方法 Download PDF

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Abstract

在量子通信网络中，基于量子簇的数据传输方案可以有效节省在城域网之间数据的传输时间和纠缠资源的消耗。然而，量子路由器因自身性能的限制能够存储转发的量子簇长度是有限的，城域网和广域网数据量非常大，会导致大量量子簇因长度限制问题无法转发而只能以量子分组的形式进行数据传输。为了解决上述问题，本发明提出了一种量子簇分片传输方案，其将不能够直接被量子路由器存储转发的量子簇，通过分片将其分解为若干个长度较短的能够直接被路由器存储转发的分片量子簇完成数据传输，其能够以较少的纠缠资源和较小的传输时间完成量子分组的数据传输，具有较好的实际应用价值。

Description

一种基于分层的量子簇分片传输方法
技术领域
本发明公开了一种基于分层的量子簇分片传输方法，属于量子互联网通信领域。
背景技术
文献“一种基于分层的量子分组传输方案及性能分析”针对大规模的量子通信网络提出了一种基于量子网络分层结构的量子分组传输方案，能够进一步减少量子分组信息在量子通信网络中的传输时间和纠缠资源。然而，在实际的量子互联网中，完成路由存储转发的核心设备是量子路由器，在研究量子数据传输方案时，应当充分考虑量子路由器自身性能的限制；量子路由器是以量子分组或量子分组簇为基本的路由选择单位，其需要首先将到达的量子分组或量子分组簇存入到接收缓存中，等待处理；而量子路由器的缓存是有限的，如果每个量子分组或量子分组聚合后的量子簇过长，可能会导致该量子分组或量子簇无法进入缓存而被直接丢弃，导致丢包率上升，对量子路由器性能及工作效率造成负面影响。因此，在实际工程应用中，量子路由器都会对能够转发的分组或分组簇限定一个最大转发长度，一旦量子分组或量子分组簇长度超过上限，量子路由器将直接把其丢弃，不对其进行转发。在文献“一种基于分层的量子分组传输方案及性能分析”提出的量子簇数据传输方案没有考虑量子路由器关于量子簇转发长度的限制，如果聚合后的量子簇长度过大，该量子簇将直接被丢弃，导致数据丢失。
为了解决上述问题，本专利提出了一种基于分层的量子簇分片传输方法，能够在确保数据正确传输的同时，进一步节省纠缠资源的消耗。
发明内容
在经典互联网中，网络规模庞大，为了能够对互联网中庞大的用户主机进行有效地管理，依据不同级别网络的覆盖范围，将互联网中不同级别的网络被划分为局域网、城域网和广域网。随着量子通信技术的不断发展与应用，在传统互联网中引入量子通信技术实现数据传输将是未来的一个发展方向。文献“一种基于分层的量子分组传输方案及性能分析”依据经典互联网结构将量子互联网按照覆盖区域分为量子局域网、量子城域网和量子广域网，如附图1所示。在文献“一种基于分层的量子分组传输方案及性能分析”中指出，量子城域网用来接收和转发其管理的下级局域网传送的量子分组，量子广域网用来接收和转发其管理的下级城域网传送的量子分组或量子簇。在文献“一种基于分层的量子分组传输方案及性能分析”中给出了量子分组报文格式和量子簇报文格式。
量子簇是量子分组按照目的地址进行聚合，之后再进行路由转发。量子簇当中的负载长度是聚合过程当中的所有量子分组长度之和。但是因为量子路由器能够转发的量子分组或量子分组簇的长度是有限的，因此如果对同一网络目的地址的量子分组进行无限制的聚合，其生成的量子簇长度可能就会超过量子路由器能够处理的上限，一旦长度超过上限，该量子簇将被量子路由器直接丢弃。
为了能够有效解决这一问题，本专利在量子簇报文格式的基础上提出了分片量子簇报文格式，报文格式中所包含字段的具体内容如附图2所示。分片量子簇报文中包含目的地址字段、业务流类别字段、载荷长度字段、标志字段、片偏移字段、标识字段和有效数据字段，其中目的地址字段、业务流类别字段、载荷长度字段、标志字段、片偏移字段和标识字段为分片量子簇报文的首部字段，各个字段具体含义如下：
（1）目的地址：分片量子簇的目的地址，其中包括64位量子位；
