（通信与信息系统专业论文）量子通信网络及其协议研究与实现.pdf

摘要 自b e n n e t t 和b r a s s a r d 于1 9 8 4 年提出第一个量子密钥分发协议( b b 8 4 ) 协议 以来，由于量子密码的无条件安全性，越来越多的人投入到量子通信研究这个领 域中来。目前，量子通信的研究重点在提高通信距离、研究更安全可靠的密钥分 发协等点对点的量子通信上，量子通信网络的研究才刚刚起步。而要使量子通信 走向实用，必须要迸一步研究量子通信网络的体系结构与通信协议，必须要研究 多址和交换技术。 论文在分析目前量子通信网络技术的基础上，将自动交换光网络( a s o n ) 核 心思想引入到量子通信网络中来，提出了一个传输面与控制面相分离的三层量子 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 ) 模型，接着对基于该模型的 量子通信网络的多址与交换技术进行研究，并提出了基于该模型的量子交换机方 案，对交换机控制部分的呼叫与连接协议进行了研究。论文提出了一种将波分复 用与电控光路交换结合在一起的多址与交换方案，并设计了量子交换机与用户进 行呼叫与连接的流程，设计出在此过程中量子交换机与用户间传输控制信息的控 制信令j 然后在l i n u x 系统下使用网络编程语言实现了呼叫与连接过程，然后对呼 叫和连接协议性能进行了测试。论文最后，针对现有方案的不足，对后续的研究 工作提出了一些意见与建议。 论文对量子通信网络多址与交换技术以及通信协议的研究对构建真正的量子 通信网络很有意义。 关键词：量子通信网络量子交换机多址与交换技术信令呼叫与连接协议 l i n u x a b s t r a c t s i n c eb e n n e t ta n db r a s s a r du n i t e dt ob r i n gf o r w a r dt h ef i r s tq u a n t u mk e y d i s t r i b u t i o nb b 8 4p r o t o c o li n 19 8 4 ，b e c a u s eo ft h eu n c o n d i t i o n a ls e c u r i t yo ft h e q u a n t u mc r y p t o g r a m ，m o r ea n dm o r ep e o p l ed i v e dt h e m s e l v e s i nt ot h ef i e l do f q u a n t u mc o m m u n i c a t i o n a tp r e s e n tt h er e s e a r c ho fq u a n t u m c o m m u n i c a t i o na r e f o c u s e do np o i n tt op o i n tq u a n t u mc o m m u n i c a t i o n ，s u c ha sl o n g e rc o m m u n i c a t i o n d i s t a n c e ，m o r ep e r f e c tq u a n t u mk e yd i s t r i b u t i o np r o t o c o l ，a n dt h es t u d yo fq u a n t u m c o m m u m c a t i o nn e t w o r kj u s tb e g i n i no r d e rt op u tt h eq u a n t u mc o m m u n i c a t i o ni n t o a p p l i c a t i o n ，w em u s tp a y m o r ea t t e n t i o no nt h er e s e a r c ha n di m p l e m e n to fq u a n t u m m u l t i p l e a c c e s sa n ds w i t c ha n do nt h er e s e a r c ho ft h eq u a n t u mc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k sa r c h i t e c t u r ea n dc o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 f i r s t ，t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ep r e s e n tt e c h n o l o g yo ft h eq u a n t u mc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k ，t h e np r o p o s e daq c nm o d e lb yi n t r o d u c i n gt h ei d e ao ft h ea s o ni n t o 