CN110086713B - 一种用于广域量子密钥分配网络的分域路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于广域量子密钥分配网络的分域路由方法。广域量子密钥分配网络具有节点数量多、规模大、连接关系复杂的特点，导致了路由管理复杂、节点负载压力大等问题。针对这些问题，本发明提出了一种适合广域量子密钥分配网络的分域架构以及相关的路由算法。首先，提出了一种基于软件定义光网络的广域量子密钥分配网络的分域架构。在此基础上，分别提出了基于密钥资源均衡的域内路由算法以及基于M条随机路径的域间路由算法。提出的分域架构及路由算法为广域量子密钥分配网络提供了整体的分域路由方法，一方面能够方便路由的管理、减轻量子密钥节点的负载压力、实现资源的统一调控，另一方面通过优化的路由机制能够降低密钥分配业务的阻塞率，均衡利用域内密钥资源，提高网络服务质量。

Description

一种用于广域量子密钥分配网络的分域路由方法

技术领域

本发明涉及量子通信领域，尤其涉及广域量子密钥分配网络的分域路由方法。该方主要为广域量子密钥分配网络提供可行的分域路由方法，不仅能够方便路由的管理、减轻量子密钥中继节点(Quantum Key Relay Node,QKRN)的负载压力、实现资源的统一调控，而且能够降低密钥分配业务的阻塞率，为实现高效的量子保密通信服务奠定了基础。

背景技术

量子密钥分配(Quantum Key Distribution,QKD)技术凭借量子力学的三个基本原理可以实现理论上无条件安全的保密通信，而量子密钥分配网络能够实现多用户、高速率、远距离、网络化密钥安全分配，是量子密钥分配技术走向实用化的必由之路。目前小规模QKD实验网络已成功搭建，为了进一步扩大量子密钥分配网络的覆盖范围和网络规模，还需要对广域量子密钥分配网络进行相关的研究。

世界各国纷纷制定了各自的量子密钥分配网络发展规划，不断加大量子密钥分配组网技术的研究投入，相继提出并建立了许多量子密钥分配网络架构，并且已经开始由局域、城域网络走向广域、天地一体化网络。这一趋势使大规模广域量子密钥分配网络的相关技术研究成为了量子保密通信领域的研究热点。美国国防部正在开展近千公里的量子密钥分配网络建设，未来还将建立起总长度超过1万公里的环美量子密钥分配网络；欧盟计划在2020年前实现基于自由空间的卫星—地面量子密钥分配和千公里级别的基于光纤传输的量子密钥分配；日本也提出了自己的量子信息技术长期研究战略，日本国立信息通信研究院计划在2020年实现量子中继，到2040年建成极限容量、无条件安全的广域的基于光纤与自由空间传输***的量子密钥分配网络。中国科技大学的科学家表示，按照规划，到2020年，中国将实现亚洲与欧洲的洲际量子密钥分配；到2030年左右，中国将建成全球化的广域量子密钥分配网络。

近年来，随着大规模、广域量子密钥分配网络研究不断深入，取得了一些有益的成果。然而，伴随着网络规模、用户数量的不断增长，量子密钥分配网络的结构越来越复杂。在广域量子密钥分配网络发展的过程中，由于其节点数量多、连接关系复杂、覆盖范围广等特点，也伴随着一些挑战，主要有以下几点。

第一，节点负载压力过大，路由管理复杂。在整个广域量子密钥分配网络下，节点和链路数量巨大、连接关系复杂，导致其路由管理较为复杂，且每个节点都要存储一个巨大的全网拓扑信息，进而造成单个节点的负载压力过大。

第二，链路状态信息的广播机制会导致较多量子密钥资源的消耗。由于量子密钥中继节点是通过链路状态信息的广播机制获得全网的链路信息，而这些信息在节点之间的传输需要消耗密钥资源。尤其在广域量子密钥分配网络下，链路状态信息的广播机制会消耗更多的密钥资源，这也造成了密钥资源利用率的下降。

第三，路由更新收敛速度慢。在广域量子密钥分配网络中节点和链路较多，连接关系也较复杂，随着网络规模的扩大，其路由信息的更新速度会大大减慢，以致于引起路由收敛缓慢等问题，最终可能会由于路由信息更新不及时造成路径选取有偏差、结果质量较差。