（2）业务流类别：包括2个量子位，能够用于区分量子分组、量子簇和分片量子簇；
（3）载荷长度:分片量子簇中的有效数据长度，根据分片后得到的分片量子簇中包含的各量子分组数据长度计算得出；
（4）标志：1个量子位，采用密集编码方式可实现2位二进制地址编码。当2位二进制地址编码为00时，表示数据允许分片，且已经是整个数据最后一个分片；当2位二进制地址编码为01时，表示数据允许分片，且后面还有数据分片；当2位二进制地址编码为10时，表示不允许分片；当2位二进制地址编码为11时，无意义；
（5）片偏移：7个量子位，片偏移指出，在较长的数据分片之后，某一数据分片在原来的数据当中的相对位置，且每个分片的长度是8字节的整数倍；
（6）标识：在发送端，当聚合后的量子簇长度过大时，可将其按照分片量子簇格式将其分成若干个分片报文，并给每一个分片后的报文分配一个相同的报文标识；以便接收端收到这些分片报文的时候，能够依据标识字段确定哪些分片报文是属于同一个长报文的，有效实现分片报文的重组；
（7）有效数据：分片后该分片量子簇中包含的各量子分组数据；
其中标志字段的具体编码和解码步骤如下：
步骤1、城域网路由器B针对自己所要发送的分片量子簇报文首部标志位信息产生相应的量子纠缠对，将量子纠缠对中其中的一个留给自己，另外一个发送给下一跳路由器，假定最初制备的纠缠态是 ；
步骤2、城域网路由器B通过对自己持有的量子比特执行不同的幺正变换实现标志位两个经典比特编码，具体编码过程如下：如果城域网路由器B要传送的标志位经典比特信息为00，则对自己持有的量子比特执行幺正变换，该量子比特的纠缠态变为：；如果城域网路由器B要传送的标志位经典比特信息为01，则对自己持有的量子比特执行幺正变换，该量子比特的纠缠态变为：；如果城域网路由器B要传送的标志位经典比特信息为10，则对自己持有的量子比特执行幺正变换，该量子比特的纠缠态变为：；如果城域网路由器B要传送的标志位经典比特信息为11，则对自己持有的量子比特执行幺正变换，该量子比特的纠缠态变为：；
步骤3、城域网路由器B把自己所持有的编码后的纠缠粒子发送到下一跳路由器C，之后下一跳路由器使用贝尔基进行联合测量，如果测量结果为，则路由器C获得的两个标志位经典比特信息为00；如果测量结果为，则路由器C获得的两个标志位经典比特信息为01；如果测量结果为，则路由器C获得的两个标志位经典比特信息为10；如果测量结果为，则路由器C获得的两个标志位经典比特信息为11；量子路由器通过进行联合测量就能够读取出分片量子分簇报文中包含的首部信息。
在文献“一种基于分层的量子分组传输方案及性能分析”中详细给出了量子分组及量子簇数据的传输方案，然而一旦聚合后的量子簇长度超过量子路由器能够处理的上限，量子簇将直接被量子路由器丢弃，将会导致大量的量子分组被丢失。为了能够有效解决这一问题，本专利在此基础上给出了分片量子簇数据传输方法；其将需要发送的量子分组按照目的地址进行聚合后得到一个量子数据序列。如果得到的量子数据序列长度能够满足量子路由器对报文有效数据长度的限制，则将该量子数据序列作为有效数据按照量子簇报文格式将其封装为量子簇报文后，直接通过路由器进行存储转发；如果得到的量子数据序列长度不能够满足量子路由器对报文有效数据长度的限制，则将得到的量子数据序列按照分片量子簇报文格式，通过分片将其分解为若干个长度较短的能够直接被路由器存储转发的分片量子簇报文完成数据传输；对量子簇报文分片后得到的量子簇分片报文通过量子路由器进行存储转发后，最终达到目的地址对应的城域网路由器，然后由城域网路由器对收到的分片量子簇报文进行报文重组后得到原始的量子分组报文。最后城域网路由器将收到的原始的量子分组报文转发到接收端所在的局域网中。
假定某城域网路由器在时间T内收到了从局域网发送的m个量子分组，假定每个量子路由器能够处理的最大有效数据长度为A，分片量子簇聚合重组的具体步骤如下：
步骤1、设置硬件计时器T，假定在计时器T超时之前某城域网路由器接收到m个量子分组，将m个量子分组加入到集合QS中，i的初始值设置为1；
