足球烯結(jié)構(gòu)的多用戶網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及其量子密鑰分發(fā)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及量子通信、自組織路由領(lǐng)域，具體涉及足球烯結(jié)構(gòu)的多用戶網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及其密鑰分發(fā)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]量子密碼學(xué)是一門信息科學(xué)、量子力學(xué)和密碼學(xué)結(jié)合的新興交叉學(xué)科，是量子力學(xué)和信息科學(xué)在密碼學(xué)中的應(yīng)用，主要涉及量子物理學(xué)、信息科學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)等多種學(xué)科，具有潛在的應(yīng)用價(jià)值和重大的科學(xué)意義。量子通信是指利用量子效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的一種新型通信方式，量子測不準(zhǔn)定理和不可克隆定理等從原理上保證了量子密碼的絕對安全性。
[0003]量子遠(yuǎn)程傳態(tài)利用收發(fā)雙方所共同擁有的糾纏量子對傳送量子信息，因其非局域性、不可逆性和瞬時性，被廣泛應(yīng)用于量子通信網(wǎng)絡(luò)中?；诹孔舆h(yuǎn)程傳態(tài)和糾纏交換可以實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)距離通信，為復(fù)雜結(jié)構(gòu)無線量子通信網(wǎng)絡(luò)的研究奠定了基礎(chǔ)。
[0004]在量子通信技術(shù)中，點(diǎn)對點(diǎn)的兩方量子密鑰分發(fā)技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，但是其光子利用率和傳輸穩(wěn)定性還需要進(jìn)一步地加強(qiáng)，同時，隨著世界信息化的發(fā)展，越來越多的復(fù)雜光纖網(wǎng)絡(luò)被建立并投入運(yùn)行。QKD未來面臨的一個重要的實(shí)際問題是需要基于一對一的通信方式發(fā)展成一對N，N對一，甚至N對N的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)，同時可進(jìn)行量子網(wǎng)絡(luò)和經(jīng)典通信多網(wǎng)絡(luò)的融合，以此來避免量子通信必須建立專用網(wǎng)絡(luò)重大投入，滿足快捷的多用戶通
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[0005]經(jīng)典通信的移動自組織網(wǎng)絡(luò)是一種分布式的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在組網(wǎng)過程中無需預(yù)設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施和中心管理結(jié)構(gòu)，所有網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)都具備路由能力。移動自組織網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)有了接近四十年的發(fā)展歷史，上世紀(jì)70年代，美國國防部高級計(jì)劃研究局(DARRA)開展了無線電交換的研究，由于軍事活動中移動變化的特點(diǎn)，傳統(tǒng)基站通訊結(jié)構(gòu)在臨時性環(huán)境中不可行，在這種情況下移動自組織的概念被提出來，它通過提供無需預(yù)先布置固定基礎(chǔ)設(shè)施的多條通信網(wǎng)絡(luò)，能夠有效地解決上述移動變化的問題。由于移動自組織網(wǎng)絡(luò)的快捷與有效性，在很多領(lǐng)域都已廣泛應(yīng)用。
[0006]近年來移動自組織網(wǎng)絡(luò)在量子通信中得到應(yīng)用。量子通信網(wǎng)絡(luò)將信息通過量子態(tài)編碼傳遞，突破現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的物理極限，可以提供更快的信息處理速度和高安全性、高容量的傳輸，具有廣闊的前景。多用戶網(wǎng)絡(luò)化的要求推動了量子通信和經(jīng)典通信融合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，量子通信自組織網(wǎng)絡(luò)便是其中的一種，其量子密鑰分發(fā)的安全性和能夠適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化的特點(diǎn)逐漸受到重視。
[0007]基于自組織技術(shù)的量子通信網(wǎng)絡(luò)得到了研究和發(fā)展，研究了量子通信網(wǎng)絡(luò)中的信道編碼和網(wǎng)絡(luò)容量問題進(jìn)行了研究并設(shè)計(jì)相關(guān)協(xié)議，研究了基于糾纏關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)鏈路層量子通信協(xié)議，并在此基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了用于量子通信網(wǎng)絡(luò)的選擇重傳量子同步通信協(xié)議，有效提高了量子通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層最大吞吐量和信道利用率。
[0008]上述研究為量子通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計(jì)分析奠定了基礎(chǔ)，但大部分工作基于簡單網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和尋址的有線量子通信網(wǎng)絡(luò)，如點(diǎn)對點(diǎn)、星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等，對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的無線量子通信網(wǎng)絡(luò)研究較少，因此有待開發(fā)一種使用方便，安全性高，能夠?qū)崿F(xiàn)N對N的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并利用基于量子遠(yuǎn)程傳態(tài)的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)和方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種使用方便，安全性高，能夠?qū)崿F(xiàn)N對N的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并利用基于量子遠(yuǎn)程傳態(tài)的量子密鑰分發(fā)原理建立足球烯結(jié)構(gòu)的多用戶網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及其量子密鑰分發(fā)方法。
