（通信与信息系统专业论文）量子交换机关键技术研究与实现.pdf

摘要 自1 9 8 4 年b e n n e t t 和b r a s s a r d 提出第一个量子密钥分配协议( 即b b 8 4 协议) 以来，量子通信正在以其独特的魅力吸引着越来越多的人投入到这个领域的研究 中。目前量子通信方面的研究主要集中在如何完善密钥分发协议，如何提高量子 通信的距离，怎样得到高品质光源，而在量子通信网络( q c n ，q u a n t u m c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ) 方面的研究还处于初步探试的阶段。但随着量子通信技 术的发展，点到点的量子通信必然要发展到多个用户的量子通信网络，因此研究 和实现量子交换技术是非常地必要的。 论文在研究量子通信基本原理以及控制面和传输面相分离的量子通信网络模 型的基础上，设计了基于该网络模型的量子交换机架构，并详细讲述了该量子交 换机关键部件的设计及其功能的实现。 该量子交换机架构主要由两个模块组成，光交叉连接模块以及交换控制模块。 论文首先阐述如何采用光开关设计并实现光交叉连接模块及其驱动电路；其次设 计了基于网络处理器i x p 4 2 5 和嵌入式l i n u x 操作系统的量子交换机交换控制模块 的实现方案，并实现了交换控制模块和光交叉连接模块之间的通信；之后在量子 交换机交换控制模块上建立了静态以及r i p 路由，并组网对路由结果进行测试， 进而搭建了量子交换机平台；最后用比较弱的光源对该量子交换机平台进行了测 试，结果表明该量子交换机具备了量子通信网络中结点的功能，能够成功实现控 制层以及传输层的功能。 关键词：量子交换机q c n 光开关网络处理器r i p 路由协议 a b s t r a c t m o r ea n dm o r er e s e a r c h e r sh a v ec o n c e n t r a t e do n c o m m u n i c a t i o ns i n c eb e n n e t ta n db r a s s a r d p u tf o r w a r d t h ef i e l do f q u a n t u m t h ef i r s t q u a n t u mk e y d i s t r i b u t i o np r o t o c o l ( b b8 4p r o t o c 0 1 ) 逾19 8 4 a tp r e s e n t , t h er e s e a r c h e so fq u a n t u m c o m m u n i c a t i o na r ef o c u s e do np e r f e c tq u a n t u mk e yd i s t r i b u t i o n p r o t o c o l s ，l o n g e r c o m m u n i c a t i o nd i s t a n c ea n dh i g h e rq u a l i t yo p t i c a lr e s o u r c e h o w e v e r , t h e s t u d yo f q c n ( q u a n t u mc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ) h a so n l yj u s ts t a r t e d t h e r e sn od o u b tt h a t t h eq c nw i l lf i n dw i d ea p p l i c a t i o n s i ti s n e c e s s a r yt op a ym o r ea t t e n t i o nt ot h e r e s e a r c ha n di m p l e m e n to f q u a n t u ms w i t c ht e c h n o l o g i e s t h i sp a p e rs t u d i e dt h ep r i n c i p l eo fq u a n t u mc o m m u n i c a t i o na n daq c n m o d e l ， r a i s e das t r u c t u r eo fq u a n t u ms w i t c h ，w i t c hi sb a s e do nt h eq c nm o d e l ，a n d i m p l e m e n t e dt h ek e ym o d u l e so ft h i sq u a n t u ms w i t c h t h i sq u a n t u ms w i t c hi sm a i n l ym a d e u po ft w om o d u l e s ，o p t i c a lc r o s s i n gm o d u l e a n