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 ，t h eq c n m o d e li nw m c ht h et r a n s p o r tl a y e ra n dt h e c o n t r o ll a y e ra r ed e t a c h a b l eh a st h r e el a y e r s t h ep a p e rr e s e a r c h e dt h em u l t i p l ea c c e s s e s a n ds w i t c ho ft h eq u a n t u mc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k , a n dt h e np r o p o s e das c h e m eo f q u a n t u ms w i t c hw h i c h i sb a s e do nt h eq c nm o d e l ，t h ep a p e ra l s or e s e a r c h e dc a l la n d c o n n e c tp r o t o c o lo ft h ec o n t r o ll a y e ro fq u a n t u ms w i t c h aq u a n t u mm u l t i p l ea c c e s sa n d s w i t c hs c h e m ew h i c hc o m b i n e dw d ma n do p t i c a ls w i t c ht o g e t h e rw a sr a i s e di n t h i s p a p e r , t h e nt h ep a p e rd e s i g n e dt h es i g n a l i n gw h i c hi s u s e dt ot r a n s p o r tt h ec o n t r o l i n f o r m a t i o nb e t w e e nq u a n t u ms w i t c h ，a n dt h e n ，t h ep a p e rb r o u g h tu pt h ed e s i g n m e n to f t h ec a l la n dc o n n e c tp r o t o c o l ，a n di m p l e m e n t e dt h ef l o wo ft h ec a l la n dc o n n e c tb y s o c k e tp r o g r a mu n d e rl i n u x t h ep e r f o r m a n c eo ft h ep r o t o c o lw a sa l s ot e s t e di nt h e p a p e r f i n a l l y , s o m ei d e a sa n ds u g g e s t i o n sa l eb r o u g h tf o r w a r df o rt h ef u r t h e rw o r kt o o v e r c o m et h el i m i t a t i o no fe x i s t i n gs y s t e m k e yw o r d s ：q c n q u a n t u ms w i t c hs i g n a l i n g m u l t i p l ea c c e s sa n ds w i t c h c a l la n dc o n n e c tp r o t o c o ll i n u x 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：赫垫一 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：皇羔盔垫! 导师签名：煎鱼 日期堡鲨：! ：查 e t 期, 2 - 0 幔一 第一章绪论 第一章绪论帚一早珀了匕 量子力学和相对论的提出，是2 0 世纪物理学的两个划时代的里程碑，量子力 学的诞生，深刻地改变了人类社会。2 0 世纪推动社会的核能、激光、半导体等高 技术，都是以量子力学为基础的。以量子力学为基础的量子信息科学，将量子科 学与信息科学相结合，开辟出了量子通信这一全新的学科方向。量子通信学科发 展所开创的新原理、新方法和新途径，将为人类的进步发挥出巨大的潜力。 量子通信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【1 】- 【3 1 。目前，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。 1 1 量子通信的发展及现状 b e n n e t t 和b r a s s a r d 于1 9 8 4 年提出了用单量子态传送密钥的b b 8 4 协议方案 4 1 ， 从理论上解决了“一次性便签密码 安全分发的问题，于是量子保密通信诞生。 