專利名稱：基于量子集控站的光量子通信組網(wǎng)結(jié)構(gòu)及其通信方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及量子通信領(lǐng)域，尤其是一種基于光量子集控站的量子通信組網(wǎng)結(jié)構(gòu)及其通信方法。
背景技術(shù)：
量子密鑰分發(fā)技術(shù)的應(yīng)用，提供了一種無條件安全的通信方式，然而，量子密鑰分發(fā)技術(shù)真正的實用化，必須滿足多用戶組網(wǎng)通信的需求。
傳統(tǒng)的量子通信組網(wǎng)方案，以光交換機為主要節(jié)點并形成環(huán)路以實現(xiàn)多用戶的量子通信。隨著用戶數(shù)目增多帶來的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化以及通信距離的延長，光纖線路固有的損耗以及光交換機的插損對密鑰生成速率的影響變得越來越明顯，嚴重制約了量子通信網(wǎng)絡(luò)的可擴展性，并且由大量光交換機構(gòu)成的主干網(wǎng)絡(luò)也增加了網(wǎng)絡(luò)管理的難度。因此，開發(fā)低成本、易實現(xiàn)的光量子通信組網(wǎng)結(jié)構(gòu)成為本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的首要目的在于提供一種易擴展、成本低的基于量子集控站的光量子通信組網(wǎng)結(jié)構(gòu)。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案一種基于量子集控站的光量子通信組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，包括多個量子集控站，量子集控站通過量子信道與一個或多個光交換機相連， 光交換機通過量子信道掛接一個或多個一級用戶，量子集控站通過量子信道直接掛接一個或多個二級用戶。本發(fā)明還公開了一種基于量子集控站的光量子通信組網(wǎng)結(jié)構(gòu)的通信方法，所述的一個光交換機掛接的一級用戶之間可直接進行通信；同一量子集控站下掛接的二級用戶之間、分屬不同量子集控站下的二級用戶之間、二級用戶與一級用戶之間、分屬不同光交換機下的一級用戶之間的通信，需要在通信線路經(jīng)過的所有量子集控站的授權(quán)下進行通信。由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明利用多個量子集控站組成多種網(wǎng)絡(luò)拓撲，可以提高組網(wǎng)的靈活性和穩(wěn)定性，能方便地對量子通信網(wǎng)絡(luò)進行擴展，擴大量子通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積，大大擴展了通信距離。此外，由于降低了對光交換機和矩陣光開關(guān)的接口數(shù)量的要求， 實現(xiàn)成本也相對較低，同時保留了光交換機下掛接用戶的結(jié)構(gòu)，以適用不同安全等級和不同通信量需求的用戶。


圖1為本發(fā)明中量子集控站的結(jié)構(gòu)框圖；圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖3、4均為本發(fā)明中量子集控站的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式一種基于量子集控站的光量子通信組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，包括多個量子集控站1，量子集控站 1通過量子信道與一個或多個光交換機2相連，光交換機2通過量子信道掛接一個或多個一級用戶3，量子集控站1通過量子信道直接掛接一個或多個二級用戶4，如圖2、3、4所示。
如圖2、3、4所示，所述的多個量子集控站1通過量子信道相連接構(gòu)成鏈狀、環(huán)形、星型拓撲形、多叉樹形或蜂窩形結(jié)構(gòu)。所述的一級用戶3為量子密鑰收發(fā)一體機，所述的二級用戶4為量子密鑰發(fā)射機或量子密鑰接收機，所述的量子信道為光纖或自由空間。量子通信網(wǎng)絡(luò)所需的量子集控站1及光交換機2的數(shù)目、量子集控站1之間的連接線路、量子集控站 1之間以及量子集控站1與光交換機2連接的量子信道數(shù)量、量子集控站1掛接的二級用戶 4的個數(shù)、量子集控站1掛接的光交換機2個數(shù)、光交換機2掛接的一級用戶3的個數(shù)均依通信需求而定。