【技术实现步骤摘要】
本专利涉及量子通信领域，尤其涉及双协议量子光网络中基于链路类型的资源分配问题。该方法结合bennett brassard 1984-quantum key distribution(bb84-qkd)及sending or not sending-quantum key distribution(sns-qkd)协议的特点，对于数据中心与其他网络节点规划问题，则以最小化qkd链路长度为目标，实现基于任意拓扑结构的双协议量子光网络中数据中心与其他网络之间低时延及低损耗的量子加密通信，通过以部署最少的数据中心，达到其他网络与数据中心高安全加密通信需求的目的；经节点规划后即可确定网络中每个数据中心节点与其管理的其他网络节点间的量子通信协议，从而确定网络中每段链路的信号传输情况，进而网络当中将出现两种不同类型的链路，其中仅传输经典信号的链路定义为经典链路，而同时传输量子及经典信号的链路定义为经典与量子混合链路；针对网络中不同链路类型的资源分配问题，通过在设定芯间串扰噪声阈值的条件下，以最小化光路噪声及最大化量子密钥生成率为目标，协同优化网络中经典及量子信号的传输性能，实现数据中心与其他网络之间的低噪声及高质量量子加密通信；进一步推动多协议数据中心量子光网络的实用化进程。
技术介绍
1、量子密钥分发(quantum key distribution,qkd)技术依据海森堡不确定及量子不可克隆等基本原理，结合“一次一密”技术可以为经典光通信提供理论安全保障。基于对qkd技术的大量研究与发展，在安全传输距离的扩展和安全密钥率的提升等方面均取得
2、近年来有大量qkd新协议被提出并得以实验验证，不同的协议具备不同的特性，例如长距离传输能力、对噪声的容忍度及安全性能等。因此，面对网络中的业务需求多样性等问题时，由多种协议组成的qkd光网络能够充分发挥各协议的优势，以提供更好的量子加密通信服务。再有量子中继技术的加持，目前已有大量基于混合协议的量子组网技术研究。然而，针对数据中心与其他网络之间的量子通信组网尚未有相关研究。并且量子中继技术存在不成熟及安全性问题，再有中继会引入传输时延及不必要的传输损耗。
3、本专利主要运用发展最成熟的bb84-qkd协议和具备更高安全性且能实现长距离传输的非对称信道的发送与不发送(sending or not sending，sns)qkd协议组成的双协议qkd光网络进行重点研究。针对数据中心与其他网络节点规划问题，则以最小化qkd链路长度为目标，实现基于任意拓扑结构的双协议量子光网络中数据中心与其他网络之间低时延及低损耗的量子加密通信，通过以部署最少的数据中心，达到其他网络与数据中心高安全加密通信需求的目的；针对网络中不同链路类型的资源分配问题，则在设定芯间串扰噪声阈值的条件下，以最小化光路噪声及最大化量子密钥生成率为目标，协同优化网络中经典及量子信号的传输性能，实现数据中心与其他网络之间的低噪声及高质量量子加密通信。
4、综上所述，结合两种量子协议的特点，目前双协议量子光网络中亟需一种能够实现数据中心与其他网络之间低时延和低损耗的节点划分方法及低噪声和高安全量子加密通信的资源分配方法。
技术实现思路
1、本专利主要针对数据中心与其他网络之间的量子高安全加密通信应用场景，提出了一种双协议量子光网络中基于链路类型的资源分配方法，该方法适用于任意的网络拓扑结构，结合bb84-qkd与sns-qkd协议的特点。以部署最少的数据中心为出发点，并在一定芯间串扰阈值条件下，以最小化光路噪声及最大化量子密钥生成率为目标，实现数据中心与其他网络之间低时延及低损耗的量子加密通信。该方法主要包含四个技术要点：
2、1、提出一种基于节点度的量子光网络中数据中心节点规划方法；
3、2、提出一种基于链路损耗的量子光网络中其他网络节点规划方法；
4、3、提出一种基于波长组合的量子光网络中波长分配方法；
5、4、提出一种基于链路类型的量子光网络中纤芯分配方法。
6、针对所述的第一个技术要点具体说明如下：
7、提出一种基于节点度的量子光网络中数据中心节点规划方法。所提方法针对给定的网络拓扑，首先构建网络模型g(v,e,l,d,pd)，其中v＝{v1,v2,…,v|v|}，表示网络中的节点，|v|则是网络节点总数；e＝{e1,e2,…,e|e|}，表示网络中的边，即连接相邻节点的链路，|e|则是网络链路总数；l＝{l1,l2,…,l|l|}，表示网络中每条边的链路长度，|l|则是网络链路总数，且有|l|＝|e|；d＝{d1,d2,…,d|d|}，表示网络中的数据中心，|d|则是网络中数据中心总数；表示网络中数据中心所管辖的其他网络集群，|pd|则是其他网络集群总数，且有表示数据中心d1管辖的其他网络，|pd|则为所属d1的其他网络总数，其它可以此类推；并且有|v|＝|d|+(|pd1|+|pd2|+…+|pd|)，则有网络节点总数等于数据中心节点数与其他网络节点数之和。其次根据目标函数：ε·dg-lt，其中ε被设置为一个较大的数，目的是以节点度dg为最高优先级，且dg＝{dg1,dg2,…,dg|v|}，表示网络中的每个节点的节点度；则lt＝{lt1,lt2,…,lt|v|}，表示每个节点与其相邻节点的链路长度之和；最后，则通过最大化目标函数的值依次选择数据中心节点。该方法的具体实现步骤共分为以下五步：
