贺小云+易运晖

摘 要： 传统的量子通信网络采用空分机制，受链路中密钥分发率最低的链路限制。在大规模的量子通信网络中，链路资源浪费将更为显著，呼损率也很高。提出一种结合了分布式链路聚合算法和分布式业务聚合算法，可以支持多种业务，提供第三层路由功能以及服务质量保证的量子通信网络的路由策略。基于OPNET对呼损率的进行了仿真验证。结果表明，在保证安全性的同时可以提高瓶颈链路速率，降低系统呼损率，提高了服务质量。

关键词： 量子通信网； 逻辑承载网； 链路聚合； 业务聚合

中图分类号： TN915?34； TP918 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）04?0013?03

0 引 言

量子通信、量子信息学是近30年发展起来的新兴交叉学科，是量子力学、通信理论以及计算机科学相结合的产物。自从1984年，Bennett和Brassard提出了著名的量子密钥分发（Quantum Key Distribution，QKD）的概念及具体的BB84协议以来，量子通信发展非常迅猛。量子通信和量子计算潜在的重要科学价值、应用前景和应用价值受到世界各国的物理领域和信息领域的学术界、企业界和国防部门的高度重视，成为研究的热点，是关乎国家安全的新兴产业。

量子通信不仅可以用于国防、政府等国家保密通信领域，还可用于证卷、保险银行等涉及秘密数据、票据的商业领域。美国、欧盟和日本等国家的政府、国防部门、科技界和信息产业界均投入大量人力物力致力于量子通信的研究和开发工作。在美国，量子信息被列为《保持国家竞争力》计划的重点支持课题；美国的国家标准和技术研究所（National Institute of Standards and Technology，NIST）将量子信息作为三个重点研究方向之一。加州理工大学、麻省理工学院和南加州大学联合成立了量子信息和计算研究所研究量子计算、量子网络等理论和实验。美国全国科学基金会投资5 000万美元对量子通信进行研究。美国白宫和五角大楼的量子通信系统目前已投入使用。在欧洲，针对量子信息处理这一科技重大问题，实行大规模国际合作成立了包括欧盟多国在内的量子信息物理学研究网。日本也将将量子信息列为21世纪国家的战略项目，确定为10年的中长期研究目标和长期研究战略，计划在10～15年内建成高速量子信息通信网。我国中科院已制订了发射量子通信卫星的计划（预计2016年发射），如果实验成功将为建立全球量子通信网络奠定基础。

目前国内外建成了多个量子通信实验网络。比较典型、有影响的主要有下面几个网络：美国国防部高级研究计划局DARPA（Defense Advanced Research Project Agency）在2004年建成了全球第一个实际的量子通信实验网络[1]、欧盟的建立于2008年在维也纳SECOQC（Secure Communication based on Quantum Cryptography）量子网络[2]、日本在2010年建立东京量子通信网络[3]、2009年中国科技大学郭光灿团队建立的量子政务网[4]以及2012年新华社和中国科大合作建设的金融信息量子通信验证网 [5]等。这些量子通信网络规模较小，包含的节点数目都不超过50个。大部分基于第二层交换机，主要为空分交换机（也有部分波分交换或复用的交换机），仅仅能够提供为语音电话、传真、文件传输和文本通信的基本业务。目前尚未看到大规模量子通信网络的报道，本文提出一种支持多种业务，提供第三层路由功能以及服务质量保证的量子通信网络的体系构架和路由策略。

1 策略描述

1.1 分布式链路聚合算法

通常量子密钥分发的速率与通信距离的关系如图1所示，R0表示在通信距离为0时的密钥速率，Dmax表示最大通信距离。在0～Ddrop之间，密钥速率呈线性下降，在Ddrop～Dmax之间，密钥速率按照指数规律下降。可看出量子通信的速率随着距离的增加而明显下降。这样由于链路中每一段的距离不同，每一段的密钥速率也不同，受链路中最低密钥速率的影响，很容易产生阻塞，传统量子网络的空分甚至基于纠缠的量子门交换机都存在这个问题。因此设计下面的分布式链路聚合算法。

在链路容量受限，同时有其他链路空闲时，这样可将空闲链路和受限链路聚合在一起，形成一个逻辑上的聚合组，使用链路聚合服务的上层实体把同一聚合组内的多条链路视为一条逻辑链路。采用第三层交换机的路由技术提供由多个链路聚合而成的虚拟链路，保障高优先级业务的质量。例如：在图2所示的网络中，AB之间要建立连接，按照最经典的最短路径优先算法得到链路（1?2）应该是最佳路径，但如果链路2不能提供足够的密钥分发速率，因此可以聚合另一条空闲的能提供足够的密钥分发速率链路（5?8），使整个链路的速率能满足要求。