ds w i t c hc o n t r o l l e rm o d u l e t h ep a p e rf i r s te x p l a i n e dh o wt od e s i g na n di m p l e m e n t t h eo p t i c a lc r o s s i n gm o d u l ea n di t sd r i v e rc i r c u i tu s i n go p t i c a l s w i t c h s e c o n d l y , a d e s i g n m e n ts c h e m eo ft h es w i t c hc o n t r o l l e rm o d u l eu s i n gn e t w o r kp r o c e s s o ri x p 4 2 5 a n de m b e d d e dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e mi sg i v e n a f t e rt h a t ，t h ep a p e ra l s or e a l i z e dt h e s t a t i ca n dd y n a m i cr o u t i n gp r o t o c o lo nt h es w i t c hc o n t r o l l e rm o d u l e ，w h o s er e s u l t a g r e e sw i t ht h er o u t i n gp r i n c i p l e f i n a l l y , t h ee x p e r i m e n tb e do ft h i sq u a n t u ms w i t c hi s e s t a b l i s h e d ，a n dt h et e s tr e s u l tw i 出w e a ko p t i c a lr e s o u r c ei n d i c a t e dt h a tt h i sq u a n t u m s w i t c hc a nb eu s e df o rq u a n t u mc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ka n dc a na l s or e a l i z et h e f u n c t i o no fq c n k e yw o r d s ：q u a n t u ms w i t c h ，q c n ，o p t i c a ls w i t c h ，n e t w o r kp r o c e s s o r , r i pr o u t i n g p r o t o c o l i i 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：趔日期上哆u 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：卫笙8日期二竺里 导师签名：日期塑多! ! ! ， 第一章绪论 第一章绪论 自从1 9 8 4 年b e n n e t t 和b r a s s a r d 提出第一个量子密钥分配协议( 即b b 8 4 协 议) 以来，量子通信正在以其独特的魅力吸引越来越多的人投入到这个领域之中 来。目前量子通信的研究主要集中在如何完善密钥分发协议，如何提高量子通信 的距离，怎样得到高品质光源，对于量子通信网络( q c n ，q u a n t u mc o m m u n i c a t i o n n e 俩o r k ) 的研究只是初步的探试，而随着量子通信的发展，点到点量子通信必然 要发展到多个用户的量子通信网络，必然要研究和实现多址与交换技术。 1 1 量子通信及国内外研究状况 量子计算和量子通信已经引起了发达国家的广泛重视，各国都投入了大量的 人力、物力和财力加强相关技术研究。自b b 8 4 密钥分发协议 1 】之后，又提出了基 于e p r 纠缠光子对的e 9 1 协议【2 】以及b b 8 4 协议的一个变形b 9 2 协议，在此基础 之上，各种安全性能越来越好的q k d ( q u a n t u mk e yd i s t r i b u t i o n ) 协议相继问世了， 比如基于纠缠光子对的密钥分发协议【1 1 彤】、诱骗态协议【3 2 - 3 4 1 等。到目前为止已经 有好多研究单位成功的完成了量子密钥分配的实验系统，已经能够实现几十公里 甚至上百公里的量子密钥分发。 国内外的各个研究小组目前在量子通信网络方面也已经做了一些探索性的工 作，并取得了一定的成果。 g i l l e sb r a s s a r d 在2 0 0 3 年提出一种采用光波分复用基于光纤的量子密钥分发 网圣各【3 1 ，并对所提出的网络结构进行了实验验证，原理如图1 1 所示。