在广域量子密钥分配网络中，借鉴经典网络中路由域划分的思想，采用分域路由方案，能够较好的解决以上问题，这是由于以下几点原因。

第一，通过划分路由域的方式，每个路由域中的量子密钥中继节点不再需要存储整个网络的节点及链路信息，而是只需要维护本路由域内的链路状态等信息。这减轻了每个节点的负载压力，也降低了量子密钥分配网络的路由管理难度。

第二，链路状态信息的广播不需要在整个网络范围内进行，而只限于本路由域内，这大大减少了量子密钥资源的消耗，也提高了量子密钥资源利用率。

第三，各个路由域只负责自身信息的更新，互相不产生影响，增加了并行性。通过减少需要更新的链路状态信息，使得路由信息更新更准确、路由收敛速度更快。

综上所述，通过对广域量子密钥分配网络进行路由域划分，能够简化路由的管理、减轻节点的负载压力等。因此，需要根据广域量子密钥分配网络自身的特点提出合理的分域架构，而路由选择问题是影响分域架构性能的重点问题，高效的路由算法能够提高密钥中继及整个广域量子密钥分配网络的服务性能。综上，本专利以分域架构以及相应路由算法为重点，提出了一种应用于广域量子密钥分配网络的分域路由方案。

发明内容

本发明提出了一种应用于广域量子密钥分配网络的分域路由方法。该方法包含三个技术要点：1、基于软件定义光网络(Software Defined Optical Network,SDON)技术的广域量子密钥分配网络的分域架构；2、基于密钥资源均衡的域内路由算法(Key ResourceBalancing based Intra-domain Routing Algorithm,KRB-IRA)；3、基于M条随机路径(MRandom Path,MRP)的域间路由算法。

针对所述的第一个技术要点具体说明如下：

基于分域思想，借助SDON技术在多域管理、转发与控制分离等方面的优势，本专利提出了一种基于SDON的广域量子密钥分配网络的分域架构。

首先，该分域架构以分层的方式将网络功能进行模块化划分，从上到下依次划分为基于安全配置的应用层、基于管理控制的控制层、基于密钥提供的密钥层、基于安全传输的数据层。这四层相互配合，共同完成对量子密钥分配与加密业务安全传输的控制与管理。该分域架构如图1所示，其中，将量子信道和经典信道置于同一根光纤中，从而降低光纤铺设成本。

其次，该分域架构的控制层集中了整个网络的控制和路由管理的功能，而密钥层在其控制下完成密钥的分配。因此需要在密钥层提出一种合适的量子密钥中继节点，以更好的完成分域架构的整体功能，该量子密钥中继节点如图2所示。该量子密钥中继节点主要由量子模块、控制代理模块、转发模块三个模块构成。量子模块主要负责与相邻的QKRN的量子模块持续、均匀的产生量子密钥，控制代理模块主要完成与控制层的指令交互，转发模块主要根据控制层下发的流表转发数据包。

最后，该分域架构也需要对相关接口及协议进行扩展以更好地实现对密钥层的控制以及路由等相关指令的收集与下达。上层业务可以通过北向接口与控制层进行交互，进而便利地调用底层网络资源。控制层通过南向接口能够便利地获取所控制的密钥层和数据层相关网络拓扑信息和链路状态信息，并且密钥层在控制层的调控下通过密钥中继的方式使非相邻QKRN获得共享密钥，以用于数据层的业务安全传输。南向接口已经拥有业内较为成熟的标准，即OpenFlow协议，但是需要根据量子密钥传输的特点，对该协议进行进一步扩展，主要包括：

1)在OpenFlow协议流相关的消息中增加QKRN ID，主要用于对量子密钥中继节点和数据传送中继节点进行区分；

2)在OpenFlow协议端口属性上报消息中增加属于QKRN的Domain ID，主要用于判断两个QKRN是否属于同一个域。

由此，基于该分域架构，不仅可以方便路由的管理和减轻节点的负载压力，而且可以实现资源的统一调控，进而完成高效的量子保密通信服务。

针对所述的第二个技术要点具体说明如下：

在技术要点一提出的分域架构基础上，重点研究密钥层的密钥传输问题，路由选择问题也随之产生。通过提出一整套的域间及域内路由算法，完成密钥分配路径的合理选择，以保证密钥层中密钥提供的及时性和密钥分配的高效性，进而提高整个分域架构的性能。