此后量子计算和量子通信引起了各个国家的广泛重视，各国都投入了大量的人力、 物力和财力加强相关技术研究，量子密码术理论研究取得了迅猛的发展，新的量 子密码术方案以及实验系统被相继提出或证实。自b b 8 4 密钥分发协议之后，又提 出了基于e p r 纠缠光子对的e 9 1 协议以及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量子密钥分发( q k d ) 协议相继问世。 至今为止，量子密码术的实验研究进展已充分展示其极可能成为下一代实用 化高新技术的诱人前景。英国国防研究部于1 9 9 3 年首先在传输长度为1 0 公里的 光纤中实现了基于b b 8 4 方案的相位编码量子密钥分发。1 9 9 3 年，瑞士日内瓦大 学使用b b 8 4 协议的偏振编码方案，在1 1 公里长的光纤中实现了量子密钥分发， 并于1 9 9 5 年在日内瓦湖底铺设的2 3 公里的民用光通信光缆中进行了实地演示【5 】。 1 9 9 7 年，他们利用法拉第镜消除了光纤中的双折射等的影响，大大提高了系统的 稳定性和使用的方便性，发展出所谓的“即插即用”的量子密码方案l 6 】。日内瓦大 学于2 0 0 2 年报道了通讯距离为6 7 k i n 的量子保密通信实验。美国洛斯阿拉莫斯国 家实验室采用相位编码方案，成功地实现在长达4 8 公里的地下光缆中传送量子密 钥，并在自由空间成功地完成了量子密钥分发实验。2 0 0 2 年德国小组实现了自由 空间量子密钥分发距离达2 3 k i n 的新录，按照n a t u r e 杂志的评论，这是非常重要 的进展，使得卫星通信间有可能实现量子密钥分发【_ 7 1 。日本三菱电机公司东芝。剑 桥实验室也相继报道了距离为8 7 公里和1 0 0 公里的光纤量子保密通信实验。最近， 2 量子通信网络及其协议研究与实现 英国的g o b b y 等人报导了1 2 2 公里光纤量子保密通信实验【8 】。 在量子通信网络方面，g i l l e sb r a s s a r d 在2 0 0 3 年提出种采用光波分复用基于 光纤的量子密钥分发网络，并对所提出的网络结构进行了实验验证【2 3 】一【2 4 1 。 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保护通信的计算 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。 在国内，1 9 9 5 年，中国科学院物理所报道了利用b b 8 4 协议的演示性实验。 华东师范大学物理系使用b 9 2 方案进行了自由空间中的量子保密通信实验。此后， 在国家9 7 3 计划量子信息学项目的支持下，以中国科技大学为首的多家研究机构 对量子信息学，特别是量子保密通信领域开始了深入的研究。 1 2 量子通信网络的研究意义 目前，在数据与个人通信保护、身份认证与消息确认等方面通常采用的方法 是选择经典密码中的某些对称密码算法或者公钥密码算法实现信息加密，从而实 现对数据的安全保护。这种方式被广泛地应用与目前地网络系统中。 在目前的通信网络中，密钥管理是一个极其重要而又非常困难地问题。通常 的做法是通过数学的方法或者一个安全通道来实现密钥的交换与分配。但是，由 于在经典密码中至今不存在从严格意义上证明为绝对安全的密码算法和协议，基 于经典密码的方法缺乏可靠的安全性保证，方案的安全性难以让用户相信。另外， 通过可信任携带者来传送密钥，会带来许多问题，如携带者的安全问题，携带的 密钥可能会被拥有先进设备的攻击者获取等等。除了密钥管理方面的安全问题外， 在数据传输与存取中使用的密码算法也存在一定的安全问题【3 j 。 鉴于当前网络中存在的安全问题，并考虑到量子密码的无条件安全性，使用 量子密码方法实现安全通信开始被人们重视。 目前量子通信的研究主要集中在如何研究更完善的密钥分发协议，如何提高 量子通信的距离，怎样得到高品质光源。 而量子密码技术要走上实用，不仅仅要在两个用户之间进行量子密钥传送， 更重要的是要在网络环境下进行通信，这才是最终目的。因此随着量子通信的发 展，点到点量子通信必然要过渡到多个用户的量子通信网络，必然需要研究和实 现多址与交换技术。本文主要研究了量子通信网络的体系结构、呼叫连接协议以 及控制信令技术。 本文提出的控制面和传输面相分离的量子通信网络，分别考虑了量子通道和经 第一章绪论 3 典信道各自的特点，实现了资源的合理利用。要实现量子通信的网络化，那么肯 定会用到量子交换技术，因此本文还提出一种量子通信网络中的多址和交换技术 方案。并提出了一种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。此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 本文的主要工作以及章节安排 本文研究的工作重点在量子通信网络的整体构架及相关协议上。本文的主要 内容有以下几个方面： ( 1 ) 在量子通信基本原理的基础之上，在a s o n 的原理以及体系结构的基础 之上，提出了控制面和传输面相分离的量子通信网络( q c n ) 模型，并且提出了 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部分，光交叉 连接器以及交换控制平台。