图1 1 中a l i c e 是整个网络的控制器，他可以分别和b o b l ，b o b 2 ，b o b 3 ，b o b n 进行密钥协 商，对于不同的用户可以采用不同的波长( 频率) ，用于对不同用户的信号进行区 分，而这些不同波长的信号经过一个w d m ( 波分复用器) 到达不同的用户。 a l i c e = n e t w o r k c o n t r ol l e r 。：“ l 2 ，：。 4 ：“ 九3 ： 7 l n w d m 图1 1b r a s s a r d 提出的波分复用量子密钥分发网络原理图 图1 2 是b r a s s a r d 进行实验的示意图。 b o bl b o b2 b o b3 b o bn 2 量子交换机关键技术研究与实现 园alicenetworkcontroller i兰，+ l il ll ：9 入二 d 2 嘲p m t u n a b l e p b s i l a s e r ； - - - - _ - - - - - - - - - - - - - - - - i w d m 图1 2b r a s s a r d 量子密钥分发网络试验示意图 图1 2 中，在管理侧，a l i c e 有一个可调谐激光器，两个单光子探测器d 1 和 d 2 ，一个相位调制器p m ，一个极化控制器和极化分光器p b s 。在用户侧仅包括 一个衰减器a t ，一个相位调制器p m 和一个法拉第镜f m 。b o b l 、b o b 2 和b o b 3 分别采用不同的波长。这样就可以实现a l i c e 和其它三个人的密钥分发了。 2 0 0 5 年k u m a v o r 研究了无源光网络( p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k s ) 中四种多用户 量子密钥分发网络机制的性能【4 巧】，分别是无源星形网络( p a s s i v e s t a rm u l t i u s e r q k dn e t w o r k ) ，光环型网络( o p t i c a lr i n gm u l t i u s e rq k dn e t w o r k ) ，波长路由网 络( w 打e l e n g t h r o u t e dm u l t i u s e rq k on e t w o r k ) 以及波长寻址总线型网络 ( w a v e l e n g t h a d d r e s s e db u sm u l t i u s e rq k d n e t w o r k ) 。 2 0 0 5 年美国在马萨诸塞州的剑桥建立了第一个利用量子密码进行保密通信的 计算机网络，该网络称为q n e t ，该项目由五角大楼国防高级研究计划署资助，由 b b n 公司开发。目前网络包括6 个服务器，网络中的数据通过普通光纤传输，延 伸长度为1 0 公里，从b b n 公司到哈佛大学，通过单个极化光子的b b 8 4 协议实现 密钥分配。由此可见，基于量子通信q k d 方案已经基本走向实用。 国内在量子通信领域也做出了突出的成绩【l 争2 2 1 ，在纠缠交换、量子中继器、 自由空间的纠缠分发、纠缠光源、多光子纠缠等方面已进入国际先进行列。我国 中科大量子信息实验室已于2 0 0 4 年实现了从北京到天津的1 2 5 公里实际光纤中的 量子密钥分配。在量子通信网络、交换与多址技术方面也取得了一定的成绩，2 0 0 7 年4 月，中科大的郭光灿小组研制的量子密码通信网络在北京测试运行成功。 1 2 研究的意义 量子通信的主要形式包括量子密码、量子密集编码和量子隐形传态。量子保 密通信是建立在量子力学的基本原理上，它应用了量子力学的海森堡不确定性原 理和量子态不可克隆定理，真正实现了绝对的安全通信。 | 囡| | 囤i 咽一偶刚一帼肌一 吾=m|6蹦一十竺一十竺一一一一i一一。一。 n|地面沁巧 第一章绪论 3 目前不少发达国家的银行、国防部门都已经建立了实用化的短距离光纤量子 信道：美国国防部已将量子通信推向实用化，并被视为最安全的通信方式。美国 国防部高级研究计划署资助了多个量子通信的项目，建成了全球第一个量子通信 网络，而且引入了基于量子通信编码的无线连接网络( 由英国q i n e t i q 公司协助建 立) ，进一步的计划是通过卫星建立全球量子通信网络。日本把量子通信技术作为 一项国家级高技术研究开发计划，在1 0 年内投资约4 0 0 亿日元，采取“产官学” 联合攻关的方式推进研究开发。研究课题除了密码技术外，还有量子通信所需要 的超高速计算机及传输技术。日本邮政省的目标是，在2 0 2 0 到2 0 3 0 年前后使保 密通信网络和量子通信网络技术达到实用化水平。据估计，在2 0 1 5 年前后，量子 通信和量子计算机在技术上将出现实用化前景。 综上可知，量子通信必将会朝着网络化和实用化的方向发展，那么量子交换 网络和量子交换机的研究就必然成为一种趋势。 而我们提出了控制面和传输面相分离的量子通信网络，分别考虑了量子信道和 经典信道各自的特点，实现资源的合理利用。