專利名稱：一種用于量子密鑰分配網(wǎng)絡的服務質(zhì)量實現(xiàn)方法
技術領域：
本發(fā)明涉及基于信任中繼的量子密鑰分配網(wǎng)絡領域，是為實現(xiàn)該類型網(wǎng)絡的服務質(zhì)量(Quality of Service, QoS)而設計的方法。
背景技術：
量子密鑰分配基于量子力學的基本原理來保證密鑰分配安全性。目前主要的量子密鑰分配協(xié)議有BB84，B92和EI5R等，其中以BB84協(xié)議應用最為廣泛。該協(xié)議用到單光子的4個量子態(tài)，相互正交的兩個量子態(tài)構(gòu)成一組正交基，因此共有兩組正交基。每組正交基同時也是一組測量基。處于不同測量基的量子態(tài)是非正交的，用不同組的測量基去測量一個量子態(tài)時，結(jié)果不確定且得到的兩個測量結(jié)果概率分別為1/2 ；只有使用同組測量基去測量量子態(tài)時才能得到正確結(jié)果。BB84協(xié)議的主要過程如下密鑰發(fā)送者從4個量子態(tài)中隨機選擇一個，通過量子信道發(fā)送給接收者，接收者隨機選擇一組測量基來測量，并且記錄自己所選擇的測量基和測量結(jié)果。發(fā)送結(jié)束后，兩者通過公開信道相互比對測量基，并同時刪除那些選錯測量基的測量結(jié)果。通過對最后剩余的隨機序列進行“保密放大”等步驟后，便可以在發(fā)送者和接收者之間建立起最終的量子密鑰，并存儲到各自的密鑰緩沖池中。目前相隔100公里的兩點之間密鑰分配最高速率只有2Mbit/s左右，而且隨著距離的增加會急劇下降。由于放大器會對量子態(tài)造成破壞，所以目前點對點密鑰分配的距離很有限。量子密鑰分配網(wǎng)絡以點對點量子密鑰分配系統(tǒng)為基礎，在多個用戶之間實現(xiàn)密鑰的分配。量子密鑰分配網(wǎng)絡分為三種光學節(jié)點網(wǎng)絡、量子中繼網(wǎng)絡和信任中繼網(wǎng)絡。基于信任中繼的量子密鑰網(wǎng)絡是目前實現(xiàn)大規(guī)模網(wǎng)絡的最可行方案。如圖1所示，兩個主機Alice和Bob要進行全局密鑰K的分配。但由于傳輸距離限制，并不能在兩點之間直接分配密鑰，需要依靠中間信任節(jié)點。首先，Alice和節(jié)點1之間共享量子密鑰K1，節(jié)點1和節(jié)點2之間共享量子密鑰K2，節(jié)點2和Bob之間共享量子密鑰K3。Alice利用與節(jié)點1共享的量子密鑰Kl對要發(fā)送的全局密鑰K加密，然后通過經(jīng)典信道發(fā)送給節(jié)點1，節(jié)點1用Kl對加密信息解密后獲得K，并將K用K2加密發(fā)給節(jié)點2，節(jié)點2使用密鑰K2解密獲得K后，再用K3加密K發(fā)給Bob，Bob用K3對加密信息解密后獲得最后的密鑰K。為保證全局密鑰傳遞的安全性，每次使用量子密鑰對全局密鑰K加密時須采用“一次一密”的加密方式。目前對基于信任中繼量子密鑰分配網(wǎng)絡，關于服務質(zhì)量的研究非常少。而作為一種特殊類型的網(wǎng)絡，量子密鑰分配網(wǎng)絡有以下特點或要求1、量子密鑰產(chǎn)生能力不足，量子密鑰資源緊缺，限制了量子密鑰分配網(wǎng)絡的發(fā)展；2、在全局密鑰分配過程中要保證密鑰分配的安全性，防止包括路由和密鑰緩沖池的狀態(tài)等在內(nèi)的信息被截獲；3、不同服務對業(yè)務時延要求不同，因此不同的應用服務對密鑰需求的緊急程度也互不相同?；谝陨峡紤]，本發(fā)明提出一種新方法來實現(xiàn)基于信任中繼量子密鑰分配網(wǎng)絡的服務質(zhì)量