1.2 分布式业务聚合算法

在大规模的量子通信网络中，可能存在的网络的互连方式包括：无阻塞的量子通信网络和允许一定阻塞率的量子交换机。因为实际使用中，所有用户不是同时通信的，因此并不需要花费高成本构造无阻塞的网络，因此目前的量子通信网络存在一定的阻塞率。量子通信网络中，链路建立后，由于各路由器之间距离的不同，其每段链路的QKD速率不一定相同，传统的量子通信网络采用空分机制，因此每段链路等受链路中密钥分发率最低的链路限制，这样会产生链路资源浪费，在大规模的量子通信网络中，这种浪费将更为显著，因此我们提出将不同的业务聚合在链路中。例如，图3所示的量子通信网络中，在链路（4?5，5?9，9?10，10?11）中，链路（5?9）的速率最低，这时我们可以利用链路（9?10）在空闲时为其他业务提供一条逻辑链路，这样就可以提高网络总的吞吐量。

1.3 逻辑承载网的实现

对于如图4所示的量子通信网络时，通过链路聚合和业务聚合最终实现的逻辑承载网如图5所示。可以看到，按照最短路径优先算法，A和B间的速率只能达到100 KB/s。而通过链路聚合和业务聚合算法，在不提高量子密钥生成速率的条件下， A和B间的速率可以突破原有100 KB/s的瓶颈，最高可达到150 KB/s；但是由于与C相连的惟一链路的速率是50 KB/s，所以B和C间之间的速率仍是50 KB/s。

2 仿真及结果分析

2.1 仿真参数设置

为了验证提出的网络模型和协议，针对模型如图2所示400节点的量子通信网络使用OPNET仿真进行性能验证。仿真参数如表1所示。仿真参数无Key产生的时间，并假定初始Key池为满。

表1 OPNET仿真参数设置

2.2 仿真结果及分析

2.2.1 呼损性能与Key存贮空间的关系仿真

工作的量子终端设备数NR≤4，用户端rU=5 Kb/s，BU =1 MB时，采用链路聚合和业务聚合算法前后呼损性能的仿真结果关系表2所示。仿真结果表明，在业务空闲（eU=0.01 erl）时，互损率都很小，而在业务繁忙时，所提出的方案可有效降低系统互损率，保证系统系能。

2.2.2 呼损性能与Key存贮空间的关系

当[eU=0.2 erl]，即业务繁忙时 ，Key存贮空间从1 MB改变到16 MB，采用链路聚合和业务聚合算法前后呼损性能的仿真结果关系表3所示。

表2 呼损性能与Key存贮空间的关系

表3 呼损性能与Key存贮空间的关系

仿真结果说明，当Key存贮空间同为1 MB，2 MB和4 MB的情况下，所提出的方案能大幅地降低系统呼损率，特别4 MB，系统呼损率由38.0%降到2%；而在Key存贮空间同为8 MB和16 MB时，仍可有效降低系统呼损率。

3 结 语

针对传统的量子通信网络的拓扑结构存在的问题，将传统网络“第三层交换机”的思想引入量子通信网络拓扑结构，打破以原有“空分交换机”和 “光路”交换为基础的交换模式，通过“第三层交换机”提供对路由和服务质量的支持。提出第三层交换机中进行链路分配和链路聚合方案，仿真结果说明此方案在保证安全性的同时可以提高瓶颈链路速率，降低系统呼损率，保证了服务质量。

参考文献

[1] ELLIOTT C， COLVIN A， PEARSON D， et al. Current status of the DARPA quantum network [J]. Proceedings of SPIE， 2005， 5815： 138?149.

[2] POPPE A. Outline of the SECOQC quantum key distribution network in Vienna [J]. International Journal of Quantum Information， 2008， 6（2）： 209?218.

[3] HORIUCHI N. Quantum secure video [J]. Nat Photonics， 2011， 5（1）： 10? 11.

[4] WANG S. Field test of wavelength saving quantum key distribution network [J]. Opt Letters， 2010， 35（14）： 2454?2456.

[5] 佚名.金融信息量子通信验证网在京开通，国务委员刘延东出席开通仪式[EB/OL]. [2012?02?22]. http：//news.ustc.edu.cn / xwbl/201202/t20120222_129244.html.

[6] 郑涛.以太网链路聚合的研究与实现[D].杭州：杭州电子科技大学，2009.

[7] 王明会.基于光量子的安全通信网络仿真研究与实现[D].西安：西安电子科技大学，2013.

[8] 易运晖.单光子量子安全通信技术研究[D].西安：西安电子科技大学，2013.