步骤2、从集合QS中取出一个量子分组，该量子分组用QT表示，将分组QT加入到集合Qi中，如果集合QS不为空，执行步骤3；如果集合QS为空，执行步骤5；
步骤3、从集合QS中取出下一个量子分组，该量子分组用QN表示，如果QN和QT的目的地址对应的网络地址相同，则将QT加入到集合Qi中；如果QN和QT的目的地址对应的网络地址不同，则将分组QN加入到集合QSS中；
步骤4、如果集合QS不为空，则执行步骤2；如果集合QS为空，则执行步骤5；
步骤5、如果集合QSS为空，则执行步骤6；如果集合QSS不为空，则将集合QSS中的所有元素加入到集合QS中，将i的数值加1，执行步骤2；
步骤6、将v的数值设置为i，则最终得到了v个集合Qj, 1≤j≤v；
步骤7、针对每个集合Qj中包含的量子分组完成聚合；
在步骤7中，具体包括如下步骤：
步骤71、假定集合Qj中包含x个量子分组，则计算x个量子分组的总长度，用H表示；如果H≤A，则可将x个量子分组直接合并后作为有效数据，按照文献“一种基于分层的量子分组传输方案及性能分析”中给出的量子簇报文格式添加上相应的量子簇首部，封装成量子簇报文后发送出去；如果H>A，执行步骤72；
步骤72、因为路由器对转发的量子分组或量子分组簇长度存在限制，因此在分片的过程中，每个分片量子簇的有效数据长度等于或者小于A；将x个量子分组合并后得到一个大的量子数据序列，长度为H，则 ；
步骤73、从得到的量子数据序列中取出前A个量子比特，添加上相应的分片量子簇首部后即可得到一个分片量子簇，将k的数值减1，执行步骤74；
步骤74、如果k>1，将k的数值减1，重复执行步骤73；如果k=1，则取出量子数据序列中剩余的量子比特，添加上相应的分片量子簇首部后即可得到一个分片量子簇；如果k=0，量子簇分片结束，最终可得到k个分片量子簇，前k-1片的有效数据长度等于A，第k片的有效数据长度等于或者小于A，能够有效提高量子路由器的转发效率。每个分片量子簇的片偏移字段的数值如附图3所示。标志字段的设置是在前k-1片分片量子簇中MF位为1，第k片分片量子簇的MF位为0；
步骤75、经过分片之后的数据，按照分片量子簇报文格式添加上相应的分片量子簇首部后就得到了完整的分片量子簇，其中在分片量子簇报文传输过程中，分片量子簇报文的首部信息基于密集编码原理进行传送，分片量子簇报文的有效数据信息基于隐形传态原理进行传送。在对分片量子簇进行多次路由转发后，分片量子簇到达最后一跳城域网路由器D。在量子路由器D上，对分片量子簇进行重组。量子路由器通过解析获得每个分片量子簇首部中的标识字段，通过标识字段就可以找到属于同一个量子簇的分片量子簇报文，然后依据分片量子簇报文中的片偏移量字段，对分片量子簇报文进行重新排序后得到的有效数据信息就是发送端发送的量子数据序列；
步骤76、针对重组之后得到的量子数据序列，量子路由器D通过测量获得每个量子分组头信息，并且以密集编码的方式恢复其量子分组头信息，按照文献“一种基于分层的量子分组传输方案及性能分析”中提出的量子分组传输方法将恢复的量子分组按照目的地址路由转发给各个局域网路由器。
附图说明
图1是量子互联网拓扑结构，图2是分片量子簇报文格式，图3是量子簇分片过程。
具体实施方式
本专利在量子簇报文格式的基础上提出了分片量子簇报文格式，报文格式中所包含字段的具体内容如附图2所示。分片量子簇报文中包含目的地址字段、业务流类别字段、载荷长度字段、标志字段、片偏移字段、标识字段和有效数据字段，其中目的地址字段、业务流类别字段、载荷长度字段、标志字段、片偏移字段和标识字段为分片量子簇报文的首部字段。
在文献“一种基于分层的量子分组传输方案及性能分析”中详细给出了量子分组及量子簇数据的传输方案，然而一旦聚合后的量子簇长度超过量子路由器能够处理的上限，量子簇将直接被量子路由器丢弃，将会导致大量的量子分组被丢失。为了能够有效解决这一问题，本专利在此基础上给出了分片量子簇数据传输方法。