8、s1、计算网络中每个节点的节点度dg，dgi＝∑jvi-j，其中i表示第i个网络节点，j表示与第i个节点相邻的节点个数，则vi-j为相邻节点；
9、s2、计算网络中每个节点与其相邻节点的链路长度之和lt，lti＝∑jli-j，其中i表示第i个网络节点，j表示与第i个节点相邻的节点个数，则li-j为第j个相邻节点与节点vi的链路长度；
10、s3、按照最大化目标函数(ε·dg-lt)对节点从大到小进行优先级排序，依次选择优先级最高的节点规划为数据中心，如附图1(a)及图2所示；
11、s4、在步骤s3每次执行后，判断网络中其他节点能否在两跳之内对被规划的数据中心节点通信；如果能，则结束规划进程；否则，继续；
12、s5、重复步骤s4，直到其它节点都能在两跳之内与数据中心建立通信。
13、针对所述第二个技术要点具体说明如下：
14、提出一种基于链路损耗的量子光网络中其他网络节点规划方法。本方法的主要思想是最小化数据中心与其他网络之间通信的链路损耗，即对于每个规划的数据中心节点，计算与其两跳范围内的其他网络节点链路长度，即可根据节点跳数确定数据中心与其他网络之间量子通信的协议，直连即使用bb84-qkd，两跳则使用sns-qkd；并以最小链路损耗为原则决定该其他网络与哪个数据中心进行量子加密通信；最后当网络中的所有其他网络节点都被规划完成即可结束分配流程。该方法的具体实现步骤共分为以下三步：
15、s1、按区域划分数本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种双协议量子光网络中基于链路类型的资源分配方法，目的结合BennettBrassard 1984-Quantum Key Distribution(BB84-QKD)及Sending or Not Sending-Quantum Key Distribution(SNS-QKD)协议的特点，主要解决双协议量子光网络中的两个问题，分别是：数据中心及其他网络节点规划问题及针对不同链路类型，即QKD与经典混合链路及经典链路的资源分配问题，对于数据中心与其他网络节点规划问题，则以最小化QKD链路长度为目标，实现基于任意拓扑结构的双协议量子光网络中数据中心与其他网络之间低时延及低损耗的量子加密通信，通过以部署最少的数据中心，达到其他网络与数据中心高安全加密通信需求的目的；经节点规划后即可确定网络中每个数据中心节点与其管理的其他网络节点间的量子通信协议，从而确定网络中每段链路的信号传输情况，进而网络当中将出现两种不同类型的链路，其中仅传输经典信号的链路定义为经典链路，而同时传输量子及经典信号的链路定义为经典与量子混合链路；针对网络中不同链路类型的资源分配问题，通过在设定芯间串扰噪声阈值
2.如权利要求1所述方法，提出一种基于节点度的量子光网络中数据中心节点规划方法，其特征在于，所提方法针对给定的网络拓扑，首先构建网络模型G(V，E，L，D，Pd)，其中V＝{v1，v2，...，v|V|}，表示网络中的节点，|V|则是网络节点总数；E＝{e1，e2，...，e|E|}，表示网络中的边，即连接相邻节点的链路，|E|则是网络链路总数；L＝{l1，l2，...，l|L|}，表示网络中每条边的链路长度，|L|则是网络链路总数，且有|L|＝|E|；D＝{d1，d2，...，d|D|}，表示网络中的数据中心，|D|则是网络中数据中心总数；表示网络中数据中心所管辖的其他网络集群，|Pd|则是其他网络集群总数，且有表示数据中心d1管辖的其他网络，|pd|则为所属d1的其他网络总数，其它可以此类推；并且有|V|＝|D|+(|pd1|+|pd2|+...+|pd|)，即网络节点总数等于数据中心节点数与其他网络节点数之和，其次根据目标函数：ε·Dg-Lt，其中ε被设置为一个较大的数，目的是以节点度Dg为最高优先级，且Dg＝{Dg1，Dg2，...，Dg|V|}，表示网络中的每个节点的节点度；则Lt＝{Lt1，Lt2，...，Lt|V|}，表示每个节点与其相邻节点的链路长度之和；最后，则通过最大化目标函数的值依次选择数据中心节点；该方法的具体实现步骤共分为以下五步：