其中光交叉连接器提供了量子通信的量子信道，而交 换控制平台运行着整个的网络协议，包括经典的交换控制协议、路由协议以及链 路资源管理协议等，量子信道的网络协议，包括量子信道的建立、拆除、量子信 道的链路资源管理协议等。 ( 2 ) 在控制平台配置的静态和动态路由协议的基础上，提出了量子通信呼叫 和连接过程控制协议。编写了l i n u x 系统下实现呼叫连接的协议代码，设计了交换 控制部分与用户之间传递控制信息的信令。 ( 3 ) 对量子通信网络中的多址与交换技术进行了研究。在对现在常用的多址 和交换技术进行分析和比较的基础上，提出了一种量子通信多址交换方案。 ( 4 ) 提出了量子交换机交换控制平台的实现方案，并搭建了功能测试平台， 在平台上对协议的功能以及性能进行了测试以及分析。 论文的章节安排如下： 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。 第二章主要介绍了当前量子通信网络的发展现状、理论和软件设计基础，提 出了量子通信网络模型。 第三章则是主要对量子通信网络中的多址与交换技术进行了研究，提出了多 址和交换方案。 第四章对呼叫和连接过程的实现协议，还有用户与交换控制部分之间进行控 4 量子通信网络及其协议研究与实现 制信息传输的信令进行了详细介绍。 第五章提出了量子交换机方案，对测试平台的实现进行简要介绍，对协议性 能进行了测试和分析。 第六章对全文进行总结，并对今后工作进行展望。 第二章量子通信网络 第二章量子通信网络 2 1 量子通信网络的发展现状 目前量子通信的研究主要集中在如何研究更完善的密钥分发协议，如何提高 量子通信的距离，怎样得到高品质光源。随着量子通信的发展，点到点量子通信 必然要过渡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。如 何实现多址与交换，进行多用户量子密钥分发，也是目前研究的热点。国内外在 量子通信网络方面做了很多探索性的工作，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。下面将简要介绍一下量子通信网络的发展及现状。 t o w s e n d 在1 9 9 7 年建议由a l i c e 作为网络控制器，采用光功分器( p o w e r d i v i d e rc o u p l e r ) 进行多用户密钥分发，n 个用户的平均密钥产生速率为单个用户 密钥速率的1 n 2 2 j 。 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 网络，并对所提出的网络结构进行了实验验证【2 3 1 ，原理如图2 1 所示。图2 1 中 a l i c e 作为网络控制器分别和b o b l ，b o b 2 ，b o b 3 ，b o b n 进行密钥协商，分别 采用不同的波长( 频率) 。图2 2 是b r a s s a r d 进行实验的示意图。 a l i c e = n e t w o r k c o n t r o l l e r m 图2 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 b o bl b o b2 b o b3 b o bn 量子m 信月络厦其协议研究与实现 图2 2b r a s s a r d 渡分复用量子密钥分发网络实验示意图 图2 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 l 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。b r a s s a r d 等提出的对p l u g & p l a y 方案的改进，使得每个用户 的密钥产生速率相对固定，与用户数目无关。 g i l l c sb r a s s a r d 在2 0 0 4 年研究了存在不可信中继节点时纠缠和非纠缠相结合 的量子密钥分发口”。对于不可信的中继采用纠缠光子对进行密钥协商，如图4 所 示，同样对不同用户用波长进行区分。 图2 3 基于纠缠的量子密钥分发原理示意图 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 e o p t i c a l n 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口： ( 1 ) 无源星形网络( p a s s i v e - s t a r m u i t i u s g r q k d n e t w o r k ) ，光于随机的分给 n 个用户的任一个，一方面密钥速率降低为1 n ，造成衰减；另一方面由于随机发 放，造成不确定性( 探测速率的不确定性) ，影响通信效率。如图2 4 所示。 | 四网| | 圆 第二章量子通信网络 7 n e t w o r kt o p o l o g yo fp a s s i v e s t a rm u l t i u s e rq k dn e t w o r k ( p l s ： p u l s e d l a s e r s o u r c e ；t a ：t u n a b l e a t t e n u a t o r ；p m ：p h a s e m o d u l a t o r ；d e t ：d e t e c t o r ) 图2 4k u m a v o r 建议的无源星形网络 ( 2 ) 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 ) ，每次只有一个a l i c e 调制光子，如图2 5 所示。 n e t w o r kt p o l o g yo fo p t i c a l - r i n gm u l t i u $ c fq k dn e | w o r kh a s 州o n s a g n a ci n t e r f e r o m c k - r , f p l s ：p u l s e dl a j ；c r 蝴n “：e ，；1 a ：t u l l a b l ea t l c l l t l a o d v p m ： p h a s em o d u | a 1 o f ；d e l ：d e l d c t o r ) 图2 5k u m a v o r 建议的光环型网络 ( 3 ) 波长路由网络( w a v e l e n g t h r o u t e dm u l t i u s e rq k d n e t w o r k ) ，通过波长 选路策略能决定哪一个用户接收光子，如图2 6 所示。 量子通信网络及其协议研究与实现 图2 6k u m a v o r 建议的波长路由网络 ( 4 ) 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 ) ，采用波来指定接收者，接收者通过光纤布喇格光栅反射自己的光子， 让其它光子都通过，如图2 7 所示。 图2 7k u m a v o r 建议的波长寻址总线型网络 g o o d m a n 等在2 0 0 3 年建议了基于光纤通信基础设施的量子密钥分发方案， d w d m 信号和q k d t 2 6 1 ，如图2 8 所示。 第二章量子通信网络 9 y 蓠法塑二 掣酗瓣彩一掣 图2 8g o o d m a n 等建议的基于光纤通信基础设施的量子密钥分发方案 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保护通信的计算 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。 国内在量子通信网络方面也做了很多探索性的工作。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。 2 2a s o n 自动光交换的基本思想 本文的量子通信网络方案用到了a s o n 自动交换光网络的原理，在这一节， 将简要介绍a s o n 的工作原理及体系结构。 a s o n 是能够智能化地自动完成光网络交换连接功能的新一代光传送网【3 2 j 。 a s o n 具备的功能有：发现功能；路由功能；信令功能；保护和恢复功能；策略 功能；业务提供功能等。 与传统的光网络相比，a s o n 的优点是：以控制为主的工作方式，分布式智 能，多层统一与协调，面向业务等。 2 2 1a s o n 的体系结构 a s o n 与传统的光传送网相比，突破性地引入了更加智能化的控制平面，从 而使光网络能够在信令的控制下完成网络连接的自动建立、资源的自动发现等过 程。其体系结构主要表现在具有a s o n 特色的3 个平面、3 个接口以及所支持的3 种连接类型上。 ( 1 ) a s o n 的3 个平面 1 0 量子通信网络及其协议研究与实现 整个网络包括3 个平面，即控制平面、管理平面以及传送平面。通过数据通 信网( d c n ) 联系三大平面，d c n 是负责实现控制信令消息和管理信息传送的信 令网络。 a s o n 传送平面由一系列的传送实体组成，如a d m 、o x c 等设备，具有各 种粒度的交换和疏导结构，具有各种速率和多业务的物理接口等，另外，传送平 面结构具有分层的特点，它由多个层网络( 如光通道层、光复用层和光传输层) 组成。 a s o n 管理平面通过操作一个合适的管理信息模型来实现对底层传送资源的 管理。 a s o n 控制平面实现对传送平面的灵活控制，相当于网元的“大脑，因此， a s o n 是关于控制平面的解决方案，它包括了一系列的信令及协议系统，可动态 地交换光网络的拓扑信息、路由信息以及其它控制信息，实现对连接的实时建立、 释放和监控等功能。 图2 9a s o n 体系结构 与现有的光网络相比，a s o n 中增加了一个控制平面。控制平面可以说是整 个a s o n 的核心部分，它由分布于各个a s o n 节点设备中的控制网元组成。控制 网元主要由路由选择、信令转发以及资源管理等功能模块组成，而各个控制网元 相互联系共同构成信令网络，用来传送控制信令信息。