CN111431703B - 基于qkd协议分类的混合qkd网络*** - Google Patents

Abstract

基于QKD协议分类的混合QKD网络***，解决了现有QKD网络***受制于已有光纤设施的问题，属于保密通信领域。本发明的混合QKD网络***包括C2C‑QKD设备和CSC‑QKD设备；C2C‑QKD设备为通信双方只需要通过一条光纤连接实现量子密钥分发，CSC‑QKD设备为通信双方均通过一条光纤与不可信第三方进行连接实现量子密钥分发；所有C2C‑QKD设备与CSC‑QKD设备相互独立、并可随意组合。本发明将QKD协议分为一条光纤直连的C2C‑QKD协议和需要两条光纤来连接的CSC‑QKD协议两类的分类机制。根据该分类机制，提出了一种能够描述全网密钥供给能力的逻辑拓扑，并给出了相应的逻辑拓扑生成方法。该工作对于扩大QKD设备的服务范围，具有重要的理论与实践价值。

Description

基于QKD协议分类的混合QKD网络***

技术领域

本发明涉及一种基于光纤依赖性的量子密钥分发协议的分类机制，并基于该分类机制提出了一种描述全网密钥供给能力的混合网络逻辑拓扑生成方法，属于保密通信领域。

背景技术

量子密钥分发(Quantum key distribution,QKD)能够利用量子力学原理实现通信双方之间理论上无条件安全的一致密钥分发，在抵抗量子计算机攻击方面受到了极大关注。密钥载体为单光子的BB84-QKD协议是第一个被证明具有理论安全的QKD协议。随后，受限于单光子难以制备和探测，又相继出现了密钥载体为连续光脉冲的E91-QKD、CV-QKD等协议。同时，考虑到物理器件不理想存在的安全隐患问题，先后又提出了decoy-QKD、MDI-QKD、CV-MDI-QKD、TF-QKD等协议。

目前QKD技术已经逐渐发展成熟，并进入实用化阶段。基于QKD技术组建QKD网络来为多个用户提供密钥服务的研究工作也有很多。然而，这些研究工作均是针对单一的某一类QKD设备组网的。由于不同的QKD协议有不同的优劣势，比如，BB84-QKD设备实现简单、密钥成码率高，但是其所要求的单光子探测器器件十分昂贵。CV-QKD设备不要求单光子探测器，成本较前者更低，但是密钥成码率也比前者低。此外，前两类设备组网时，要求全网中所有节点都是可信中继，带来很高的可信度控制成本。而MDI-QKD、TF-QKD这类设备则可以依赖不可信中继进行组网，可信度控制成本低，但其每套设备需要依赖两条光纤，且成码率上较前两者更低。高密钥供给能力与低构建成本，是有效使用QKD设备组建QKD网络时，两个最重要的性能指标。

发明内容

针对现有QKD网络***受制于已有光纤设施的问题，本发明提供一种基于QKD协议分类的混合QKD网络***。

本发明的一种基于QKD协议分类的混合QKD网络***，所述混合QKD网络***包括C2C-QKD设备和CSC-QKD设备；

C2C-QKD设备为通信双方只需要通过一条光纤连接实现量子密钥分发，CSC-QKD设备为通信双方均通过一条光纤与不可信第三方进行连接实现量子密钥分发；所有C2C-QKD设备与CSC-QKD设备相互独立、并可随意组合。

作为优选，所述混合QKD网络***包括多套C2C-QKD设备；

多套C2C-QKD设备构成网状的拓扑结构。不直接相连的两个通信方之间通过某条连通路径上各个节点的转发来实现保密通信，每个节点既作为终端用户，又作为交换设备。

作为优选，所述混合QKD网络***包括多套CSC-QKD设备；

多套CSC-QKD设备构成星型的拓扑结构，将不可信第三方作为服务器，其他通信方作为终端用户，以实现所有通信方之间的量子密钥分发。

作为优选，所述混合QKD网络***的物理拓扑转换成逻辑拓扑的方法包括：

获取混合QKD网络***的物理拓扑G＝(V,E)，其中V是节点集合，E是无向边的集合；

对于V中任意两个节点v₁,v₂，v₁∈V,v₂∈V,v₁≠v₂，若存在边(v₁,v₂)∈E，该边直接作为逻辑拓扑的一部分；

对于V中任意两个节点v₁,v₂，v₁∈V,v₂∈V,v₁≠v₂，若存在一个节点v，v∈V,v≠v₁≠v₂，使得节点v₁和v₂可以通过节点v连接，则其组成一个三节点的逻辑边(v₁,v₂,v)，将节点v删除，生成连接节点v₁和v₂一条无向边，作为逻辑拓扑的一部分；