如圖1所示，所述的量子集控站1由一個或多個矩陣光開關(guān)、一臺或多臺量子密鑰收發(fā)一體機以及一臺量子通信服務(wù)器組成，量子密鑰收發(fā)一體機上設(shè)置通訊接口，所述的通訊接口為USB接口或串口或網(wǎng)口，量子密鑰收發(fā)一體機通過通訊接口與量子通信服務(wù)器通訊，矩陣光開關(guān)上設(shè)置光纖接口，量子密鑰收發(fā)一體機通過光纖接矩陣光開關(guān)的光纖接口，二級用戶4、相鄰量子集控站、光交換機2分別通過光纖與矩陣光開關(guān)相連。如圖1所示，所述的矩陣光開關(guān)為4X8矩陣光開關(guān)，4X8矩陣光開關(guān)上設(shè)置了與 4臺量子密鑰收發(fā)一體機連接的光纖接口，可掛接8個二級用戶4。圖1所示的量子集控站 1有3條與其他相鄰量子集控站相連接的量子信道、3條與光交換機2相連接的量子信道。 矩陣光開關(guān)的總光纖接口數(shù)量、量子密鑰收發(fā)一體機的數(shù)量、掛接二級用戶4的數(shù)量、連接到其他相鄰量子集控站和光交換機2的量子信道數(shù)量依網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和通信需求量而定。如圖1所示，量子密鑰收發(fā)一體機定時與與之直接相連的用戶分別生成密鑰，直接相連是指沒有經(jīng)過相鄰量子集控站而與之連接的用戶，包括該量子集控站1掛接的二級用戶4以及通過光交換機2與之相連的一級用戶3。需要一臺或多臺量子密鑰收發(fā)一體機生成密鑰依通信量而定，某量子密鑰收發(fā)一體機與某通信方生成密鑰由量子通信服務(wù)器控制，與不同通信方的連接由矩陣光開關(guān)進行光路切換建立連接，生成的密鑰均存儲在量子通信服務(wù)器中。如圖1所示，如二級用戶A向二級用戶B發(fā)送信息時，由量子通信服務(wù)器控制實現(xiàn)以下步驟二級用戶A調(diào)用某量子密鑰收發(fā)一體機和二級用戶A之間生成的密鑰，對二級用戶A發(fā)送的信息用進行加密，二級用戶A將該加密信息發(fā)送至該量子密鑰收發(fā)一體機，量子通信服務(wù)器解密，量子通信服務(wù)器調(diào)用某量子密鑰收發(fā)一體機和二級用戶B之間生成的密鑰對解密后的二級用戶A發(fā)送的信息進行加密，并發(fā)送至二級用戶B，二級用戶B解密，完成一次通信，使用過的密鑰隨即刪除以保證每次通信采用的密鑰都是隨機生成的。二級用戶B向二級用戶A發(fā)送信息的過程同理。與該量子集控站1直接相連的用戶之間，除一級用戶3之間可直接通信外，其余情況下的用戶的通信均按上述過程實現(xiàn)。上述量子集控站1通過量子通信服務(wù)器控制生成、調(diào)用、刪除密鑰，實現(xiàn)對與之直接相連用戶的通信授權(quán)。如圖2所示，連接到不同量子集控站1的用戶之間的通信，除按上述過程生成二級用戶A-I與量子集控站A中某量子密鑰收發(fā)一體機的密鑰、二級用戶C-I與量子集控站 C中某量子密鑰收發(fā)一體機之間的密鑰之外，由各量子集控站1中的量子通信服務(wù)器控制， 通過矩陣光開關(guān)進行光路切換建立連接，在分屬某量子集控站1中的某一個或多個量子密鑰收發(fā)一體機之間定時生成密鑰，如分屬量子集控站A與量子集控站B的某一個或多個量子密鑰收發(fā)一體機之間，分屬量子集控站B與量子集控站C的某一個或多個量子密鑰收發(fā)一體機之間，生成的密鑰均存儲在量子通信服務(wù)器中。如圖2所示，如二級用戶A-I向二級用戶C-I發(fā)送信息時，由量子通信服務(wù)器控制實現(xiàn)以下步驟
第一，調(diào)用量子集控站A中某量子密鑰收發(fā)一體機和二級用戶A-I之間生成的密鑰，對二級用戶A-I發(fā)送的信息用進行加密，并發(fā)送至該量子密鑰收發(fā)一體機，量子集控站A的量子通信服務(wù)器解密；
第二，調(diào)用量子集控站A中某量子密鑰收發(fā)一體機和量子集控站B中某量子密鑰收發(fā)一體機之間生成的密鑰，對解密后的信息進行加密，并發(fā)送至量子集控站B中該量子密鑰收發(fā)一體機，量子集控站B的量子通信服務(wù)器解密；