3.如权利要求1和2所述方法，提出一种基于链路损耗的量子光网络中其他网络节点规划方法，其特征在于该方法以最小化数据中心与其他网络之间通信的链路损耗为目的，即对于每个规划的数据中心节点，计算与其两跳范围内的其他网络节点链路长度，即可根据节点跳数确定数据中心与其他网络之间量子通信的协议，直连即使用BB84-QKD，两跳则使用SNS-QKD；并以最小链路损耗为原则决定该其他网络与哪个数据中心进行量子加密通信；最后当网络中的所有其他网络节点都被规划完成即可结束分配流程；该方法具体包括以下三个步骤：
4.如权利要求1、2和3所述方法，提出一种基于波长组合的量子光网络中波长分配方法，本方法针对多芯光纤中芯间串扰噪声的特性，即芯间串扰仅在邻芯间的同频处产生；在给定波段内，采取波长分组的方式得到三种波长组合方案，任意波长组合中的波长等间隔分布，且波长间隔为给定波段波长间隔的两倍；根据芯间串扰噪声生成的特点，两两方案之间不存在芯间串扰噪声，并且在设定芯间串扰噪声阈值的条件下，提出串扰感知启发式算法，按照目标函数：即对于任意t∈[0，T]时隙内，第i-j条链路上经典信号受到的芯间串扰噪声要小于等于芯间串扰阈值，以保证经典信号在串扰阈值内高性能传输；其中芯间串扰阈值建模如下：
5.如权利要求1、2、3和4所述方法，提出一种基于链路类型的量子光网络中纤芯分配方法，该方法可应用于任意芯数的正多边形多芯光纤，且该方法针对上述量子光网络中数据中心与其他网络形成的专网之间存在不同链路类型问题，即经典链路和经典及量子混合链路，提出针对不同链路类型的纤芯分配方法；该方法主要思想为：对于经典链路，即仅存在经典信号的链路，则采用从最外圈开始以顺时针旋转的方式分配经典纤芯，其中三种波长组合按照循环交替的方式由上至下依次分布在多芯光纤的每一层纤芯中；对于经典与量子混...
【技术特征摘要】
1.一种双协议量子光网络中基于链路类型的资源分配方法，目的结合bennettbrassard 1984-quantum key distribution(bb84-qkd)及sending or not sending-quantum key distribution(sns-qkd)协议的特点，主要解决双协议量子光网络中的两个问题，分别是：数据中心及其他网络节点规划问题及针对不同链路类型，即qkd与经典混合链路及经典链路的资源分配问题，对于数据中心与其他网络节点规划问题，则以最小化qkd链路长度为目标，实现基于任意拓扑结构的双协议量子光网络中数据中心与其他网络之间低时延及低损耗的量子加密通信，通过以部署最少的数据中心，达到其他网络与数据中心高安全加密通信需求的目的；经节点规划后即可确定网络中每个数据中心节点与其管理的其他网络节点间的量子通信协议，从而确定网络中每段链路的信号传输情况，进而网络当中将出现两种不同类型的链路，其中仅传输经典信号的链路定义为经典链路，而同时传输量子及经典信号的链路定义为经典与量子混合链路；针对网络中不同链路类型的资源分配问题，通过在设定芯间串扰噪声阈值的条件下，以最小化光路噪声及最大化量子密钥生成率为目标，协同优化网络中经典及量子信号的传输性能，实现数据中心与其他网络之间的低噪声及高质量量子加密通信；进一步推动多协议数据中心量子光网络的实用化及其理论研究进程，其特征在于：
2.如权利要求1所述方法，提出一种基于节点度的量子光网络中数据中心节点规划方法，其特征在于，所提方法针对给定的网络拓扑，首先构建网络模型g(v，e，l，d，pd)，其中v＝{v1，v2，...，v|v|}，表示网络中的节点，|v|则是网络节点总数；e＝{e1，e2，...，e|e|}，表示网络中的边，即连接相邻节点的链路，|e|则是网络链路总数；l＝{l1，l2，...，l|l|}，表示网络中每条边的链路长度，|l|则是网络链路总数，且有|l|＝|e|；d＝{d1，d2，...，d|d|}，表示网络中的数据中心，|d|则是网络中数据中心总数；表示网络中数据中心所管辖的其他网络集群，|pd|则是其他网络集群总数，且有表示数据中心d1管辖的其他网络，|pd|则为所属d1的其他网络总数，其它可以此类推；并且有|v|＝|d|+(|pd1|+|pd2|+...+|pd|)，即网络节点总数等于数据中心节点数与其他网络节点数之和，其次根据目标函数：ε·dg-lt，其中ε被设置为一个较大的数，目的是以节点度dg为最高优先级，且dg＝{dg1，dg2，...，dg|v|}，表示网络中的每...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙咏梅，任雪琴，解川，刘登齐，纪越峰，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：
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