对于V中任意两个节点v₁,v₂，v₁∈V,v₂∈V,v₁≠v₂，若存在节点v和节点v′，v∈V,v≠v₁≠v₂，v′∈V,v′≠v≠v₁≠v₂，使得节点v₁和v₂可以分别通过节点v和节点v′连接，组成两个三节点的逻辑边(v₁,v₂,v)和(v₁,v₂,v′)，删除掉节点v和v′，将这两条边表示成连接节点v₁和v₂的两条独立的边，生成一条平行边，作为逻辑拓扑的一部分。

用G′＝(V′,E′)来表示转换的逻辑拓扑，则：

V′＝V-{v|v仅扮演CSC-server角色}，

E′＝E+{(v₁,v₂,v)|v₁∈V,v₂∈V,v∈V,v≠v₁≠v₂,(v₁,v)∈E，(v,v₂)∈E}；

其中，CSC-server表示C2C-QKD设备的不可信第三方。

本发明的有益效果为，本发明根据对光纤依赖性的不同，提出了将QKD协议分为一条光纤直连的C2C-QKD协议和需要两条光纤来连接的CSC-QKD协议两类的分类机制，并分别对两类QKD协议的密钥生成速率受限性进行了分析。进一步，根据该分类机制，提出了一种能够描述全网密钥供给能力的逻辑拓扑，并给出了相应的逻辑拓扑生成方法。该工作对于扩大QKD设备的服务范围，具有重要的理论与实践价值。

附图说明

图1为本发明的C2C-QKD协议的原理示意图；

图2为本发明的CSC-QKD协议的原理示意图；

图3为本发明的混合QKD网络***的物理拓扑示意图；

图4为图3的逻辑拓扑示意图。

具体实施方式

不同种类QKD协议的密钥分发流程基本一致，主要包括量子态制备、传输、探测、数据后处理几部分。其中，后处理的信息传输可以与光网络的保密信息传输相融合，利用经典信道完成。而量子态传输部分则需要依赖独立的量子信道。显然，在所有需要布置QKD设备的链路上，添加新的光纤作为量子信道，对现有网络环境的改动性太大，是难以完成的。为此，研究学者们先后提出了波分复用、正交频分复用等技术，来实现量子态传输所需量子信道与原有加密信息传输及后处理信息传输所需经典信道在原有光纤上的复用，以达到仅通过增加节点处所需的QKD光学器件就能提供安全密钥的目的。为此，进行QKD设备布置时，必须将其布置在已有光纤上，随之而来的，是QKD设备的布置对已有光纤的依赖问题。

QKD设备的主要功能是提供量子密钥，因此，密钥生成速率是其最重要的衡量指标。为了保障密钥分发过程中密钥载体的量子特性，单光子或连续光脉冲的密钥载体都无法在传输过程中进行放大。导致密钥生成速率特别受限于载体信号在量子信道中的损耗。由于量子信道受制于已有光纤设施，QKD设备的密钥生成速率也将受制于已有光纤设施。

根据对光纤依赖性的不同，本实施方式将QKD协议分为C2C-QKD协议和CSC-QKD协议两类的分类机制，本实施方式的混合QKD网络***包括C2C-QKD设备和CSC-QKD设备，结合图1和图2说明本实施方式；

C2C-QKD协议指的是在进行密钥分发过程中只需要通过一条光纤来连接通信双方的一类协议，组成的C2C-QKD设备如图1所示，BB84-QKD、decoy-QKD、E91-QKD等协议均为此类。CSC-QKD协议则需要不可信第三方的参与，通信双方均通过一条光纤与不可信第三方进行连接，组成的CSC-QKD设备如图2所示，MDI-QKD、CV-MDI-QKD、TF-QKD等协议均为此类。