第三，調(diào)用量子集控站B中某量子密鑰收發(fā)一體機和量子集控站C中某量子密鑰收發(fā)一體機之間生成的密鑰，對解密后的信息進行加密，并發(fā)送至量子集控站C中該量子密鑰收發(fā)一體機，量子集控站C的量子通信服務(wù)器解密，調(diào)用量子集控站C中某量子密鑰收發(fā)一體機和二級用戶C-I之間生成的密鑰對解密后的信息進行加密，并發(fā)送至二級用戶C-1，二級用戶C-I解密，完成一次通信，使用過的密鑰隨即刪除以保證每次通信采用的密鑰都是隨機生成的。二級用戶C-I向二級用戶A-I發(fā)送信息的過程同理。整個量子通信網(wǎng)中的通信過程，除連接到同一光交換機2下的各個一級用戶3之間的通信外，均按上述過程原理實現(xiàn)。 上述量子集控站1通過量子通信服務(wù)器控制生成、調(diào)用、刪除密鑰，實現(xiàn)對通信線路經(jīng)過其的用戶之間的通信授權(quán)。連接到同一光交換機2下的各個一級用戶3之間，各自的量子密鑰收發(fā)一體機之間生成密鑰，可直接進行通信。如圖2所示，通信線路的選擇(路由)依網(wǎng)絡(luò)狀況而定，應(yīng)為保證線路通暢的前提下光損耗最小的線路，分屬不同量子集控站1的用戶，比如圖2中所示二級用戶E-I和二級用戶D-I之間的通信線路，當通道DE暢通時，則由量子通信服務(wù)器控制二級用戶E-I和二級用戶D-I在通道DE連接的兩個量子集控站D、E的授權(quán)下進行通信，通信線路即為二級用戶 E-I——通道DE——二級用戶D-I ；若通道DE占線，且通道BE和BD暢通，則由由量子通信服務(wù)器控制二級用戶E-I和二級用戶D-I在通道BE和BD連接的三個量子集控站B、E、D的授權(quán)下進行通信，通信線路即為二級用戶E-I——通道BE——通道BD——二級用戶D-1。如圖2所示，一個光交換機2掛接的一級用戶3之間可直接進行通信；通信雙方的通信線路經(jīng)過一個或多個量子集控站1的，包括同一量子集控站1下掛接的二級用戶4之間、分屬不同量子集控站1下的二級用戶4之間、二級用戶4與一級用戶3之間、分屬不同光交換機2下的一級用戶3之間的通信，需要在通信線路經(jīng)過的所有量子集控站1的授權(quán)下進行通信。
如圖3、4所示，在圖中為簡明起見，沒有畫出量子集控站1下連接的一級用戶3、二級用戶4和光交換機2。圖3為多叉樹形結(jié)構(gòu)，多叉樹形結(jié)構(gòu)由星形拓撲結(jié)構(gòu)擴展而成，可以用較少的集控站將遠距離用戶連接起來，但不具備路由功能。圖4為蜂窩形結(jié)構(gòu)，蜂窩形結(jié)構(gòu)由環(huán)狀拓撲基本結(jié)構(gòu)擴展而成，可以用最少的集控站數(shù)量將某一面積內(nèi)的用戶鏈接起來，同時具有路由功能。如圖4所示，在蜂窩結(jié)構(gòu)中，量子集控站A到量子集控站B間至少有四條路徑:A-a_b_c_d_e_f_B，A_g_h_B，A_g_i_j_k_B，A_a_b_c_h_B0綜上所述，本發(fā)明利用多個量子集控站組成多種網(wǎng)絡(luò)拓撲，可以提高組網(wǎng)的靈活性和穩(wěn)定性，能方便地對量子通信網(wǎng)絡(luò)進行擴展，擴大量子通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積，大大擴展了通信距離。此外，由于降低了對光交換機和矩陣光開關(guān)的接口數(shù)量的要求，實現(xiàn)成本也相對較低，同時保留了光交換機下掛接用戶的結(jié)構(gòu)，以適用不同安全等級和不同通信量需求的用戶。
權(quán)利要求
1.一種基于量子集控站的光量子通信組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，其特征在于包括多個量子集控站， 量子集控站通過量子信道與一個或多個光交換機相連，光交換機通過量子信道掛接一個或多個一級用戶，量子集控站通過量子信道直接掛接一個或多個二級用戶。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于量子集控站的光量子通信組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的量子集控站由一個或多個矩陣光開關(guān)、一臺或多臺量子密鑰收發(fā)一體機以及一臺量子通信服務(wù)器組成，量子密鑰收發(fā)一體機上設(shè)置通訊接口，量子密鑰收發(fā)一體機通過通訊接口與量子通信服務(wù)器通訊，矩陣光開關(guān)上設(shè)置光纖接口，量子密鑰收發(fā)一體機通過光纖接矩陣光開關(guān)的光纖接口，二級用戶、相鄰量子集控站、光交換機分別通過光纖與矩陣光開關(guān)相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于量子集控站的光量子通信組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的一級用戶為量子密鑰收發(fā)一體機，所述的二級用戶為量子密鑰發(fā)射機或量