量子保密通信网络路由优化与可用密钥速率测量

发布时间：2020-03-20 09:51

【摘要】：随着量子通信技术的迅速发展,量子通信已经进入实际规模化组网阶段,因此量子保密通信网络性能的优化对网络规模的扩展、网络资源的合理利用均有着重要的意义。路由算法是网络规模扩展中重要的研究内容之一,合理的算法可以提高各链路的密钥利用率,优化网络资源。而密钥作为量子网络中的重要资源,其利用率及速率也是网络性能优化的重要参数。本文主要对量子保密通信网络随机路由算法进行了优化,并且提出了端到端可用密钥速率的测量方法。本文首先介绍了量子通信国内外研究现状,并说明了研究意义。其次,简述了量子保密通信系统的组成以及本研究工作用到的基础理论知识。第三,本文主要对基于可信中继的量子保密通信网络开展以下研究:1.对基于可信中继的量子保密通信网络随机路由算法进行了优化。改进的算法除了将所有最短路径添加进路由表之外,还可以根据网络拓扑大小,适当增加不同跳数的备份路径,并解决了两节点间数据转发环路问题。论文对不同的路由算法进行了仿真和分析,结果表明,改进的算法进一步均衡了全网负载,优化了网络资源,一定程度上提高了网络安全性。2.提出两种端到端可用密钥速率的测量方法。现有基于单向时延的测量方法中,若时延趋势判断错误,会引起测量结果较大的误差。为了弥补传统方法的不足,提出了重新调整收敛区间的测量方法。本方法结合时延趋势和收敛区间大小的关系判断是否需要调整收敛区间和发送速率。重新调整测量区间的过程提高了测量精度,但是增加了收敛次数。为了缩短收敛时间,在此基础上提出了加快收敛的测量方法。首先在测量初期发送变速率的数据包组,判断出可用密钥速率的大致范围,之后再结合重新调整收敛区间的规则判断是否调整发送速率,从而弥补可能出现的时延趋势判断错误情况带来的误差。仿真结果表明,加快收敛的测量方法不仅可以有效地测出可用密钥速率,且相比其他方法减小了误差,缩短了测量时间。最后,对本文的研究内容进行了总结,并对下一步工作进行了展望。
【图文】：

时延,数据分段,趋势

图 2. 5 判断时延趋势所用的数据分段如图 2.5 所示，假设测量共需要发送 X fleets 探测包，每个 fleet 包含 Y 个 stream，每个 stream 包含 K 个包，每个 stream 之间有一定间隔，每个 stream 中的 K 个探测包之间没有间隔。每个 stream 都需要判断时延趋势，然后再判断 1 个 fleet 的趋势。统计并判断每个 stream 时延趋势的步骤：（1）先统计 1 个 stream 中探测包的时延；（2）再将 1 个 stream 中 K 个包的时延根据需求分为 P 段；（3）计算出 1 个 stream中每段的时延均值iD ，，若i i1D D ，i 1( ) 1iI D D ，反之，i 1( ) 0iI D D ；（4）最后根据公式(2-1)、(2-2)和准则进行判断。i 12( )1PiiPCTI D DSP (2-1)112-| |PPDT Pi iiD DSD D (2-2)

拓扑图,路由算法,拓扑

进程模型则是由状态和转移线来描述协议。OPNET 内包含多种网络模型及标准协议模块，包括 RIP、OSPF、TCP/IP、UDP、等协议。用户可根据自身需求修改内置的标准模块或者自定义开发模块。OPNET持多种仿真业务，用户可根据需要在 Application Definitions 和 Profile Definition置 video、ftp、sip、http 等业务参数，还可在 Task 中自行配置需要的仿真业务进行仿真时除了可以收集仿真系统自带的统计量如时延、呼损、丢包率等，还可进程模型中自行添加统计量实现新功能。3.3.2 仿真拓扑及参数设置图 3.4 为本章路由算法的仿真拓扑：共设置了 11 个通信子网，子网间通过可信节点连接，本次仿真通过路由器来模拟可信中继。如图 3.5，每个子网中，除了器外，还有交换机、服务器以及接入用户。其中，图中的 node_0 指的是骨干链钥更新节点模块，主要负责维护子网间骨干链路上的密钥更新周期，密钥更新速。全网的密钥更新只在骨干网节点间进行。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN918;O413

【参考文献】