要实现量子通信的网络化，那么肯 定会用到量子交换技术，因此我们还提出了经典控制模块辅助下的量子交换机架 构。在该架构中，控制模块负责寻址和链路资源管理等控制面操作，光交叉连接 模块负责转发量子比特等传输面操作。考虑了量子信息和经典信息各自的特点， 采用可分离的交换机架构设计，提高量子通信的效率。我们的方案既充分利用了 现有的经典通信网络资源，又能够实现量子通信的多址与交换功能。本文的研究 对量子通信网络的发展具有很大意义。 1 3 研究的内容及章节安排 本文的内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 在讲述控制面和传输面相分离的量子通信网络模型的基础上，提出了基于 该网络模型的量子交换机架构。该量子交换机架构主要分为两个关键模块， 光交叉连接模块以及交换控制模块。其中光交叉连接模块提供了量子通信 的量子信道，而交换控制模块运行着整个的网络协议，并且为量子通信提 供了经典信道； ( 2 ) 采用光开关设计并实现了光交叉连接模块及其驱动电路； ( 3 ) 采用网络处理器i x p 4 2 5 以及嵌入式l i n u x 操作系统设计了量子交换机交换 控制模块的实现方案，并实现了交换控制模块和光交叉连接模块之间的通 信； ( 4 ) 在量子交换机控制平台上建立静态以及动态路由，并对其结果进行测试； 论文的主要安排如下： 4 量子交换机关键技术研究与实现 第一章主要讲述了量子通信以及量子通信网络国内外的研究状况以及本文研 究的意义。 第二章在讲述量子密钥分发协议原理的基础上，讲述了控制面和传输面相分 离的量子通信网络，并且设计了一种基于该网络的量子交换机的架构。 第三章讲述了光交叉连接器及其驱动电路的设计与实现。 第四章讲述了量子交换机交换控制模块软硬件方案的设计。 第五章在讲述系统路由原理的基础上，介绍了在交换控制模块上实现路由的 方法及过程，并且给出了路由测试的结果。 第六章对全文进行总结，并对今后的工作提出展望。 第二章量子交换机整体方案的设计 5 第二章量子交换机整体方案的设计 目前量子通信的应用主要是量子密钥分配( q r d 9 ，q u a n t u mk e yd i s t r i b u t i o n ) 、 隐形传态等，目前试验大都是在点到点之间进行的。正如第一章所述，已经有多 位研究人员提出了量子通信网络的方案，可以预见，量子通信必将会朝着通信网 络的方向发展。既然要进行网络传输那必然会涉及到信息的交换，因此量子交换 机就应用而生了。本章在介绍量子通信基本过程的基础上，讲述了一个量子通信 网络( q c n ，q u a n t u mc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ) 的方案，并且相应的设计了基于该 网络方案的量子交换机架构。 2 1 量子通信基本过程 由于量子通信最主要的应用就是量子密钥分配，现有的量子密钥分配协议已 经有好几种，比如在1 9 8 4 年由b e n n e t t 和b r a s s a r d 提出第一个量子密钥分配协议 ( 即b b 8 4 协议) ，还有1 9 9 1 年a r t u r k e k e r t 在他的文章q u a n t u mc r y p t o g r a p h y o n b e l l st h e o r y 中提出的第一个使用量子纠缠对进行量子密钥分配的协议即e k e r t 9 1 协议以及后来一些改进版的q k d 协议。下面以b b 8 4 协议为例来介绍一下量子密 钥分配的基本过程。 2 1 1b b 8 4 协议的物理基础 量子通信协议从原理上来说是绝对保密的，b b 8 4 协议也不例外，保证它绝对 安全的物理基础主要有以下几个。 ( 1 ) 光子的偏振现象 每个光子都有一个偏振方向，其偏振方向即是电场的振荡方向。光子的偏振有 三种：线偏振、圆偏振和斜偏振。其中线偏振可取两个方向：水平方向和垂直方 向；圆偏振包括左旋和右旋；斜偏振是4 5 。和1 3 5 。在量子力学中，光子的这三 种偏振是不可能同时测量的，如线偏振态与圆偏振态是不可同时测量的，这就称 为两组基互为共轭。但在同一偏振态下的两个不同的方向是可完全区分的，例如， 在线偏振态中的水平方向和垂直方向是可完全区分的。 ( 2 ) 测不准原理 在量子力学中，任何两组不可同时测量的物理量都是共轭的，都满足互补性。 两组基互为共轭是指一组基中的任一基矢在另一组基中的任何基矢上的投影都相 等。因此，对于某一基的基矢量子态，以另一组共轭基对其进行测量会消除它测 6 量子交换机关键技术研究与实现 量前具有的全部信息而使结果完全随机，也就是说测量一组基中的量将会对另一 组基中的量产生干扰。光子的线偏振量和斜偏振量就是互为共轭的量。不论是用 4 5 。还是1 3 5 。的偏振基测量线偏振光子，都是各以一半的几率得至1 j 4 5 。或者 1 3 5 。斜偏振态。反之亦然。这就遵循量子力学的基本原理测不准原理。 ( 3 ) 量子不可克隆定理 在量子力学中，不存在这样一个物理过程：实现对一个未知量子态的精确复 制，使得每个复制态与初始量子态完全相同。