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明結(jié)合當前的技術條件和背景，針對基于信任中繼量子密鑰分配網(wǎng)絡的特點和要求，首先提出一種量子密鑰分配網(wǎng)絡中的服務分類模型，然后為不同的服務類型設計不同的密鑰分配方法，并最終實現(xiàn)基于信任中繼量子密鑰分配網(wǎng)絡的服務質(zhì)量。本發(fā)明主要內(nèi)容如下首先定義全局密鑰從源端發(fā)送到目的端所需要的時間為密鑰分配時延?；诓煌瑧脤γ荑€分配時間的不同要求，我們提出一種服務分類模型，該服務分類模型包括以下三種業(yè)務類型1、密鑰保證型服務(key-guaranteed service)該類型業(yè)務對密鑰分配時間要求最高，因此對量子密鑰資源有最高的使用優(yōu)先級。2、密鑰優(yōu)先型服務(key-prioritized service)相比較于密鑰保證型業(yè)務，該類型業(yè)務可以忍受一定的密鑰分配時延，對量子密鑰的使用優(yōu)先級低于密鑰保證型業(yè)務。3、密鑰盡力型服務(key-best-effort service)相比較于前兩種業(yè)務類型，該業(yè)務對密鑰分配時延最不敏感，對量子密鑰的支配權限也是最低的。在此服務分類模型的基礎上，本發(fā)明提出支持量子密鑰分配網(wǎng)絡的QoS機制設計不同的密鑰分配方法，來服務不同的業(yè)務類型。1、密鑰保證型服務為保證此類服務的密鑰分配服務質(zhì)量，本發(fā)明提出量子密鑰預約方法來對所經(jīng)節(jié)點上的量子密鑰進行提前預約，如圖2所示。根據(jù)網(wǎng)絡策略的不同，全局密鑰的傳輸可以采取量子密鑰最小消耗法和最短分配時延法兩種。如果采用量子密鑰最小消耗法，節(jié)點收到為密鑰保證型服務分配全局密鑰的請求后，采用最短路徑優(yōu)先算法計算出密鑰傳輸路徑，由源節(jié)點向中間節(jié)點和目的節(jié)點發(fā)出量子密鑰預約請求，各個節(jié)點反饋密鑰預約結(jié)果，最后源節(jié)點根據(jù)密鑰預約結(jié)果來判斷能否建立此次連接。如果采取最短分配時延法，節(jié)點收到為密鑰保證型服務分配全局密鑰的請求后，首先源節(jié)點收集網(wǎng)絡中各個節(jié)點的密鑰池狀態(tài)，經(jīng)分析之后，建立這樣的一條路徑該路徑上所有密鑰池中含最小量量子密鑰的密鑰池比其他路徑上的同類密鑰池所含量子密鑰量要大，這樣所選路徑上等待密鑰建立的時間最短。路徑確定之后，由源節(jié)點向中間節(jié)點和目的節(jié)點發(fā)送量子密鑰預約消息。預約過程完成之后，便可以進行全局密鑰的分配。量子密鑰分配網(wǎng)絡通常采用隨機路由算法來隱藏路由，進而減小被攻擊的可能性。在該機制中，為保證量子密鑰預約方法的絕對安全性，在節(jié)點間傳輸路由和密鑰池狀態(tài)等信息也必須采用one-time-pad加密算法由量子密鑰加密?？紤]到信令信息比較小，因此由它帶來的量子密鑰消耗較低。2、密鑰優(yōu)先型和密鑰盡力型服務對于密鑰優(yōu)先型和密鑰盡力型服務，本機制采用傳統(tǒng)的逐跳排隊方法來完成全局密鑰的分配。在由隨機路由或者其他方法計算出的安全路徑上，全局密鑰分組在所經(jīng)過的每個節(jié)點上依次排隊等待量子密鑰處理，直到到達最后目的節(jié)點。密鑰優(yōu)先型服務的優(yōu)先級要高于密鑰盡力型服務，在本發(fā)明中采取優(yōu)先級排隊算法來區(qū)分這兩種服務的服務質(zhì)量。如圖3所示，圖中②和③分別代表密鑰優(yōu)先型服務的全局密鑰分組和密鑰盡力型服務的全局密鑰分組，密鑰優(yōu)先型服務分組總是先于密鑰盡力型服務分組得到量子密鑰。即對于后到達的密鑰優(yōu)先型服務分組，通過插隊方式先于密鑰盡力型服務分組獲取量子密鑰，來保證其服務優(yōu)先級。


圖1基于信任中繼的密鑰分配示意2量子密鑰預約示意3基于優(yōu)先級的逐跳排隊密鑰分配示意4量子密鑰分配網(wǎng)絡拓撲5基于優(yōu)先級的逐跳排隊密鑰分配舉例示意圖