为了实现最优的域内、域间路由计算，根据全局信息实施全网资源的统一管理，提升整个分域架构的服务效率。在分域架构的控制层采用层次化架构对分域架构进行控制，利用SDON子控制器和SDON主控制器的协同工作以完成一整套域间及域内路由算法的计算。SDON子控制器主要负责域内路由算法的计算，SDON主控制器主要负责域间路由算法的计算。该分域架构在整个路由算法中，首先需要保证每个路由域的域内路由算法的良好性能，这也是实现完整路由算法的基础和前提。域内路由算法为了均衡利用链路密钥资源，降低密钥分配业务的阻塞率，主要思路如下：

1)尽量选用密钥资源充足的链路。由于密钥中继传输过程中会消耗链路密钥资源，因此必须保证选择的路径具备足够的密钥资源，以满足中继传输的需求。

2)尽量选用节点的度之和最小的路径，这样有效避免了大量路径经过度较大的节点及相关链路，减轻该节点和相关链路的负载。同时，也能使密钥中继尽可能的选用其他链路密钥资源，达到密钥资源均衡的目的。

3)尽量减少所选路径的跳数。在QKD网络的密钥中继传输过程中，每经过一个量子密钥中继节点，都要消耗一定量的密钥资源，因此所选路径的跳数越大，其消耗的密钥资源必然越多。而QKD网络中密钥资源极其珍贵，应该尽量减少密钥资源的过度消耗。因此，应当在保证所选链路的密钥资源充足等前提下，尽量选择链路总数较少的路径，这样就可以减轻密钥资源消耗过多的问题。

4)为链路设置本地密钥剩余量阈值。链路中密钥资源分布并不相同，为了减少密钥资源的无意义消耗，需要为每个链路设置本地密钥剩余量阈值，并在选路时避免选择本地密钥剩余量低于此阈值的链路。除此之外，启用备用中继以提高低于阈值的链路的密钥资源，使其能够正常进行密钥中继传输。

本发明综合考虑本地密钥剩余量、节点的度以及路由跳数，以此来衡量网络状态，结合这三个选路指标提出了KRB-IRA算法。该算法制定路由策略的过程主要分为2部分：1)预处理；2)计算最优路径。其基本思想是：首先根据本地密钥剩余量删掉低于本地密钥剩余量阈值的路径；其次，综合考虑本地密钥剩余量、节点的度、路由跳数这三种选路指标，计算可用路径中最优的一条路径。

该算法降低域内密钥分配业务的阻塞率，均衡利用域内链路密钥资源的性能，从而提升了整个密钥层中网络的服务质量。为进一步研究第三个技术要点奠定了基础。

针对所述的第三个技术要点具体说明如下：

为了实现最优的域间路由计算，SDON子控制器借助于拓扑抽象技术将链路拓扑和资源信息传送给SDON主控制器，SDON主控制器通过收集到的各个域间拓扑信息实现跨域路径计算、跨域端到端连接控制等功能。以层次化控制为前提，以技术要点二提出的域内路由算法为基础，提出了一种基于MRP的域间路由算法。该算法的基本思想是每一条最优的域间路径必然经过源域的一个边界量子密钥中继节点(Boundary Quantum Key Relay Node,BQKRN)和目的域的一个边界量子密钥中继节点，也就是说，每一条最优路径仅与一个边界量子密钥中继节点对(Boundary Quantum Key Relay Node Pair,BQKRNP)对应。

该算法将依据不同的BQKRNP进行域间路由计算，得到每组BQKRNP各自的最优路径，最后通过一定的规则从中选择一组BQKRNP之间的路径作为最终的最优路径。首先通过拓扑抽象策略对每个密钥路由域进行抽象，提取所需的边界节点信息，汇总为全局抽象拓扑信息，为确定密钥路由域序列奠定基础；然后从源域和目的域的所有BQKRNP中随机选取M个，根据全局的抽象拓扑信息，得到对应的密钥路由域序列，并结合域内路由算法分别计算其最优路径；最后依据路由跳数最少为准则选择一条最优路径，提高选中最优路径的概率，最终达到降低密钥分配业务阻塞率的目的。