所有QKD设备相互独立、并可随意组合。

本实施方式对混合QKD网络***的密钥生成速率受限性进行分析：

QKD设备的主要功能是提供安全密钥，因此，密钥生成速率是其最重要的性能指标。由于光纤依赖性的不同，两类QKD协议的密钥速率受限性不同。由于量子态信息无法在传输过程中进行放大，一套C2C-QKD设备的密钥生成速率，记为R₁，会随着连接通信终端Alice和Bob的信道长度的增加而急剧降低。为了表述方便，本实施方式称两个通信方为C2C-client。

与C2C-QKD不同的是，CSC-QKD的密钥生成速率，记为R₂，同时受制于通信终端Alice与第三方Charlie之间信道的距离以及通信终端Bob与第三方Charlie之间信道的距离。由于量子态信息无法在传输过程中进行放大，密钥生成速率会随着两条信道长度的增加而急剧降低。为了表述方便，本实施方式称两个通信方为CSC-client，不可信第三方为CSC-server。

由于C2C-QKD的点对点特性，优选实施例中，本实施方式包括多套C2C-QKD设备，多套C2C-QKD设备组网后，将构成网状的拓扑结构，不直接相连的两个通信方之间可以通过某条连通路径上各个点的转发来实现保密通信。为此，网络中的每个节点既需要作为终端用户，又需要作为交换设备。为了表示方便，本实施方式将其统称为C2C-client。

优选实施例中，本实施方式包括多套CSC-QKD设备，由于CSC-QKD设备的密钥分发过程需要依赖于CSC-server，在使用CSC-QKD时，可以将CSC-server作为服务器，其他众多的CSC-client作为客户端，构成星型的拓扑结构，以实现所有CSC-client之间的密钥分发。特别地，每一对CSC-client之间的密钥分发都需要一套专属于他们的CSC-QKD设备。

本实施方式的混合QKD网络***中同时存在C2C-QKD设备与CSC-QKD设备，该混合网络中的每个节点都可能扮演C2C-client、CSC-client与CSC-server中的一个多个角色，使得全网密钥供给能力的计算变得十分复杂。为了对混合网络的密钥供给能力进行统一计算，本实施方式将物理拓扑转换为逻辑拓扑，该拓扑中每条边具有各自独立的密钥生成能力。

由于每套QKD设备有自己独立的量子信道和密钥分发过程，在忽略经典信道带宽限制的情况下，网络的整体密钥生成能力可看作每套设备密钥生成能力的累加。一套C2C-QKD设备必须布置在一条已有的光纤上，其密钥生成能力可表现为该边上的密钥生成能力。全网所有C2C-QKD设备带来的整体密钥生成能力，可表示为对应边上密钥生成能力的累加和。例如，一条边上，布置了5套C2C-QKD设备时，这5套设备带来的整体密钥生成能力，表现为在该边上的累加和。

然而，一套CSC-QKD设备必须依赖两条光纤而存在，且这两条光纤有且仅有一个交点。显然，这两条光纤可由3个节点来表示，其中两端的节点扮演CSC-client角色，而交点扮演着CSC-server角色。这套CSC-QKD设备的主要功能是为两个CSC-client生成和分发一致密钥。此外，选择不同的CSC-server，会导致两个CSC-client之间密钥生成速率所受限的光纤不同，从而带来不同的密钥生成能力。为此，我们需要引入逻辑边的概念，来表示此三个节点组成的结构。下面使用数学语言对由该边构成的逻辑拓扑进行描述。

对于一个给定的网络物理拓扑G＝(V,E)，其中V是节点集合，E是无向边的集合。对于V中任意两个节点v₁,v₂(v₁∈V,v₂∈V,v₁≠v₂)，若存在边(v₁,v₂)∈E，则该边上的密钥生成能力取决于该边上布置的C2C-QKD设备。若存在一个节点v(v∈V,v≠v₁≠v₂)，使得节点v₁和v₂可以通过该节点连接，即(v₁,v)∈E，(v,v₂)∈E，则其组成一个三节点的逻辑边(v₁,v₂,v)。在逻辑拓扑中，我们将节点v删除，把这条逻辑边表示为连接节点v₁和v₂的一条无向边。该边上的密钥生成能力取决于该边上布置的CSC-QKD设备。特别地，若存在另一个节点v′(v′∈V,v′≠v≠v₁≠v₂)，使得节点v₁和v₂可以通过该节点连接，即(v₁,v′)∈E，(v′,v₂)∈E，则其组成一个三节点的逻辑边(v₁,v₂,v′)。由于该边与边(v₁,v₂,v)的依赖光纤不同，其密钥生成速率计算结果不同。我们在逻辑拓扑中，删除掉节点v和v′，将这两条边表示成连接节点v₁和v₂的两条独立的边，使得逻辑拓扑中出现了平行边。因此，形成的逻辑拓扑是一种多图。若用G′＝(V′,E′)来表示生成的逻辑拓扑，则：

