[发明专利]量子城域网中基于动态优先级的路由器队列调度方法

权利要求书

1.一种量子城域网中基于动态优先级的路由器队列调度方法，其特征在于，利用加权循环调度算法，在路由器进行队列调度的过程根据城域网状态动态调整队列的权重值，该方法的具体步骤包括如下：

(1)生成量子密钥：

量子城域网中相邻可信中继使用光量子系统在经典信道的辅助下生成量子密钥；

(2)源端发起经典业务和量子保密业务请求，设置标记变量E_t，使用E_t标记源端应用层产生的量子保密业务数据包；

(3)源端IP层判断业务数据包是否被E_t标记：若是，执行步骤(4)，否则，执行步骤(5)；

(4)设置量子保密业务的加密等级：

(4a)量子城域网为量子保密业务设置四种加密等级L₁，L₂，L₃，L₄，在计算密钥长度时采用整数值0，1，2，3四种取值代表四种加密等级L₁，L₂，L₃，L₄，在数据包头部的选项字段中采用00，01，10，11四种比特值代表四种加密等级；

(4b)源端IP层根据业务类型设置量子保密业务数据包头部选项字段的后两位比特值为00，01，10，11四种比特值中的一种，继续执行步骤(5)；

(5)分配量子保密业务和经典业务的服务优先级：

(5a)源端IP层根据服务优先级设置业务数据包头部tos字段的前6位比特值，业务服务优先级为最高时，前6位比特值设置为101110，业务服务优先级为一般时，前6位比特值设置为001010；

(5b)量子城域网为量子保密业务分配最高优先级P_qh和一般优先级P_ql，为经典业务分配最高优先级P_ch和一般优先级P_cl，P_qh和P_ch对应比特值101110，P_ql和P_cl对应比特值001010；

(6)对中间路由节点的缓存队列进行分类：

路由节点IP层将缓存队列Q分为量子保密业务队列Q_q，经典业务队列Q_c，及延时队列Q_d三类，其中，Q_q分为量子高优先级队列Q_qh和量子低优先级队列Q_ql，Q_c分为经典高优先级队列Q_ch和经典低优先级队列Q_cl，Q_d分为量子高优先级延时队列Q₁和量子低优先级延时队列Q₂，设置Q_qh，Q_ql，Q_ch，Q_cl，Q₁，Q₂的队列长度阈值分别为T_qh，T_ql，T_ch，T_cl，T₁，T₂，设置业务数据包在延时队列中的最大等待时间为T_d，其中，T_qh、T_ql分别是T_ch、T_cl的两倍；

(7)分配队列的初始权重：

调度器依据加权轮询调度算法设置量子保密业务队列Q_q，经典业务队列Q_c，延时队列Q_d的初始权重之比为W_q∶W_c∶W_d，建议值为1∶8∶1，其中，设置Q_q中Q_qh，Q_ql的权重之比为W_qh∶W_ql，建议值为3∶1，Q_c中Q_ch，Q_cl的权重之比为W_ch∶W_cl，建议值为3∶1，Q_d中Q₁，Q₂的权重之比为W₁∶W₂，建议值为3∶1；

(8)业务数据包入队列：

(8a)根据标记变量E_t判断到达路由节点上的业务数据包PK_n是否为经典业务数据包：若是，则执行步骤(8b)，否则，将该业务数据包判定为量子保密业务数据包后判断当前业务是否是高优先级业务：若是，判断当前时刻Q_qh的队列长度是否小于队列长度阈值T_qh：若是，将PK_n放入Q_qh尾部，否则，丢弃PK_n；若是低优先级业务，判断当前时刻Q_ql的队列长度是否小于队列长度阈值T_ql：若是，将PK_n放入Q_ql尾部，否则，丢弃PK_n，继续执行步骤(9)；

(8b)判断当前业务是否为高优先级业务：若是高优先级业务，判断当前Q_ch的队列长度是否小于队列长度阈值T_ch，若是，将PK_n放入Q_ch尾部，否则，丢弃PK_n，若是低优先级业务，判断当前Q_cl的队列长度是否小于队列长度阈值T_cl，若是，将PK_n放入Q_cl尾部，否则，丢弃PK_n；继续执行步骤(9)；

(9)判断当前Q₁，Q₂的队列长度C₁，C₂是否都为0：若是，设置量子保密业务队列的和经典业务队列的权重之比W_a∶W_b，建议值为1∶9，执行步骤(14)，否则，执行步骤(10)；

(10)判断C₁是否不为0：若是，执行步骤(11)，否则，执行步骤(12)

(11)根据Q₁分配到的权重计算本次从Q₁中调度数据包的个数N，从Q₁头部获取数据包K_q1，得到K_q1的包长PK_q，根据K_q1头部的选项字段得到加密等级L_q，PK_q除以2^L_q得到加密K_q1的密钥长度C_q，查找K_q1对应链路上的密钥长度C_x，判断C_x是否大于C_q：若是，从Q₁中取出K_q1，在K_q1的接收端口处取出密钥进行解密，再从K_q1的对应链路上取出长度为C_q的密钥对K_q1进行加密，在输出端口处转发，否则，获取当前时间T和K_q1的入队时间t_q1，判断T减t_q1是否大于K_q1的最大等待时间T_d，若是，丢弃K_q1，否则，不处理该业务数据包；按照数据包在Q₁中的排队顺序依次从当前数据包往后连续处理N-1个数据包；