综上所述，本发明通过提出基于SDON的广域量子密钥分配网络的分域架构以及相关路由算法，不仅能够方便路由的管理、减轻量子密钥节点的负载压力、实现资源的统一调控，而且能够均衡利用密钥资源、降低密钥分配业务的阻塞率，为实现高效的量子保密通信服务奠定了基础。

附图说明

图1为基于SDON的广域量子密钥分配网络的分域架构。

图2为量子密钥中继节点。

图3为基于密钥资源均衡的域内路由算法流程图。

图4为基于M条随机路径的域间路由算法流程图。

具体实施方式

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说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明是针对广域量子密钥分配网络存在的问题而提出的解决方案。本实施例是基于如图1所示的分域架构。提出的基于密钥资源均衡的域内路由算法的流程如图3所示，具体步骤如下：

1)预处理

正如上文所述，密钥层的QKD网络拓扑由QKRN和相关的链路组成，根据图论知识将其结构转化为带权无向图：G＝{V,E}。其中V＝{v₁,v₂,···,v_n}表示QKRN集合，E＝{e_ij}表示链路集合，其中e_ij表示相邻QKRN对{v_i,v_j}之间的链路。

为了减少由于链路密钥资源不足造成的密钥中继失败情况，KRB-IRA算法根据链路的本地密钥剩余量对其进行了限定，只有满足密钥中继阈值条件的链路才会被纳入算法的考虑对象中。即有：

其中

表示链路e_ij的本地密钥剩余量。Threshold为管理员设置的本地密钥剩余量阈值，只有本地密钥剩余量不低于阈值的链路才会被纳入可选链路。如果某个链路不满足阈值要求，则启用备用中继，提高该链路的密钥生成率，使其尽快恢复到可参与密钥中继的状态。

2)计算最优路径

本文将本地密钥剩余量、节点的度、路由跳数作为综合考虑的三种选路指标，进而计算可用路径中的最优路径。以下将详细讲解这一部分的流程，一共分为三步。

a)以本地密钥剩余量的倒数为权重，采用K条最短路径算法选出前K条链路资源充足的路径。由于在实际中，并不是每个源节点和目的节点都存在符合要求的K条路径，有可能实际选出的备选路径数低于这个值，因此根据实际选择出来的N(N≤K)条备选路径组成路径集Q。如果没有选出任何一条备选路径，则表示该次业务传输将因没有合适路径而阻塞，结束此次选路流程；如果只选出一条路径，则将该路径作为最优路径，并结束此次选路流程；如果不符合上面两种情况，则继续执行步骤b)。

b)根据路径节点的度数之和进行再次选择，根据路径集Q中各条路径所经节点的度数之和，从小到大选出

(向上取整)条备选路径，更新路径集Q。如果此时Q中只有存在一条路径，则该路径就是最优路径，并结束此次选路流程；如果Q中仍有多条路径，则继续执行步骤c)。

c)根据路由跳数确定最优路径。将路径集Q中跳数最小的路径作为最优路径，结束整个选路流程。

至此，就可以得到一条综合考虑了本地密钥剩余量、节点的度、路由跳数的最优路径。

基于MRP的域间路由算法的流程如图4所示，具体步骤如下：

1)当业务到达时，源节点将业务请求传送给本域SDON子控制器。当SDON子控制器发现目的节点也在本域时，直接执行KRB-IRA算法，并结束该流程；当SDON子控制器发现目的节点不在本域时，向SDON主控制器发送请求，SDON负责进行路径计算，继续执行步骤2)；

2)SDON主控制器找到目的节点所在域，随机选择源域和目的域之间的M个BQKRNP。根据全连接型抽象拓扑信息，依据链路代价计算得到相应的M条路径。其中，这M条路径都包含对应的源QKRN、源域出口BQKRN、中间域的入口和出口BQKRN、目的域的入口BQKRN以及目的QKRN，继续执行步骤3)；

3)SDON主控制器发送路径计算请求消息给各中间域的SDON子控制器，各个SDON子控制器在其负责的密钥路由域中执行KRB-IRA算法，得到一条域内路径，继续执行步骤4)；

4)SDON子控制器通过域内路由算法选路成功后，保存路径信息并将相应的域内路由跳数发送至SDON主控制器，SDON主控制器以路由跳数为选路指标，选择路由跳数最少的一条路径作为最优路径。