[0010]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0011]本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的:足球烯結(jié)構(gòu)的多用戶網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，包括C60分子結(jié)構(gòu)的自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，所述自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括60個節(jié)點(diǎn)；
[0012]其中，所述自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中每個節(jié)點(diǎn)存在糾纏粒子對作為信息傳遞資源，可以進(jìn)行糾纏粒子對的制備；
[0013]任意相鄰的節(jié)點(diǎn)之間存在兩條信道，分別為經(jīng)典信道和量子信道；
[0014]任意相鄰的節(jié)點(diǎn)之間可以直接通信，非相鄰節(jié)點(diǎn)可以通過其他節(jié)點(diǎn)的信息轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)通信；
[0015]每個節(jié)點(diǎn)既可以作為通信的主機(jī)也作為路由器，并且每個節(jié)點(diǎn)即可以做密鑰信息的發(fā)送端又可以做密鑰信息接收端，還可以作為密鑰信息發(fā)送的中間通信端；
[0016]所述自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行量子密鑰通信時:首先通過所述節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由信息的轉(zhuǎn)發(fā)，確定從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)路徑;確定最優(yōu)路徑后，進(jìn)行反向路由，確定最終路徑；最后通過選擇的最終路徑，進(jìn)行基于糾纏態(tài)的量子遠(yuǎn)程傳態(tài)；
[0017]所述節(jié)點(diǎn)表示自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)量子密鑰通信的用戶端。
[0018]優(yōu)選地，確定從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)路徑過程包括:源節(jié)點(diǎn)播送路由請求消息，中間節(jié)點(diǎn)處理路由信息尋找路徑；目的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行反向路由并確定最終路由路徑三個過程；
[0019]優(yōu)選地，每個節(jié)點(diǎn)維護(hù)一個路由表，所述路由表中包含目的節(jié)點(diǎn)地址，下一跳節(jié)點(diǎn)地址，路由度量值以及路由的有效時間。
[0020]優(yōu)選地，所述源節(jié)點(diǎn)播送路由請求消息具體為:若源節(jié)點(diǎn)的路由表中不存在到目的節(jié)點(diǎn)的有效路由，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)需要量子信息傳遞時，那么從源節(jié)點(diǎn)廣播一個路由請求消息。
[0021]優(yōu)選地，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)廣播路由請求消息后，中間節(jié)點(diǎn)收到該路由請求消息，并對其進(jìn)行處理:
[0022]所述中間節(jié)點(diǎn)收到路由請求消息后，其對路由請求消息的處理過程為:更新路由請求消息中路由度量值;更新路由表以建立到源節(jié)點(diǎn)的反向路由；更新路由請求消息中上一跳的節(jié)點(diǎn)地址為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)地址，并將跳數(shù)值加I，廣播該路由請求消息；
[0023]其中:所述路由請求消息路由度量值的更新方式為:將本節(jié)點(diǎn)與發(fā)送路由請求消息的節(jié)點(diǎn)間所擁有的糾纏粒子對數(shù)目為N。;根據(jù)源節(jié)點(diǎn)地址和序列號檢查是否收到過相同的路由請求消息，若收到過相同的路由請求消息或者N。值為O，將丟棄本次收到的路由請求消息，以避免多次重復(fù)廣播相同路由請求消息以及在不存在量子信道的節(jié)點(diǎn)間廣播路由消息。
[0024]優(yōu)選地，所述目的節(jié)點(diǎn)接收來自不同相鄰節(jié)點(diǎn)的相同路由請求消息，并且統(tǒng)計(jì)收到的總的路由請求消息。
[0025]優(yōu)選地，所述目的節(jié)點(diǎn)收到路由請求消息后，在一段時間內(nèi)處理對所有收到的路由請求消息進(jìn)行處理:所述目的節(jié)點(diǎn)對比各節(jié)點(diǎn)的路由度量值并選擇路由度量值最大的路徑作為通信路徑;若多條路徑路由度量相同且均為最大值，那么就選擇所有路徑中跳數(shù)最小的路徑作為通信路徑。
[0026]優(yōu)選地，所述通信路徑選擇后，目的節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生路由應(yīng)答消息并以逐跳的方式沿所選擇路徑的反向路徑傳遞至源節(jié)點(diǎn)；當(dāng)所述路由應(yīng)答消息處理結(jié)束后，源節(jié)點(diǎn)收到路由應(yīng)答消息，在路由表中添加至目的節(jié)點(diǎn)路由信息，建立從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的路由，完成最終路徑確定，節(jié)點(diǎn)可以通過所選最終路徑進(jìn)行量子信息傳遞