(12)判断C₂是否为0：若是，执行步骤(14)，否则，执行步骤(13)；

(13)根据Q₂分配到的权重计算本次从Q₂中调度数据包的个数M，从Q₂队列头部获取数据包K_q2，得到K_q2的包长PK_p；根据K_q2头部的选项字段得到其加密等级L_p，PK_p除以2^L_p得到加密K_q2的密钥长度C_p，查找K_q2对应链路上的密钥长度C_y，判断C_y是否大于C_p：若是，从Q₂中取出K_q2，在K_q2的接收端口处取出密钥进行解密，再从K_q2对应链路上取出长度为C_p的密钥对K_q2进行加密，在输出端口处转发，否则，获取当前时间T和K_q2的入队时间t_q2，判断T减t_q2是否大于K_q2的最大等待时间T_d：若是，丢弃K_q2，否则，不处理该业务数据包；按照数据包在Q₂中的排队顺序依次从当前数据包往后连续处理M-1个数据包；

(14)检查量子保密业务队列和经典业务队列：

(14a)判断当前Q_ql和Q_qh的队列长度之比是否大于等于W_b∶W_a，建议值为9∶1：若是，设置Q_ql和Q_qh的初始权重之比为W_qh∶W_ql，否则，不做任何处理；

(14b)判断当前Q_cl和Q_ch的队列长度之比是否大于等于W_b∶W_a：若是，设置Q_cl和Q_ch的初始权重之比为W_ch∶W_cl，否则，不做任何处理；

(15)调度器按照调度优先级从高到低的顺序，先调度Q_gh队列和Q_ch队列，后调度Q_gl队列和Q_cl队列；

(16)根据加权轮询调度算法，分别为Q_qh，Q_ql，Q_ch，Q_c1设置四个队列计数器Ct₁，Ct₂，Ct₃，Ct₄，其中，根据队列分配到的权重计算Ct₁，Ct₂，Ct₃，Ct₄的初始值；

(17)判断当前调度队列是否为量子保密业务队列：若是，执行步骤(18)，否则，执行步骤(21)；

(18)处理量子保密业务队列：

(18a)判断当前调度队列的计数器值是否为0：若是，直接按照队列优先级顺序调度下一队列，执行步骤(22)，否则，从当前队列头部获取业务数据包PK_i，得到PK_i的包长PK_l，解析PK_i头部中的选项字段，得到量子保密业务的加密等级L_i，PK_l除以2^L_i得到加密PK_i的密钥长度C_l，查找对应链路上的密钥长度C_i；

(18b)判断C_i是否大于C_l：若是，在PK_i的接收端口处取出密钥进行解密，从PK_i对应链路上取出长度为C_l的密钥对PK_i进行加密，在输出端口处转发，将当前调度队列的计数器值减一，调度器按照队列优先级顺序调度下一队列，执行步骤(22)，否则，执行步骤(19)；

(19)判断该量子加密业务是否为高优先级业务：若是高优先级业务，再判断当前Q₁的队列长度是否小于队列长度阈值T₁：若是，将PK_i放入Q₁尾部，记录当前入队时间t_i，将当前调度队列的计数器值减一，调度器按照队列优先级顺序调度下一队列，执行步骤(22)，否则，丢弃PK_i，将当前调度队列的计数器值减一，调度器按照队列优先级顺序调度下一队列，执行步骤(22)；若是低优先级业务，执行步骤(20)；

(20)判断当前Q₂的队列长度是否小于队列长度阈值T₂：若是，将PK_i放入Q₂尾部，记录当前入队时间t_i，将当前调度队列的计数器值减一，调度器按照队列优先级顺序调度下一队列，执行步骤(22)，否则，丢弃PK_i，将当前调度队列的计数器值减一，调度器按照队列优先级顺序调度下一队列，执行步骤(22)；

(21)处理经典业务队列：

判断当前调度队列的计数器值是否为0：若是，直接按照队列优先级顺序调度下一队列，执行步骤(22)，否则，中间路由节点查询路由表R_c，找到经典业务对应的下一跳地址和出口，通过出口将该经典业务数据包转发到下一跳地址，将当前队列的计数器值减一，调度器按照队列优先级顺序调度下一队列；

(22)判断当前调度队列的计数器值是否不为0：若是，执行步骤(17)，否则，判断按照队列优先级顺序是否可以查找到计数器值不为0的队列，若是，执行步骤(17)，否则，将Ct₁，Ct₂，Ct₃，Ct₄的值分别设置为相应队列的计数器初始值后执行步骤(23)；

(23)业务数据包经过中间路由节点的转发到达目的端，目的端层层解包获取数据。