综上所述，本发明通过综合考虑广域量子密钥分配网络面临的问题以及自身的特点，提供了一种应用于广域量子密钥分配网络的分域路由方法，满足了简化路由管理以及降低密钥分配业务阻塞率等需求。

Claims (1)

1.一种应用于广域量子密钥分配网络的分域路由方法,目的在于方便路由的管理、减轻量子密钥节点的负载压力、实现资源的统一调控，并且能够均衡利用密钥资源、降低密钥分配业务的阻塞率；该方法适用于采用软件定义光网络技术的广域量子密钥分配网络，网络架构从上到下依次划分为基于安全配置的应用层、基于管理控制的控制层、基于密钥提供的密钥层和基于安全传输的数据层；网络路由采用分域方式控制管理，分为域内路由和域间路由两个部分；主要特征在于：

A、量子密钥中继节点位于密钥层，由量子模块、控制代理模块和转发模块构成，用于实现量子密钥的发送、接收和中继；量子模块包括量子密钥分发设备、密钥存储和加解密模块，与相邻的量子密钥中继节点中的量子模块持续均匀的产生量子密钥，控制代理模块完成与控制层的指令交互，转发模块根据控制层下发的流表转发数据包；

B、综合考虑本地密钥剩余量、节点的度以及路由跳数三个指标，以此来衡量网络状态，提出一种基于密钥资源均衡的域内路由算法；首先对网络中的全部链路进行预处理，定义本地密钥剩余量阈值，将本地密钥剩余量低于阈值的链路作为失效链路进行删除；同时，控制器控制所有不满足阈值的链路启用备用中继，为其补充密钥；其次在剔除失效链路的基础上计算最优的路径，计算方法如下:首先以本地密钥剩余量的倒数为权重，采用K条最短路径算法选出前K条链路资源充足的路径，其中K值根据具体网络拓扑结构而定；由于在实际情况中，并不是每个源节点和目的节点都存在符合要求的K条路径，有可能实际选出的备选路径数低于这个值，因此根据实际选择出来的N条(N<＝K)备选路径组成备选路径集Q；根据路径集Q中各条路径所经节点的度数之和，从小到大选出

(向上取整)条备选路径，更新路径集Q；最后将路径集Q中跳数最小的路径作为最优路径；

C、提出一种基于M条随机路径的域间路由算法，通过随机选取源域和目的域之间的M个边界节点对，得到相应的密钥路由域序列，并结合域内路由算法分别计算其路径，最终以路由跳数为选路指标确定最优路径；所述域间路由算法的基本思想是每一条最优的域间路径必然经过源域和目的域的一个边界量子密钥中继节点对，该边界量子密钥中继节点对由源域的一个边界量子密钥中继节点和目的域的一个边界量子密钥中继节点组成，因此依据不同的边界量子密钥中继节点对进行域间路由计算，得到每组边界量子密钥中继节点对各自的最优路径，最后根据一定的规则就能确定一组边界量子密钥中继节点对之间的路径为最终的最优路径：首先，通过全连接拓扑抽象策略对每个密钥路由域进行抽象，提取所需的边界节点信息，汇总为全局抽象拓扑信息，由主控制器负责；其次，根据到达的业务请求确定源、目的节点所在域，从源域和目的域所有边界中继节点中，随机选择其中的M个量子密钥中继节点对，M的取值上限为边界节点数最多的两个域组成的边界节点对数，主控制器根据网络拓扑结构的全局抽象拓扑信息，依据链路代价最小的准则，计算得到相应的M条密钥路由域序列，其中这M条密钥路由域序列信息应包含对应的源量子密钥中继节点、源域出口的边界量子密钥中继节点、中间域的入口和出口的边界量子密钥中继节点、目的域的入口边界量子密钥中继节点以及目的量子密钥中继节点；然后，子控制器根据其负责的中间域的入口和出口边界量子密钥中继节点，基于域内路由算法，确定一条从入口边界量子密钥中继节点到出口边界量子密钥中继节点的域内最优路径；最后，主控制器以路由跳数为选路指标，结合每个密钥路由域序列经过中间域的域内最优路径，确定总路由跳数最少的一条路径作为最优路径。

Images