广域量子密钥网络模型及路由技术研究

发布时间：2020-06-29 14:46

【摘要】：量子密钥分发技术被称为信息安全领域最具颠覆性的前沿技术之一。随着点到点量子密钥分发技术研究日益成熟,能够解决多用户、高速率、远距离、网络化密钥分发需求的量子密钥网络已经成为国内外研究热点。在广域环境下,网络规模及密钥应用需求的不断增长给量子密钥网络理论与技术研究带来了新的挑战。现有的量子密钥网络模型密钥分发效率低,密钥路由选择机制单一,已经无法满足广域量子密钥网络的服务性能需求。本文针对如何提高广域量子密钥网络服务性能的问题,从密钥中继资源利用率入手,提出了广域量子密钥网络五层并行分发模型,并在此基础之上,研究了量子密钥网络服务能力的定量刻画方法,设计了基于分域分层的密钥分发路由选择方案及其路由协议和算法。本文的主要工作及取得的成果如下:1.提出了支持高效率密钥分发的量子密钥网络五层并行分发(5 Layers Parallel Distribution,5LPD)模型。针对现有单层串行分发模型在广域环境下存在密钥中继资源利率低、密钥分发效率不高的问题,分析了密钥中继的资源消耗情况,基于分层思想提出5LPD模型,实现了分层并行流水量子密钥分发,随后给出了5LPD模型下量子密钥网络的“骨干网+接入网”拓扑结构,并基于图论原理定义密钥关系图,描述了5LPD模型各层内部密钥关系,为后续研究奠定理论基础。分析结果表明,5LPD模型能够有效提高大规模量子密钥网络的密钥资源利用率和密钥分发效率。2.提出了一种基于密钥能力图的量子密钥网络服务能力刻画方法。针对当前缺乏量子密钥网络服务能力定量描述方法的问题,通过定义密钥能力图、建立密钥能力图动态过程模型,给出一种基于各链路密钥资源及其动态变化的量子密钥网络服务能力定量刻画方法,在此基础上分别刻画了单层串行分发及5LPD两种模型下量子密钥网络的服务能力。随后,通过实例环境分别对上述两种不同模型下量子密钥网络的服务能力进行定量计算及仿真实验对比,分析及仿真结果验证了服务能力刻画方法的有效性、通用性,同时表明5LPD模型的服务能力明显高于单层串行分发模型。3.设计了适用于广域环境下5LPD网络密钥骨干交换层的分域分层动态路由(Area-Dividing and Hierarchical based Dynamic Routing,AHDR)方案。针对广域环境下5LPD网络的密钥骨干交换规模仍然较大、中继路径仍然较长的特点,为了保障密钥分发效率,设计了AHDR方案。首先,提出量子密钥网络路由域规模约束准则以及路由域划分策略,将密钥骨干交换网络划分为多个小规模路由域;其次,在分域的基础上设计了基于拓扑摘要的路由域派生机制,构建密钥骨干交换网络分域分层路由结构;最后,给出了通过不同层、不同路由域实现域内、域间路由选择的基本思路。分析表明,AHDR方案能够简化广域环境中路由管理的复杂性,能够有效缩短密钥中继路径长度,为中继路径选择奠定基础。4.设计了基于洪泛扩散的量子密钥网络路由交换协议F-QNRP。针对量子密钥网络链路状态变化快、路由信息交换效率要求高的问题,分析了量子密钥网络的路由交换需求,采用分模块、可组合的思想,设计了F-QNRP协议。该协议由节点问候、状态请求、状态扩散三个模块构成,通过不同模块的灵活组合,可以分别实现邻近网络状态收集、新节点快速同步路由、网络状态信息快速扩散等不同路由交换功能需求。分析表明,F-QNRP协议能够实现量子密钥网络路由信息交换的及时性、一致性。5.设计了广域量子密钥网络域内、域间路由算法。针对现有路由算法(KQ-RA)存在重局部轻整体、密钥资源隐形浪费的问题,设计了基于最短密钥补充时间的域内路由算法SKRT-RA,综合考虑链路当前密钥资源总量及其密钥资源生成速率,提出密钥补充时间作为链路权重,通过改进KQ-RA算法实现最佳路径选择,保障域内中继传输,并且能够合理使用各链路的密钥资源;针对AHDR方案的分域分层路由结构特点,以SKRT-RA算法为基础进一步设计了基于最少路由域中继的域间路由算法LRAT-RA,充分利用不同层路由域间的共享物理节点,实现不同路由层的路径分段快速衔接。分析及仿真实验表明,LRAT-RA能够使参与域间路由选择的中间路由域最少,进而提高域间密钥中继效率。
【学位授予单位】：战略支援部队信息工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN918;O413

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