子密鑰接收機，所述的量子信道為光纖或自由空間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于量子集控站的光量子通信組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的多個量子集控站通過量子信道相連接構(gòu)成鏈狀、環(huán)形、星型拓撲形、多叉樹形或蜂窩形結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于量子集控站的光量子通信組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的矩陣光開關(guān)為4X8矩陣光開關(guān)，所述的通訊接口為USB接口或串口或網(wǎng)口。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5所述的基于量子集控站的光量子通信組網(wǎng)結(jié)構(gòu)的通信方法，其特征在于所述的一個光交換機掛接的一級用戶之間可直接進行通信；同一量子集控站下掛接的二級用戶之間、分屬不同量子集控站下的二級用戶之間、二級用戶與一級用戶之間、 分屬不同光交換機下的一級用戶之間的通信，需要在通信線路經(jīng)過的所有量子集控站的授權(quán)下進行通信。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于量子集控站的光量子通信組網(wǎng)結(jié)構(gòu)的通信方法，其特征在于量子集控站中的量子密鑰收發(fā)一體機定時為與其直接相連的用戶分別生成密鑰，量子密鑰收發(fā)一體機與通信方生成密鑰由量子通信服務(wù)器控制，與不同通信方的連接由矩陣光開關(guān)進行光路切換建立連接，生成的密鑰均存儲在量子通信服務(wù)器中。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于量子集控站的光量子通信組網(wǎng)結(jié)構(gòu)的通信方法，其特征在于連接到不同量子集控站的用戶之間的通信，由各量子集控站中的量子通信服務(wù)器控制，通過矩陣光開關(guān)進行光路切換建立連接，在分屬量子集控站中的一個或多個量子密鑰收發(fā)一體機之間定時生成密鑰。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于量子集控站的光量子通信組網(wǎng)結(jié)構(gòu)的通信方法，其特征在于連接到同一光交換機下的各個一級用戶之間，各自的量子密鑰收發(fā)一體機之間生成密鑰，可直接進行通信。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于量子集控站的光量子通信組網(wǎng)結(jié)構(gòu)的通信方法，其特征在于與量子密鑰收發(fā)一體機直接相連的用戶是指沒有經(jīng)過其他量子集控站而與之連接的用戶，包括該量子集控站掛接的二級用戶以及通過光交換機與之相連的一級用戶。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于量子集控站的光量子通信組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，包括多個量子集控站，量子集控站通過量子信道與一個或多個光交換機相連，光交換機通過量子信道掛接一個或多個一級用戶，量子集控站通過量子信道直接掛接一個或多個二級用戶。本發(fā)明還公開了一種基于量子集控站的光量子通信組網(wǎng)結(jié)構(gòu)的通信方法。本發(fā)明利用多個量子集控站組成多種網(wǎng)絡(luò)拓撲，可以提高組網(wǎng)的靈活性和穩(wěn)定性，能方便地對量子通信網(wǎng)絡(luò)進行擴展，擴大量子通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積，大大擴展了通信距離。此外，由于降低了對光交換機和矩陣光開關(guān)的接口數(shù)量的要求，實現(xiàn)成本也相對較低，同時保留了光交換機下掛接用戶的結(jié)構(gòu)，以適用不同安全等級和不同通信量需求的用戶。
文檔編號H04B10/20GK102227101SQ20111017029
公開日2011年10月26日 申請日期2011年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月23日
發(fā)明者彭承志, 潘建偉, 趙勇, 陳增兵, 陳騰云 申請人:安徽量子通信技術(shù)有限公司