即在量子力学中克隆是不可能实现 的，除非破坏原有的量子态。 2 1 2b b 8 4 协议系统框图 b b 8 4 协议是用于在通信双方( a 1i c e 年h b o b ) 之间交换随机密钥。它共用了一 个量子信道，用来发送量子信息，结合了经典的公共信道，来交换经典的信息。 系统结构如图2 1 所示。 比对信息，产生密钥 图2 1 量子密钥分配系统框图 传统光通信每发送一个比特信息需要传输一个光脉冲，这个脉冲中可能含有 成千上万的光子，原则上从其中分出一路信号是完全可能的，而且可以做到对光 脉冲不产生严重的影响，因而是可窃听的。在量子密钥分发中，总是用“一个 光子携带一个比特的信息，根据量子的不可分割性，这一个比特的信息也是不可 分的，也就是不可能用分流信号的办法窃听。光子的多个物理量可以用来携带这 个比特的信息，例如偏振态和相位。为便于理解，下面我们以偏振作为例子来 说明b b 8 4 协议的原理。 2 1 3b b 8 4 协议的通信原理 b b 8 4 协议采用四个非正交态作为量子信息态，且这四个态分别属于两组共轭 基，每组基内的两个态是相互正交的，四个正交量子态分别是线偏振的水平和垂 直偏振，以及斜偏振的4 5 。和1 3 5 。偏振。系统包括发送器和检测器。发送器随机 第二章量子交换机整体方案的设计 7 地以一定的时间间隔发送具有四种偏振的光子序列。另一端的接收者以相同的时 间间隔用接收器测量接收到的光子的偏振。他随机地选择测量基的方向( 水平测 量基或者斜测量基) 来对到达的偏振光子进行测量，根据上面所说的量子基本理 论，检测器能辨别线偏振( o 。和9 0 。) ，或者能辨别斜偏振( 4 5 。和1 3 5 。) ，但它 从来不能同时辨别两种类型。协议的工作步骤如表2 1 所示：( 其中+ 代表线偏振基、 代表斜偏振基、代表0 。线偏振、$ 代表9 0 。线偏振、代表4 5 。斜偏振、 代表1 3 5 。斜偏振) 。 表2 1b b 8 4 协议建立密钥步骤 123456789l o111 21 31 41 51 6 ao011o1 o1 011 1 o1oo a l i c eb+ + c ， $ 气h0 ， 气 0 气 0 7 $ h声 d+ + b o b e 声气 $ 气 0$ 气7 气 0 r o w fo011100 k e y 下面具体说明b b 8 4 产生密钥的过程：a ) 发送端a l i c e 随即产生一组二进制数， 作为最初发送偏振态光子的依据。b ) a l i c e 随机选择线偏振或者斜偏振基，按照规 则，二进制数0 用0 。或者4 5 。表示，二进制数1 用9 0 。或者1 3 5 。表示，将第一步 得到的随机数序列翻译成偏振态光子，并将其以一定的时间间隔i n - b o b 发送。比如 二进制数是1 ，而a l i c e 选择了线偏振基，则向b o b 发送9 0 。偏振光子，如果选择的 是斜偏振基，则向b o b 发送1 3 5 。偏振光子。c ) a l i c e 向b o b 发送的偏振光子序列， 这个只有a l i c e 知l 道，其它人包括b o b 都是不知道的。d ) b o b 随机选择线偏振或者 斜偏振基来对收到的光子进行测量，他并不知道a l i c e 发送时采用的是哪个基，只 是随机地选择测量基，当他用的测量基年n a l i c e 相同时，则能得到和a l i c e 一样的结 果，反之则得到随机的结果。e ) b o b 预, j j 量得到的结果，其中空的地方表示b o b 在 这个时隙没有检测到光子，可能是由于传输信道的原因，也可能是由于监听者e v e 的存在，例如表中的第5 、7 、1 1 项。b o b 测量得到的结果也是只有他自己才知道， 其它人无法得知。f ) 然后a l i c e 和b o b 分别通过经典信道来公布自己所使用的偏振 基序列，即b 和d 项的内容，这里并不公布测量结果。然后把使用不同的偏振基的 结果以及b o b 没有测量到的项都去掉，例如表1 中的3 、4 、5 编号的结果都将被去除 掉，剩下的结果就是原始密钥了，本例中的结果是0 0 1 1 1 0 0 。 至此在理想的情况下，已经得到了只有a l i c e 和b o b 矢l l 道的相同的密钥，但是在 量子交换机关键技术研究与实现 量子传输中由于噪声，特别是e v e ( 窃听者) 的存在，将使光子态序列中光子的偏 振态发生变化。而且，b o b 的检测仪也不可能百分之百正确地记录测量结果，可 能会有不同的项也被保留了下来，因此在实际使用之前还需要进行后续的处理。 综合起来主要有以下几个方面【l8 】： ( 1 ) 筛选数据( d i s t i l ld a t a ) a l i c e 和b o b 比较测量基后会放弃所有那些在传送过程中没有收到或测量失 误，或由于各种因素的影响而不合要求的测量结果，然后，他们可以公开随机的 选择一些数据进行比较，再丢弃，计算出错误率，若错误率超过一定的阈值，a l i c e 和b o b 放弃所有的数据并重新传光子序列，若是可以接受的结果，贝, l j a l i c e 和b o b 将剩下的数据保存下来，所获得数据称为筛选数据( d i s t i l ld a t a ) 。