本發(fā)明涉及通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種適用于大規(guī)模量子用戶(hù)進(jìn)行信息交換的多粒度量子交換節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該結(jié)構(gòu)主要用于處理大規(guī)模量子用戶(hù)請(qǐng)求，減小光交換矩陣的規(guī)模，提高交換靈活性與智能性。尤其涉及光交換設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著因特網(wǎng)的應(yīng)用和發(fā)展，信息安全已經(jīng)成為一個(gè)日益嚴(yán)重的問(wèn)題。而計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的不斷提高使得傳統(tǒng)的對(duì)稱(chēng)和非對(duì)稱(chēng)加密算法正在經(jīng)受?chē)?yán)峻的考驗(yàn)，傳統(tǒng)加密手段越來(lái)越不能滿(mǎn)足人們對(duì)通信安全性的要求。量子密碼學(xué)是量子力學(xué)和密碼學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物，量子密鑰分配(QKD)使得通信雙方能夠通過(guò)不安全的信道共享實(shí)時(shí)的安全密鑰。密鑰信息被單光子攜帶，根據(jù)海森堡不確定性原理，竊聽(tīng)者不能獲取光子的全部信息，他對(duì)光子的測(cè)量會(huì)破壞部分信息，最終會(huì)被原本通信的雙方發(fā)現(xiàn)，以此可以檢測(cè)竊聽(tīng)者的存在。同時(shí)，結(jié)合“一次一密”的加密方式，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)條件安全的信息傳輸。在過(guò)去的幾年里，基于單光子的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光纖QKD系統(tǒng)已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)步。

未來(lái)的量子密鑰分配網(wǎng)絡(luò)將會(huì)支持更多的用戶(hù)，這就對(duì)支持量子用戶(hù)信息交換的光交換設(shè)備提出了更高的要求。量子光交換節(jié)點(diǎn)是未來(lái)量子交換光網(wǎng)絡(luò)的主要互連設(shè)備，通過(guò)光網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)可以擴(kuò)展交換的容量，節(jié)省組建量子密鑰分配網(wǎng)絡(luò)的成本，并大大提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可靠性。要組成多用戶(hù)智能化的量子密鑰分配光網(wǎng)絡(luò)，迫切需要研究基于量子密鑰的光網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)。

目前，量子交換節(jié)點(diǎn)多是基于光開(kāi)關(guān)的單粒度交換節(jié)點(diǎn)，然而，隨著用戶(hù)的增多，基于光開(kāi)關(guān)的量子交換節(jié)點(diǎn)存在端口規(guī)模過(guò)大的問(wèn)題,導(dǎo)致光交叉連接器的結(jié)構(gòu)越加復(fù)雜,穩(wěn)定性下降。此外，由于量子信號(hào)具有一定的特殊性：不可克隆，不能被放大，信號(hào)及其微弱等，使得經(jīng)典光通信中的交換節(jié)點(diǎn)不能直接應(yīng)用于量子領(lǐng)域。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種支持量子密鑰的三層多粒度光交換節(jié)點(diǎn)模型，用以提高量子密鑰分配網(wǎng)絡(luò)的靈活性和穩(wěn)定性。

模型結(jié)構(gòu)如圖1所示，使用圖1進(jìn)行說(shuō)明。該模型由“光纖級(jí)交換層”，“波帶級(jí)交換層”，“波長(zhǎng)級(jí)交換層”三層架構(gòu)組成。光纖級(jí)交換層主要由4X4的光開(kāi)關(guān)矩陣組成；波帶級(jí)交換層主要由8X8的光開(kāi)關(guān)矩陣和波長(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān)WSS(Wavelength Selective Switch)組成；波長(zhǎng)級(jí)交換層則由8X8的光開(kāi)關(guān)矩陣和密集波分復(fù)用器DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing)組成。WSS的使用增加了結(jié)構(gòu)的靈活性。