具體實施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。本實例基于如圖4所示的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，要在節(jié)點1和節(jié)點7之間進行密鑰保證型服務的全局密鑰分配，采用的是量子密鑰最小消耗法。量子密鑰最小消耗法使用的路由算法是開放最短路徑優(yōu)先，建立的全局密鑰分配路徑是節(jié)點1 —節(jié)點4 —節(jié)點6 —節(jié)點7 (或者節(jié)點1—節(jié)點2—節(jié)點3—節(jié)點7)。路徑?jīng)Q定后，由節(jié)點1向中間節(jié)點4，6和目的節(jié)點7發(fā)出量子密鑰預約請求，各個節(jié)點收到請求后，反饋密鑰預約結(jié)果，最后源節(jié)點由此來判斷能否建立此次連接。在如圖4所示的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)中，要在節(jié)點1和節(jié)點7之間分配密鑰優(yōu)先型服務和密鑰盡力型服務的全局密鑰。假設兩者選擇的路徑均為節(jié)點1—節(jié)點2 —節(jié)點3 —節(jié)點7。如圖5所示，全局密鑰先后在節(jié)點1，2，3處排隊等待。兩種服務的全局密鑰分組在隊列處采用優(yōu)先級排隊算法，密鑰優(yōu)先型服務的全局密鑰總是先于密鑰盡力型服務的全局密鑰得到在相鄰節(jié)點間傳輸所需的量子密鑰。只有當隊列中沒有密鑰優(yōu)先型服務的全局密鑰排隊等待時，盡力型服務的全局密鑰才能得到量子密鑰。
權利要求
1.針對目前量子密鑰分配網(wǎng)絡中服務單一化，不能實現(xiàn)多種業(yè)務應用服務質(zhì)量的問題，本發(fā)明根據(jù)量子密鑰分配網(wǎng)絡的特點和要求，提出一種解決密鑰分配網(wǎng)絡服務質(zhì)量的方法，其特點在于建立量子密鑰分配網(wǎng)絡服務分類模型，根據(jù)業(yè)務應用對全局密鑰分配時延的不同要求，分為三種服務類型(1)密鑰保證型服務(key-guaranteedservice)該類型服務對密鑰分配時延要求最高，對量子密鑰資源有最高的使用優(yōu)先級。(2)密鑰優(yōu)先型服務(key-prioritizedservice)相比較于密鑰保證型服務，該類型服務可以忍受一定的密鑰分配時延，對量子密鑰的使用優(yōu)先級低于密鑰保證型服務。(3)密鑰盡力型服務(key-best-effortservice)相比較于前兩種服務類型，該業(yè)務對密鑰分配時延最不敏感，對量子密鑰的支配權限也是最低的。
2.在此服務分類模型基礎上，該發(fā)明提出支持基于信任中繼量子密鑰分配網(wǎng)絡服務質(zhì)量的方法，對不同的服務類型采取不同的密鑰分配方法。(1)密鑰保證型服務采用量子密鑰預約方法來對中間節(jié)點的量子密鑰進行提前預約。同時，為保證量子密鑰預約方法的絕對安全性，承載路由和密鑰池狀態(tài)的信令信息也需采用OTP算法由量子密鑰加密。(2)密鑰優(yōu)先型和密鑰盡力型服務對于這兩種業(yè)務，采取傳統(tǒng)的逐跳排隊方法來完成全局密鑰的分配。在隊列中采取優(yōu)先級排隊算法來區(qū)分這兩種業(yè)務的服務質(zhì)量。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種在基于信任中繼量子密鑰分配網(wǎng)絡中，用于實現(xiàn)全局密鑰分配服務質(zhì)量的方法，它包含提出一種量子密鑰分配網(wǎng)絡的服務分類模型，根據(jù)業(yè)務對全局密鑰分配時延的不同要求，共包括三種服務類型，分別是密鑰保證型服務(key-guaranteed service)，密鑰優(yōu)先型服務(key-prioritized service)和密鑰盡力型服務(key-best-effort service)。在此服務分類模型的基礎上，本發(fā)明提出支持量子密鑰分配網(wǎng)絡服務質(zhì)量的機制對密鑰保證型業(yè)務采用量子密鑰預約的方法；對密鑰優(yōu)先型業(yè)務和密鑰盡力型業(yè)務采用逐跳排隊的方式，并在隊列中引入優(yōu)先級排隊算法。
文檔編號H04L9/08GK102394745SQ20111036070
公開日2012年3月28日 申請日期2011年11月15日 優(yōu)先權日2011年11月15日
發(fā)明者孫詠梅, 程先柱, 紀越峰 申請人:北京郵電大學