在这个过程中 可以检测出明显的e v e 的存在。 ( 2 ) 数据纠错( e r r o rc o r r e c t i o n ) 经过筛选之后所得到的筛选数据并不能保证a l i c e 幂t l b o b 各自保存完全的一致， 因此要对原数据进行纠错。即通过一定的算法，去掉一些错误的比特，让错误率 降低。数据纠错虽然减少了密钥的信息量，但保证了密钥的安全性。 ( 3 ) 保密加强( p r i v a c ya m p l i f i c a t i o n ) 一旦秘密比特串达成一致，保密加强技术能被用来减少外部潜在的对得到的 比特串所了解的信息。a l i c e 和b o b 随机公开选择哈希函数h ，它能被用于映射字符 串x 成为一个新的s h ( x ) ，这样窃听者所得到的h ( x ) 的信息就会大大减少。 再经过上面的这三个步骤之后，a l i c e 年i b o b 就得到了比较理想的密钥了，通过 上面对b b 8 4 协议通信过程的讲述，我们可以总结出来量子通信的两个特点：第一， 量子通信需要两个信道，即量子信道和经典辅助信道：第二，量子通信除了要在 量子信道传递量子信息之外，还要在经典辅助信道传递大量的经典信息。 2 2q c n 方案 在以上q k d 原理的基础上，我们进而研究了一个三层量子通信网络的模型 【8 9 】，如图2 2 所示。 q c n 管理平面 q c n 控制平面 q c n 传输平面 图2 2 q c n 体系结构 第二章量子交换机整体方案的设计 9 这是一个控制和传输相分离的网络，它由传输平面、控制平面和管理平面三 个平面组成。 其中传输平面主要由量子传输链路和量子交换模块两部分组成，它为量子通 信提供了信道，即量子信道。而量子通信通常是需要经典信道来作为其辅助信道 的，这个就要靠上层的控制平面来提供。 控制平面是整个网络中最重要的一层。它由分布于各个q c n 节点设备中的控 制部分组成。它的主要功能有信令的传输，实现通信信令在q c n n - - j 络的各个节点 之间传输；呼叫连接控制，实现了多个用户之间的呼叫连接；链路资源管理，实 现了对量子信道链路的动态建立、维持和拆除以及网络资源的动态分配；路由管 理，为传输平面量子信道的建立提供了依据；用户接口，负责用户的接入。整个 控制平面就是一个用于控制传输平面量子通信设备的i p 网络，因此同时也为量子通 信提供了经典的辅助信道。 管理平面是一些高级的控制，可以是一个用户接口，它实现了通信策略的选 择、应用管理等。它i 由q c n 各个节点设备中的管理层组成，这样就实现了管理功 能的分布化。 量子通信网络方案的运行思路为：控制平面依据管理平面的通信需求，处理 用户的呼叫连接请求，根据传送平面的拓扑等信息建立端到端的连接，然后将信 息传给传送平面，使通信双方建立起量子通信的物理连接，而选路、交换、呼叫 与连接管理都由经典线路实现。在整个通信过程中控制平面负责维持链路通畅， 直到通信结束后再释放链路资源，等待下一次通信请求的到来。 2 3 量子交换机方案的设计 2 3 1 量子交换机结构框图 在上述q c n q u ，所有的功能的实现都是依靠网络节点来完成的，而网络节点 是什么呢，它就是量子交换机。参考经典交换机的结构，我们提出了如图2 3 所示 的量子交换机结构。 从图中可以看出，量子交换机主要由三部分构成，控制模块、交换网络部分 以及输入输出接口。 其中控制模块是最主要的，它完成量子通信网络中控制平面的功能，包括呼 叫连接的建立、链路资源的管理、路由的建立和维护、管理平面和控制平面的连 接、管理平面和传输平面的连接等功能并且为量子通信提供了t c p i p 网络作为辅 助信道。交换网络和输入输出接口则实现了传输平面以及接口的功能，它为量子 通信提供了量子信道。 1 0 量子交换机关键技术研究与实现 厂一一一一一一一一一一一一一一- i ，：= ： 。? ，。4 i 。曩：，? 1 ：i1 ：。j 畸控制模块i ：， 一 - ：。 一， ”j j ：；：_， ：输入7 输出 u y 4， i 二，： 。”：。： 。 t ；交换网络，：。 ；：。l ：j 、 ：，jj ：，“。， 2 3 2 量子交换机实现框图 1 一一j 图2 3 量子交换机结构框图 在上述原理框图的基础之上，我们设计了一个量子交换机的具体实现框图， 如图2 4 所示。 ；量子交换机 ； 量子交换机 交换控制模块 光交叉连接驱动电路 光交叉连接模块 铲铲 伊 一 二饧卜- 图2 4 量子交换机实现框图 由图可知，我们的量子交换机按照功能主要包括两个关键模块：光交叉连接 模块及其驱动电路；交换控制模块，其中包括路由构造维护、呼叫连接控制、链 路资源管理及用户接口等各个功能模块。 其中光交叉连接模块及其驱动电路实现了传输平面的功能，相当于交换网络， 为量子通信提供了量子信道，为了能够实现对量子信息的交换，即对光信息的交 换，我们采用了光开关。