[發明專利]一種混合QKD網絡系統的最優成本拓撲構建方法

有效

• 申請號: 202010136676.9
• 申請日: 2020-03-02
• 公開（公告）號: CN111464330B
• 公開（公告）日: 2022-10-25
• 發明（設計）人: 李瓊;王亞星;劉兆慶;韓琦;毛昊坤
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: H04L41/12
• 分類號: H04L41/12;H04L9/08;H04B10/70
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 高倩

一種混合QKD網絡系統的最優成本拓撲構建方法，解決了現有技術中缺少對不同類型QKD設備的混合組網進行成本估算的問題，屬于保密通信領域。本發明的方法包括：S1、構建混合QKD網絡系統，包括C2C?QKD設備和CSC?QKD設備；S2、用物理拓撲G＝(V,E,F)模擬混合QKD網絡系統；S3、以總成本最小為目標，以物理拓撲網絡流的帶寬限制、流量守恒、流量需求和可信度限制為約束條件，每條邊的QKD設備數目、每個通信對的實際流量、每個網絡流值共同作為決策變量，構建最優化模型；S4、對最優化模型進行求解，得到最優成本。

技術領域

本發明涉及一種QKD網絡系統的最優成本拓撲構建方法，特別涉及一種包含成本指標提出和最優成本計算的混合QKD網絡的最優成本拓撲構建方法，屬于保密通信領域。

背景技術

隨著量子計算能力的不斷提升，光網絡的通信安全性受到了嚴重的威脅。基于量子基本原理的量子密鑰分發(Quantum key distribution,QKD)技術，可以分發能夠抵抗量子計算攻擊且在理論上具有絕對安全性的密鑰，是目前最實用化的抗量子保密通信手段。因此，嘗試將QKD技術應用于光網絡中，組建基于量子密鑰的QKD網絡將能顯著提升其安全性。

考慮到QKD設備具有量子信道的獨占性、密鑰生成速率的受限性、設備種類的多樣性、可信度管控的必要性等特征，設計具有最低成本的QKD網絡構建方案是一項至關重要的任務，具有重要的理論與實踐價值。

目前QKD技術已經逐漸發展成熟，并進入實用化階段。QKD設備類型越來越多種多樣，QKD網絡節點數量也達到了56個節點之多。利用波分復用、正交頻分復用等技術，可以將QKD獨有的量子信道embedded在已有的經典光纖上。因此，通過復用已有的網絡設施，只需在節點處增設QKD所需光學器件，就可以實現QKD設備在傳統光網絡中的應用。

然而，相比于光網絡上GHZ級別的信息傳輸需求，QKD設備的密鑰生成速率僅能達到1Mbps@50km對于安全性高的應用場景，量子密鑰是一種十分稀缺的資源。由于不同類型QKD設備的密鑰特性與基礎設施需求不同，QKD設備的類型選取、位置擺放、組網方式等，都將在不同程度上影響整個網絡的性能增益。這也是QKD網絡構建首要解決的問題。

發明內容

針對現有技術中缺少對不同類型QKD設備的混合組網進行成本估算的問題，本發明提供一種混合QKD網絡系統的最優成本拓撲構建方法。

本發明的一種混合QKD網絡系統的最優成本拓撲構建方法，所述方法包括：

S1、構建混合QKD網絡系統，所述混合QKD網絡系統包括C2C-QKD設備和CSC-QKD設備；

C2C-QKD設備為通信雙方只需要通過一條光纖連接實現量子密鑰分發，CSC-QKD設備為通信雙方均通過一條光纖與不可信第三方進行連接實現量子密鑰分發；所有C2C-QKD設備與CSC-QKD設備相互獨立、并可隨意組合；

S2、用物理拓撲G＝(V,E,F)模擬混合QKD網絡系統，V、E和F分別表示混合QKD網絡系統中的節點、邊和網絡流的集合；

S3、以總成本最小為目標，以物理拓撲網絡流的帶寬限制、流量守恒、流量需求和可信度限制為約束條件，每條邊的QKD設備數目、每個通信對的實際流量、每個網絡流值共同作為決策變量，構建最優化模型；

S4、對最優化模型進行求解，得到最優成本。

作為優選，所述S2中，物理拓撲的節點、邊和網絡流的屬性包括：

所述物理拓撲的每個節點的屬性包括通信需求量與加密算法的密鑰消耗；

所述物理拓撲的邊分為C2C-QKD設備的邊C2C-edge和CSC-QKD設備的邊CSC-edge；