在文献“一种基于分层的量子分组传输方案及性能分析”中详细给出了量子分组及量子簇数据的传输方案，然而一旦聚合后的量子簇长度超过量子路由器能够处理的上限，量子簇将直接被量子路由器丢弃，将会导致大量的量子分组被丢失。为了能够有效解决这一问题，本专利在此基础上给出了分片量子簇数据传输方法；其将需要发送的量子分组按照目的地址进行聚合后得到一个量子数据序列。如果得到的量子数据序列长度能够满足量子路由器对报文有效数据长度的限制，则将该量子数据序列作为有效数据按照量子簇报文格式将其封装为量子簇报文后，直接通过路由器进行存储转发；如果得到的量子数据序列长度不能够满足量子路由器对报文有效数据长度的限制，则将得到的量子数据序列按照分片量子簇报文格式，通过分片将其分解为若干个长度较短的能够直接被路由器存储转发的分片量子簇报文完成数据传输；对量子簇报文分片后得到的量子簇分片报文通过量子路由器进行存储转发后，最终达到目的地址对应的城域网路由器，然后由城域网路由器对收到的分片量子簇报文进行报文重组后得到原始的量子分组报文。最后城域网路由器将收到的原始的量子分组报文转发到接收端所在的局域网中。

Claims (2)

1.一种基于分层的量子簇分片传输方法，其将需要发送的量子分组按照目的地址进行聚合后得到一个量子数据序列；如果得到的量子数据序列长度能够满足量子路由器对报文有效数据长度的限制，则将该量子数据序列作为有效数据按照量子簇报文格式将其封装为量子簇报文后，直接通过路由器进行存储转发；如果得到的量子数据序列长度不能够满足量子路由器对报文有效数据长度的限制，则将得到的量子数据序列按照分片量子簇报文格式，通过分片将其分解为若干个长度较短的能够直接被路由器存储转发的分片量子簇报文完成数据传输；对量子簇报文分片后得到的量子簇分片报文通过量子路由器进行存储转发后，最终达到目的地址对应的城域网路由器，然后由城域网路由器对收到的分片量子簇报文进行报文重组后得到原始的量子分组报文；最后城域网路由器将收到的原始的量子分组报文转发到接收端所在的局域网中；其特征在于，所描述的基于分层的量子簇分片传输方法包括如下步骤：
步骤11、假定每个量子路由器能够处理的最大有效数据长度为A，设置硬件计时器T，假定在计时器T超时之前某城域网路由器接收到m个量子分组，将m个量子分组加入到集合QS中，i的初始值设置为1；
步骤12、从集合QS中取出一个量子分组，该量子分组用QT表示，将分组QT加入到集合Qi中，如果集合QS不为空，执行步骤13；如果集合QS为空，执行步骤15；
步骤13、从集合QS中取出下一个量子分组，该量子分组用QN表示，如果QN和QT的目的地址对应的网络地址相同，则将QT加入到集合Qi中；如果QN和QT的目的地址对应的网络地址不同，则将分组QN加入到集合QSS中；
步骤14、如果集合QS不为空，则执行步骤12；如果集合QS为空，则执行步骤15；
步骤15、如果集合QSS为空，则执行步骤16；如果集合QSS不为空，则将集合QSS中的所有元素加入到集合QS中，将i的数值加1，执行步骤12；
步骤16、将v的数值设置为i，则最终得到了v个集合Qj, 1≤j≤v；
步骤17、针对每个集合Qj中包含的量子分组完成聚合；
在步骤17中，具体包括如下步骤：
步骤171、假定集合Qj中包含x个量子分组，则计算x个量子分组的总长度，用H表示；如果H≤A，则可将x个量子分组直接合并后作为有效数据，按照量子簇报文格式添加上相应的量子簇首部，封装成量子簇报文后发送出去；如果H>A，执行步骤172；
步骤172、因为路由器对转发的量子分组或量子分组簇长度存在限制，因此在分片的过程中，每个分片量子簇的有效数据长度等于或者小于A；将x个量子分组合并后得到一个大的量子数据序列，长度为H，则；
步骤173、从得到的量子数据序列中取出前A个量子比特，添加上相应的分片量子簇首部后即可得到一个分片量子簇，将k的数值减1，执行步骤174；
步骤174、如果k>1，将k的数值减1，重复执行步骤173；如果k=1，则取出量子数据序列中剩余的量子比特，添加上相应的分片量子簇首部后即可得到一个分片量子簇；如果k=0，量子簇分片结束，最终可得到k个分片量子簇，前k-1片的有效数据长度等于A，第k片的有效数据长度等于或者小于A，能够有效提高量子路由器的转发效率；标志字段的设置是在前k-1片分片量子簇中MF位为1，第k片分片量子簇的MF位为0；