我们搭建了一个全通的交换网络来实现多个用户之间的 全通的量子通信网络的传输平面。 交换控制模块，我们采用嵌入式处理器加嵌入式l i n u x 操作系统来实现控制平 台。它实现的功能有：硬件方面实现了控制层和传输层的连接，为量子通信提供 第二章量子交换机整体方案的设计 了t c p i p 网络作为经典辅助信道；软件方面，使用l i n u x 下的网络及多线程编程技 术实现了呼叫连接处理、链路资源管理、路由计算及维护等功能。 以上就是基于我们提出的三层q c n 结构的完整的量子交换机的功能及结构框 图，通过以上的论述我们可以看出，本文提出的量子交换机方案能够满足q c n 网 络的要求，并且能够体现其三层的结构特点。下面的章节将详细地讲述量子交换 机各部分的具体设计以及实现。 第三章光交叉连接模块及其驱动电路的设计与实现 第三章光交叉连接模块及其驱动电路的设计与实现 光交叉连接( o x c ) 模块为量子通信建立了量子信道它必然应该能够实现 量子信息的交换，因此我们使用了光开关来实现这些功能。光开关分为机械式和 非机械式两种，由于机械式光开关具有插入损耗较低、隔离度高、不受偏振和波 长的影响的优点，因此本文用1 4 的机械式光开关来搭建我们的o x c 部件。由于 我们要搭建一个2 * 2 的全通的交换网络，因此我们使用了四个1 t 4 的光开关来连 接。本章接下来将依次介绍光开关的原理，o x c 部件的搭建及其驱动电路软硬件 的设计。 3 1 机械式光开关的工作原理 光开关是一种具有一个或多个可选择的传输窗口，可对光传输线路或集成光 路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的器件。从工作原理角度方面划分，光开 关可分为机械式和非机械式两大类口”，机械式光开关靠光纤或光学元件移动， 使光路改变；非机械式光开关则依靠电光效应、磁光效应、声光效应以及热光效 应来改变波导折射率使光路发生改变完成开关功能。机械式光开关发展已比 较成熟，可分为移动光纤、移动套管、移动准直器、移动反光镜、移动棱镜和移 动耦合器。图31 为一通过移动光纤来实现光路切换的机械式光开关原理示意图。 圈3 1 机械式光开关原理图 从图中可以看出，机械式光开关内部有一根活动光纤，两根固定光纤。活动 光纤是可以上下移动的，这样通过移动它就可以让其分别和两根固定的光纤接 合，从而也就实现了光路的切换， 机械式光开关由于插入损耗较低( = 2 d b ) ；隔离度高( 4 5 d b ) ：不受偏振和 波长的影响等特点而在光通信网络当中得n 3 广泛的应用。 本文使用了1 4 的机械式光开关，图32 给出了光开关模块的结构框图。 1 4 量子交换机关键技术研究与实现 1 x 4 光开关 图3 21 4 光开关结构框图 每个1 4 的光开关模块有9 个管脚，其各个管脚的功能如表3 1 所示。 表3 1 光开关9 个管脚的定义 管脚信号方向名称方式 数据位d o d 3 - 二进制，选通1 一- - 1 6 路，如：0 0 0 0 b = 1i nd 0 信道1 ；1 1 1 l b = 信道1 6 。d o 为低位元，d 3 为高位。 2i nd 1 3i nd 2 4i nd 3 5i n瓜e s e t 低电平复位，高电平数据位有效。 6o u tr e a d y低电平准备复位或接收数据。 7o u te r r o r高电平表示有错误发生。 8 p o w e rg r o u n d地线 9p o w e r i n5 v电路电源 光开关模块工作电压为直流5 v ，电流大约3 0 0 m a ，控制信号为t t l 电平。 光模块在接通电源后，会自动复位到信道o ( 注意信道0 不与外部光纤连接) 。d o d 3 为光开关模块的控制线，通过给它给不同的信号来选择不同的通路，可以理解成 只有一路输入信号，而输出的通路有n 条，具体要从哪条通路出去就得靠控制位 来实现，其中d o 为地位，d 3 为高位，例如0 0 0 0 就表示选通信到1 ，当然实际当 中由于光路是可逆的，因此光开关是不分输入输出的。r e a d y 及e r r o r 两个数 据线为两个输出的指示信号，低电平表示光开关处于准备接受数据及无错误状态， 这时才可通过数据线或复位线进行切换或复位。r e s e t 是用来完成光开关模块复 位的，给此管脚低电平保持1 0 m s 即可完成复位，平时不用时应置高电平。 当进行信道切换时，首先必须检测r e a d y 及e r r o r 两个指示信号，当都为 第三章光交叉连接模块及其驱动电路的设计与实现 1 5 低时，置r e s e t 高电平，再通过数据线d o d 3 选通l - n ( 3 1 2 ) 路。由于光模块为 l x n ，当数据超过n 时，模块不会切换，并置e r r o r 高电平。光开关模块随时监 视数据线d o d 3 上的数据，一旦数据发生变化，光开关模块将根据数据的改变产 生相应动作。当模块在处理数据时( 复位或信道切换过程中) ，r e a d y 为高电平； 数据处理完毕，r e a d y 为低电平。