在量子交換節(jié)點(diǎn)中，每個(gè)用戶(hù)需要三個(gè)波長(zhǎng)分別用于傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)、量子光信號(hào)和同步光信號(hào)。數(shù)據(jù)信號(hào)用于量子密鑰分配過(guò)程中進(jìn)行與協(xié)議相關(guān)的服務(wù)如對(duì)基等也可以用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；量子光信號(hào)用來(lái)分配量子密鑰；同步光信號(hào)則是在量子密鑰分配過(guò)程中提供時(shí)鐘信號(hào)，觸發(fā)量子接收端的探測(cè)器進(jìn)行量子信號(hào)的探測(cè)。由同步光信號(hào)的作用可以得出：在整個(gè)交換過(guò)程中，同步光信號(hào)必須與量子光信號(hào)保持路徑一致，不能分開(kāi)傳輸。但數(shù)據(jù)信號(hào)的交換路徑則不一定要與同步光信號(hào)與量子光信號(hào)一致。假設(shè)在一個(gè)由多個(gè)交換節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)信號(hào)可以通過(guò)選擇資源利用率低的路徑到達(dá)目的地，而不一定要與量子光和同步光走同一條路徑。

多用戶(hù)的復(fù)用的量子信號(hào)與數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行合波后，進(jìn)入同一根光纖，傳輸至該交換節(jié)點(diǎn)的輸入端口之后,多路波長(zhǎng)信號(hào)進(jìn)入“光纖級(jí)交換層”，根據(jù)其傳輸目的地的情況來(lái)決定其交換方式。傳輸目的地相同的用戶(hù)信號(hào)(即目的地均為A或者均為B)，直接經(jīng)過(guò)“光纖級(jí)交換層”進(jìn)行交換；傳輸目的地不一致的用戶(hù)信號(hào)(即部分用戶(hù)目的地為A部分用戶(hù)目的地為B)，則需進(jìn)入“波帶級(jí)交換層”進(jìn)行交換；若用戶(hù)的經(jīng)典信號(hào)需要選擇與同步信號(hào)及量子信號(hào)不同的傳輸路徑，則需要在波長(zhǎng)級(jí)交換層實(shí)現(xiàn)。此外下路到本地用戶(hù)的信號(hào)或者本地用戶(hù)需要上路至遠(yuǎn)端的信號(hào)也需要經(jīng)過(guò)“波長(zhǎng)級(jí)交換層”才能完成。在“波長(zhǎng)級(jí)交換層”中，保證量子信號(hào)和同步信號(hào)同步傳輸，這和傳統(tǒng)的多粒度交換中的波長(zhǎng)級(jí)交換有所區(qū)別。

假設(shè)在一定的時(shí)間內(nèi)，有N個(gè)用戶(hù)到達(dá)交換節(jié)點(diǎn)，分別為User1,User2,…,UserN。第n個(gè)用戶(hù)用Usern{Dn,Sn,Qn,OUTn1,OUTn2}來(lái)表示，其中Dn,Sn,Qn分別表示第n個(gè)用戶(hù)數(shù)據(jù)信號(hào)、同步信號(hào)及量子信號(hào)的波長(zhǎng)；OUTn1表示第n個(gè)用戶(hù)數(shù)據(jù)信號(hào)的出口。OUTn2表示第n個(gè)用戶(hù)量子信號(hào)和同步信號(hào)的出口。不妨設(shè)出口分別為A，B，當(dāng)所有用戶(hù)的三個(gè)波長(zhǎng)出口均相同即OUT11＝OUT12＝OUT21＝OUT22＝…＝OUTN1＝OUTN2時(shí)，只需進(jìn)行光纖級(jí)交換；當(dāng)部分用戶(hù)目的地為A、部分用戶(hù)目的地為B且同一用戶(hù)的三個(gè)波長(zhǎng)出口相同時(shí)，需進(jìn)行波帶級(jí)交換；當(dāng)同一用戶(hù)的三個(gè)波長(zhǎng)從不同端口輸出時(shí)，需進(jìn)行波長(zhǎng)級(jí)交換。

附圖說(shuō)明

圖1為多粒度量子交換節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明適用于量子城域網(wǎng)以及量子用戶(hù)規(guī)模較大的局域網(wǎng)中。本發(fā)明設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)具有高度的實(shí)用性，相較于常見(jiàn)的單粒度交換結(jié)構(gòu)，可以極大的減小光開(kāi)關(guān)的端口規(guī)模，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。此外，該節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)靈活性強(qiáng)，波帶級(jí)利用WSS進(jìn)行波長(zhǎng)分配，可以保證波長(zhǎng)靈活分配。