[发明专利]一种用于量子密钥分配网络的服务质量实现方法

说明书

技术领域

本发明涉及基于信任中继的量子密钥分配网络领域，是为实现该类型网络的服务质量(Quality of Service，QoS)而设计的方法。

背景技术

量子密钥分配基于量子力学的基本原理来保证密钥分配安全性。目前主要的量子密钥分配协议有BB84，B92和EPR等，其中以BB84协议应用最为广泛。该协议用到单光子的4个量子态，相互正交的两个量子态构成一组正交基，因此共有两组正交基。每组正交基同时也是一组测量基。处于不同测量基的量子态是非正交的，用不同组的测量基去测量一个量子态时，结果不确定且得到的两个测量结果概率分别为1/2；只有使用同组测量基去测量量子态时才能得到正确结果。

BB84协议的主要过程如下：密钥发送者从4个量子态中随机选择一个，通过量子信道发送给接收者，接收者随机选择一组测量基来测量，并且记录自己所选择的测量基和测量结果。发送结束后，两者通过公开信道相互比对测量基，并同时删除那些选错测量基的测量结果。通过对最后剩余的随机序列进行“保密放大”等步骤后，便可以在发送者和接收者之间建立起最终的量子密钥，并存储到各自的密钥缓冲池中。目前相隔100公里的两点之间密钥分配最高速率只有2Mbit/s左右，而且随着距离的增加会急剧下降。由于放大器会对量子态造成破坏，所以目前点对点密钥分配的距离很有限。

量子密钥分配网络以点对点量子密钥分配系统为基础，在多个用户之间实现密钥的分配。量子密钥分配网络分为三种：光学节点网络、量子中继网络和信任中继网络。基于信任中继的量子密钥网络是目前实现大规模网络的最可行方案。如图1所示，两个主机Alice和Bob要进行全局密钥K的分配。但由于传输距离限制，并不能在两点之间直接分配密钥，需要依靠中间信任节点。首先，Alice和节点1之间共享量子密钥K1，节点1和节点2之间共享量子密钥K2，节点2和Bob之间共享量子密钥K3。Alice利用与节点1共享的量子密钥K1对要发送的全局密钥K加密，然后通过经典信道发送给节点1，节点1用K1对加密信息解密后获得K，并将K用K2加密发给节点2，节点2使用密钥K2解密获得K后，再用K3加密K发给Bob，Bob用K3对加密信息解密后获得最后的密钥K。为保证全局密钥传递的安全性，每次使用量子密钥对全局密钥K加密时须采用“一次一密”的加密方式。

目前对基于信任中继量子密钥分配网络，关于服务质量的研究非常少。而作为一种特殊类型的网络，量子密钥分配网络有以下特点或要求：1、量子密钥产生能力不足，量子密钥资源紧缺，限制了量子密钥分配网络的发展；2、在全局密钥分配过程中要保证密钥分配的安全性，防止包括路由和密钥缓冲池的状态等在内的信息被截获；3、不同服务对业务时延要求不同，因此不同的应用服务对密钥需求的紧急程度也互不相同。基于以上考虑，本发明提出一种新方法来实现基于信任中继量子密钥分配网络的服务质量。

发明内容

本发明结合当前的技术条件和背景，针对基于信任中继量子密钥分配网络的特点和要求，首先提出一种量子密钥分配网络中的服务分类模型，然后为不同的服务类型设计不同的密钥分配方法，并最终实现基于信任中继量子密钥分配网络的服务质量。

本发明主要内容如下：

首先定义全局密钥从源端发送到目的端所需要的时间为密钥分配时延。基于不同应用对密钥分配时间的不同要求，我们提出一种服务分类模型，该服务分类模型包括以下三种业务类型：

1、密钥保证型服务(key-guaranteed service)：该类型业务对密钥分配时间要求最高，因此对量子密钥资源有最高的使用优先级。

2、密钥优先型服务(key-prioritized service)：相比较于密钥保证型业务，该类型业务可以忍受一定的密钥分配时延，对量子密钥的使用优先级低于密钥保证型业务。

3、密钥尽力型服务(key-best-effort service)：相比较于前两种业务类型，该业务对密钥分配时延最不敏感，对量子密钥的支配权限也是最低的。

在此服务分类模型的基础上，本发明提出支持量子密钥分配网络的QoS机制：设计不同的密钥分配方法，来服务不同的业务类型。