V′＝V-{v|v仅扮演CSC-server角色}，

E′＝E+{(v₁,v₂,v)|v₁∈V,v₂∈V,v∈V,v≠v₁≠v₂,(v₁,v)∈E，(v,v₂)∈E}

根据上述逻辑拓扑生成方法，本实施方式将图3所示的混合物理拓扑转换为了图4所示的逻辑拓扑。显然，从图3和图4中可以看出，节点CSC-server1、CSC-server2、CSC-server3、CSC-server4因为只扮演CSC-server角色，节点处没有密钥生成，因而被删除。CSC-client1、CSC-client2、CSC-client3通过CSC-server1的连接组成了全连通网络，其中，CSC-client1与CSC-client2之间，由于可以通过CSC-server1和CSC-server2两个server来连接，形成了一条平行边。同时，CSC-client4、CSC-client5、CSC-client6、CSC-client7通过CSC-server3的连接组成了全连通网络，CSC-client8、CSC-client9、CSC-client10通过CSC-server4的连接组成了全连通网络。

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 (3)

1.一种基于QKD协议分类的混合QKD网络***，其特征在于，所述混合QKD网络***包括C2C-QKD设备和CSC-QKD设备；

C2C-QKD设备为通信双方只需要通过一条光纤连接实现量子密钥分发，CSC-QKD设备为通信双方均通过一条光纤与不可信第三方进行连接实现量子密钥分发；所有C2C-QKD设备与CSC-QKD设备相互独立、并可随意组合；

所述混合QKD网络***的物理拓扑转换成逻辑拓扑的方法包括：

获取混合QKD网络***的物理拓扑G＝(V,E)，其中V是节点集合，E是无向边的集合；

对于V中任意两个节点v₁,v₂，v₁∈V,v₂∈V,v₁≠v₂，若存在边(v₁,v₂)∈E，该边直接作为逻辑拓扑的一部分；

对于V中任意两个节点v₁,v₂，v₁∈V,v₂∈V,v₁≠v₂，若存在一个节点v，v∈V,v≠v₁≠v₂，使得节点v₁和v₂可以通过节点v连接，则其组成一个三节点的逻辑边(v₁,v₂,v)，将节点v删除，生成连接节点v₁和v₂一条无向边，作为逻辑拓扑的一部分；

对于V中任意两个节点v₁,v₂，v₁∈V,v₂∈V,v₁≠v₂，若存在节点v和节点v′，v∈V,v≠v₁≠v₂，v′∈V,v′≠v≠v₁≠v₂，使得节点v₁和v₂可以分别通过节点v和节点v′连接，组成两个三节点的逻辑边(v₁,v₂,v)和(v₁,v₂,v′)，删除掉节点v和v′，将这两条边表示成连接节点v₁和v₂的两条独立的边，生成一条平行边，作为逻辑拓扑的一部分；

用G′＝(V′,E′)来表示转换的逻辑拓扑，则：

V′＝V-{v|v仅扮演CSC-server角色}，

E′＝E+{(v₁,v₂,v)|v₁∈V,v₂∈V,v∈V,v≠v₁≠v₂,(v₁,v)∈E，(v,v₂)∈E}；

其中，CSC-server表示C2C-QKD设备的不可信第三方。

2.根据权利要求1所述的基于QKD协议分类的混合QKD网络***，其特征在于，所述混合QKD网络***包括多套C2C-QKD设备；

多套C2C-QKD设备构成网状的拓扑结构，不直接相连的两个通信方之间通过某条连通路径上各个节点的转发来实现保密通信，每个节点既作为终端用户，又作为交换设备。

3.根据权利要求1所述的基于QKD协议分类的混合QKD网络***，其特征在于，所述混合QKD网络***包括多套CSC-QKD设备；

多套CSC-QKD设备构成星型的拓扑结构，将不可信第三方作为服务器，其他通信方作为终端用户，以实现所有通信方之间的量子密钥分发。

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