当输入不正确数据，e r r o r 为高电平；直至 输入正确数据或复位，e r r o r 才恢复为低电平。因此为了更好地进行控制，我们 应该对r e a d y 及e r r o r 两数据线进行监控，以了解光模块运行情况，根据当前 的运行情况再作出相应的控制。 由此可以得到如下的工作时序图。 i n p u t s 主要的是r a m 、f l a s h 以及一个网络设备接口的信息，当出现r e d b o o t 之 后，我们就可以通过输入命令对系统进行配置了。配置的命令主要有以下几个f i s 命令，即闪存映像系统命令： a f i si n i t ：用来初始化f i s 目录，再加上一f 参数表示将所有f l a s h 空间进行初始化； b f i sc r e a t e ：在f i s ( f l a s hi m a g es y s t e m ) 目录中创建一个映像，将当前r a m 中 的数据写入f l a s h 存储器中，因此，在使用该命令之前，映像文件数据必须已 经保存在r a m 中。使用格式：f i sc r e a t e - bd a t aa d d r e s s ) 一1l e n g t h 【一ff l a s h a d d r e s s 】 一ee n t r y 一rr e l o c a t i o na d d r e s s 】 一sd a t al e n g t h 】【一n n a m e 。 - bd a t aa d d r e s s ：待写入f l a s h 数据的存放地址； 1l e n g t h ：写入数据的长度； 一f f l a s ha d d r e s s ：f l a s h 地址； ee n t r y ：可执行映像地址； 一rr e l o c a t i o na d d r e s s ：执行f i sl o a d 命令时，可执行映像的重定位地址； sd a t al e n g t h ：写入f l a s h 中的可执行映像实际长度； - n ：用于更新f i s 目录； n a m e ：创建映像的名称。 使用示例：r e d b o o t f l sc r e a t e b0 x 1 0 0 0 0 0 0 10 x l a 5 1 7 9r a m d i s k g z ，它就表示 在f i s 目录中创建一个名为r a m d i s k g z 的映像，并将地址为o x l 0 0 0 0 0 0 的 r a m 的内容写入该映像，写入长度为0 x l a 5 1 7 9 ； c f c o n f l g - i ：用来对已保存在f l a s h 中的配置选项进行管理和重配置。主要包括 2 8 量子交换机关键技术研究与实现 启动脚本的输入、超时的设置以及m 地址的设置。因为r e d b o o t 默认的有一 个网络协议t 邱，通过此协议可以将宿主机上面的映像文件下载到r a m 中去， 因此要设置好p 地址，必须和宿主机的口地址在同一个网段里面。 d f i sd e l e t e ：该命令是用来删除f i s 目录中的映像的。使用格式，f i sd e l e t e n a m e 其中n a m e 指需要删除映像的名称。下面是一个使用的示例， r e d b o o t f i sd e l e t er a m d i s k g z 它就表示删除f i s 目录中名为r a m d i s k g z 的 映像。 e f i sl i s t ：此命令用来显示f l a s h 中的映像分区情况，在开发板上执行该命令之后， 得到的结果如下。 n a m ef l a s ha d d rm e ma d d r l e n g t he n t r yp o i n t r e d b o o t0 x 5 0 0 0 0 0 0 00 x 5 0 0 0 0 0 0 0o x 0 0 0 4 0 0 0 00 x 0 0 0 0 0 0 0 0 r e d b o o tc o n f i g0 x 5 0 f c 0 0 0 0 0 x 5 0 f c 0 0 0 0 0 x 0 0 0 010 0 00 x 0 0 0 0 0 0 0 0 f i sd i r e c t o r y0 x 5 0 f e 0 0 0 00 x 5 0 f e 0 0 0 00 x 0 0 0 2 0 0 0 00 x 0 0 0 0 0 0 0 0 r a m d i s k 0 x 5 0 0 4 0 0 0 0 0 x 0 0 8 0 0 0 0 00 x 0 0 2 8 0 0 0 00 x 0 0 8 0 0 0 0 0 k e m e l 0 x 5 0 2 c 0 0 0 00 x 016 0 0 0 0 00 x 0 010 0 0 0 00 x 016 0 0 0 0 0 可以看出，我们的f l a s h 总共有5 个分区，其中包括b o o t l o a d e r 即r e d b o o