步骤175、经过分片之后的数据，按照分片量子簇报文格式添加上相应的分片量子簇首部后就得到了完整的分片量子簇，其中在分片量子簇报文传输过程中，分片量子簇报文的首部信息基于密集编码原理进行传送，分片量子簇报文的有效数据信息基于隐形传态原理进行传送；在对分片量子簇进行多次路由转发后，分片量子簇到达最后一跳城域网路由器D；在量子路由器D上，对分片量子簇进行重组；量子路由器通过解析获得每个分片量子簇首部中的标识字段，通过标识字段就可以找到属于同一个量子簇的分片量子簇报文，然后依据分片量子簇报文中的片偏移量字段，对分片量子簇报文进行重新排序后得到的有效数据信息就是发送端发送的量子数据序列；
步骤176、针对重组之后得到的量子数据序列，量子路由器D通过测量获得每个量子分组头信息，并且以密集编码的方式恢复其量子分组头信息，按照量子分组传输方法将恢复的量子分组按照目的地址路由转发给各个局域网路由器。
2.根据权利要求1所述的一种基于分层的量子簇分片传输方法，其特征在于：所述的分片量子簇报文中包含目的地址字段、业务流类别字段、载荷长度字段、标志字段、片偏移字段、标识字段和有效数据字段，各个字段具体含义如下：
（1）目的地址：分片量子簇的目的地址，其中包括64位量子位；
（2）业务流类别：包括2个量子位，能够用于区分量子分组、量子簇和分片量子簇；
（3）载荷长度:分片量子簇中的有效数据长度，根据分片后得到的分片量子簇中包含的各量子分组数据长度计算得出；
（4）标志：1个量子位，采用密集编码方式可实现2位二进制地址编码；当2位二进制地址编码为00时，表示数据允许分片，且已经是整个数据最后一个分片；当2位二进制地址编码为01时，表示数据允许分片，且后面还有数据分片；当2位二进制地址编码为10时，表示不允许分片；当2位二进制地址编码为11时，无意义；
（5）片偏移：7个量子位，片偏移指出，在较长的数据分片之后，某一数据分片在原来的数据当中的相对位置，且每个分片的长度是8字节的整数倍；
（6）标识：在发送端，当聚合后的量子簇长度过大时，可将其按照分片量子簇格式将其分成若干个分片报文，并给每一个分片后的报文分配一个相同的报文标识；以便接收端收到这些分片报文的时候，能够依据标识字段确定哪些分片报文是属于同一个长报文的，有效实现分片报文的重组；
（7）有效数据：分片后该分片量子簇中包含的各量子分组数据；
其中标志字段的具体编码和解码步骤如下：
步骤21、城域网路由器B针对自己所要发送的分片量子簇报文首部标志位信息产生相应的量子纠缠对，将量子纠缠对中其中的一个留给自己，另外一个发送给下一跳路由器，假定最初制备的纠缠态是 ；
步骤22、城域网路由器B通过对自己持有的量子比特执行不同的幺正变换实现标志位两个经典比特编码，具体编码过程如下：如果城域网路由器B要传送的标志位经典比特信息为00，则对自己持有的量子比特执行幺正变换，该量子比特的纠缠态变为：；如果城域网路由器B要传送的标志位经典比特信息为01，则对自己持有的量子比特执行幺正变换，该量子比特的纠缠态变为：；如果城域网路由器B要传送的标志位经典比特信息为10，则对自己持有的量子比特执行幺正变换，该量子比特的纠缠态变为：；如果城域网路由器B要传送的标志位经典比特信息为11，则对自己持有的量子比特执行幺正变换，该量子比特的纠缠态变为：；
步骤23、城域网路由器B把自己所持有的编码后的纠缠粒子发送到下一跳路由器C，之后下一跳路由器使用贝尔基进行联合测量，如果测量结果为，则路由器C获得的两个标志位经典比特信息为00；如果测量结果为，则路由器C获得的两个标志位经典比特信息为01；如果测量结果为，则路由器C获得的两个标志位经典比特信息为10；如果测量结果为，则路由器C获得的两个标志位经典比特信息为11；量子路由器通过进行联合测量就能够读取出分片量子分簇报文中包含的首部信息。
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