【摘要】：量子密鑰分發(fā)技術(shù)被稱為信息安全領(lǐng)域最具顛覆性的前沿技術(shù)之一。隨著點到點量子密鑰分發(fā)技術(shù)研究日益成熟,能夠解決多用戶、高速率、遠距離、網(wǎng)絡(luò)化密鑰分發(fā)需求的量子密鑰網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為國內(nèi)外研究熱點。在廣域環(huán)境下,網(wǎng)絡(luò)規(guī)模及密鑰應(yīng)用需求的不斷增長給量子密鑰網(wǎng)絡(luò)理論與技術(shù)研究帶來了新的挑戰(zhàn)�，F(xiàn)有的量子密鑰網(wǎng)絡(luò)模型密鑰分發(fā)效率低,密鑰路由選擇機制單一,已經(jīng)無法滿足廣域量子密鑰網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)性能需求。本文針對如何提高廣域量子密鑰網(wǎng)絡(luò)服務(wù)性能的問題,從密鑰中繼資源利用率入手,提出了廣域量子密鑰網(wǎng)絡(luò)五層并行分發(fā)模型,并在此基礎(chǔ)之上,研究了量子密鑰網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力的定量刻畫方法,設(shè)計了基于分域分層的密鑰分發(fā)路由選擇方案及其路由協(xié)議和算法。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鑰分發(fā)的量子密鑰網(wǎng)絡(luò)五層并行分發(fā)(5 Layers Parallel Distribution,5LPD)模型。針對現(xiàn)有單層串行分發(fā)模型在廣域環(huán)境下存在密鑰中繼資源利率低、密鑰分發(fā)效率不高的問題,分析了密鑰中繼的資源消耗情況,基于分層思想提出5LPD模型,實現(xiàn)了分層并行流水量子密鑰分發(fā),隨后給出了5LPD模型下量子密鑰網(wǎng)絡(luò)的“骨干網(wǎng)+接入網(wǎng)”拓撲結(jié)構(gòu),并基于圖論原理定義密鑰關(guān)系圖,描述了5LPD模型各層內(nèi)部密鑰關(guān)系,為后續(xù)研究奠定理論基礎(chǔ)。分析結(jié)果表明,5LPD模型能夠有效提高大規(guī)模量子密鑰網(wǎng)絡(luò)的密鑰資源利用率和密鑰分發(fā)效率。2.提出了一種基于密鑰能力圖的量子密鑰網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力刻畫方法。針對當前缺乏量子密鑰網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力定量描述方法的問題,通過定義密鑰能力圖、建立密鑰能力圖動態(tài)過程模型,給出一種基于各鏈路密鑰資源及其動態(tài)變化的量子密鑰網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力定量刻畫方法,在此基礎(chǔ)上分別刻畫了單層串行分發(fā)及5LPD兩種模型下量子密鑰網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)能力。隨后,通過實例環(huán)境分別對上述兩種不同模型下量子密鑰網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)能力進行定量計算及仿真實驗對比,分析及仿真結(jié)果驗證了服務(wù)能力刻畫方法的有效性、通用性,同時表明5LPD模型的服務(wù)能力明顯高于單層串行分發(fā)模型。3.設(shè)計了適用于廣域環(huán)境下5LPD網(wǎng)絡(luò)密鑰骨干交換層的分域分層動態(tài)路由(Area-Dividing and Hierarchical based Dynamic Routing,AHDR)方案。針對廣域環(huán)境下5LPD網(wǎng)絡(luò)的密鑰骨干交換規(guī)模仍然較大、中繼路徑仍然較長的特點,為了保障密鑰分發(fā)效率,設(shè)計了AHDR方案。首先,提出量子密鑰網(wǎng)絡(luò)路由域規(guī)模約束準則以及路由域劃分策略,將密鑰骨干交換網(wǎng)絡(luò)劃分為多個小規(guī)模路由域;其次,在分域的基礎(chǔ)上設(shè)計了基于拓撲摘要的路由域派生機制,構(gòu)建密鑰骨干交換網(wǎng)絡(luò)分域分層路由結(jié)構(gòu);最后,給出了通過不同層、不同路由域?qū)崿F(xiàn)域內(nèi)、域間路由選擇的基本思路。分析表明,AHDR方案能夠簡化廣域環(huán)境中路由管理的復(fù)雜性,能夠有效縮短密鑰中繼路徑長度,為中繼路徑選擇奠定基礎(chǔ)。4.設(shè)計了基于洪泛擴散的量子密鑰網(wǎng)絡(luò)路由交換協(xié)議F-QNRP。針對量子密鑰網(wǎng)絡(luò)鏈路狀態(tài)變化快、路由信息交換效率要求高的問題,分析了量子密鑰網(wǎng)絡(luò)的路由交換需求,采用分模塊、可組合的思想,設(shè)計了F-QNRP協(xié)議。該協(xié)議由節(jié)點問候、狀態(tài)請求、狀態(tài)擴散三個模塊構(gòu)成,通過不同模塊的靈活組合,可以分別實現(xiàn)鄰近網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)收集、新節(jié)點快速同步路由、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息快速擴散等不同路由交換功能需求。分析表明,F-QNRP協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)量子密鑰網(wǎng)絡(luò)路由信息交換的及時性、一致性。5.設(shè)計了廣域量子密鑰網(wǎng)絡(luò)域內(nèi)、域間路由算法。針對現(xiàn)有路由算法(KQ-RA)存在重局部輕整體、密鑰資源隱形浪費的問題,設(shè)計了基于最短密鑰補充時間的域內(nèi)路由算法SKRT-RA,綜合考慮鏈路當前密鑰資源總量及其密鑰資源生成速率,提出密鑰補充時間作為鏈路權(quán)重,通過改進KQ-RA算法實現(xiàn)最佳路徑選擇,保障域內(nèi)中繼傳輸,并且能夠合理使用各鏈路的密鑰資源;針對AHDR方案的分域分層路由結(jié)構(gòu)特點,以SKRT-RA算法為基礎(chǔ)進一步設(shè)計了基于最少路由域中繼的域間路由算法LRAT-RA,充分利用不同層路由域間的共享物理節(jié)點,實現(xiàn)不同路由層的路徑分段快速銜接。分析及仿真實驗表明,LRAT-RA能夠使參與域間路由選擇的中間路由域最少,進而提高域間密鑰中繼效率。
【學(xué)位授予單位】：戰(zhàn)略支援部隊信息工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN918;O413

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