控制网元的各个功能模块 之间通过a s o n 信令系统协同工作，形成一个统一的整体，实现了连接的自动化， 并且在连接出现故障时，进行快速而有效的恢复。 a s o n 通过引入控制平面，使用接口、协议以及信令系统，可动态地交换光 网络的拓扑信息、路由信息以及其他控制信息，实现了光通道的动态建立和拆除 以及网络资源的动态分配。 控制平面的关键技术主要涉及到网络接口、功能模块和信令协议三方面的内 容。此外，控制平面的信令传送网络拓扑与传送平面网络拓扑结构可以不相同， 一般来说，信令网连通度更大，生存性要求更高。 第二章量子通信网络 图2 9 显示了控制、管理、传输平面之间的般关系，每一个平面在功能上是 相对独立的，但它们之间也需要进行信息的交互。下面，我们将分别对不同平面 间的交互作用进行说明。 管理和传送平面的交互：管理平面通过操作一个合适的管理信息模型来实现 对底层传送资源的管理。管理和传送平面间通过管理t 接口交互信息。 控制面与传送平面间的交互：在控制平面中，主要有两个功能组件和物理传 输资源又很强的关系，他们是连接器和终端适配器。连接控制器提供一个起控制 连接作用的信号接口，这个组件在物理上是和传送平面的连接功能联系在一起的。 同时，终端适配器在物理上位于提供适配和终止功能的传送平面物理设备处。它 可以提供链路连接的控制平面视图。控制和传送平面之间的交互接口抽象为连接 控制接口。 管理和控制平面间的交互：管理平面同样也通过操作一个适当的信息模型来 和控制平面进行互动，模型可以使管理系统看到控制平面底层的组件。管理信息 模型的对象被定位于控制组件处，并且通过这些组件的监视和配置接口来实现对 它们的管理和数据的采集。在被管理对象和控制组件之间配有这样的接口。而这 些接口的集合被统一的抽象为管理和控制平面之间的管理a 接口。 ( 2 ) a s o n 的3 个接口 a s o n 的接口是网络中不同的功能实体之间的连接渠道，它规范化了两者之 间的通信规则。在a s o n 体系结构中，控制平面和传送平面之间通过c c i 相连， 而管理平面则通过n m i a 和n m i t 分别与控制平面及传送平面相连。3 个平面通 过3 个接口实现信息的交互。c c i 是只能光网络控制平面和传送平面之间的接口， 通过它可传送连接控制信息，建立光交换机端口之间的连接。n m i a 和n m i t 的 作用是实现管理平面和传送平面的管理，接口中的信息主要是相应的网络管理信 息。 ( 3 ) a s o n 的3 种连接 a s o n 中，根据不同的连接需求以及连接请求对象的不同，提供了3 种类型 的连接：永久连接( p c ，p e r m a n e n tc o n n e c t i o n ) 、软永久连接( s p c ，s o f tp e r m a n e n t c o n n e c t i o n ) 、交换连接( s c ，s w i t c h e dc o n n e c t i o n ) 。 p c 沿袭了传统光网络中的连接建立形式。p c 的路径由管理平面根据连接请 求以及网络资源利用情况预先计算，然后管理平面沿着计算好的连接路径通过 n m i t 向网元发送交叉联机命令进行统一指配，最终通过传送平面各个网元设备 的动作完成通路的建立过程。在这种方式下，a s o n 建立连接的速度相对来说较 慢。 s c 是一种由于控制平面的引入而出现的全新的动态连接方式。s c 的请求由 终端用户向控制平面发起，在控制平面内通过信令和路由的动态交互，在连接终 1 2 量子通信网络及其协议研究与实现 端点之间计算出一条可用的通道，最终通过控制平面与传送网元的交互完成连接 的建立过程。s c 实现了在光网络中连接的自动化，且满足快速、动态的要求并符 合流量工程的标准。这种类型的连接集中体现了a s o n 的本质特点，是a s o n 连 接实现的最终目标。 s p c 的建立是由管理平面和控制平面共同完成。这种连接的建立方式介于前 两者之间，它是一种分段的混合连接方式。在s p c 中，用户到网络的部分由管理 平面直接配置，而网络部分的连接通过管理平面向控制平面发起请求，然后由控 制平面完成。在s p c 的建立过程中，管理平面相当于控制平面的一个特殊客户。 在以上的三种连接方式中，s c 的请求由终端用户向控制平面发起，在控制平 面内通过信令和路由的动态交互，在连接终端点之间计算出一条可用的通道，最 终通过控制平面与传送网元的交互完成连接的建立过程。本文的量子通信网络使 用的连接方式就是交换连接。交换连接示意如图2 1 0 。 端 2 2 2a s o n 呼叫控制器 图2 1 0a s o n 中交换连接 端点 在a s o n 中连接建立的开始呼叫过程是由呼叫控制器( c a l lc ) 来完成的。有 两种不同类型的呼叫控制器组件。 ( 1 ) 主n 被叫呼叫控制器：这种呼叫控制器同呼叫终端有关并可由用户端系 统确定或者由远端确定，它可以表现为一个终端代理。这个控制器有两个角色； 一个用来支持主叫部分，另一个支持被叫部分。 ( 2 ) 网络呼叫控制器：一个网络呼叫控制器能提供两个功能，分别支持主叫 功能和被叫功能。 在一个呼叫过程中，呼叫控制器可通过一个或多个中间媒体网络呼叫控制器 来同被叫部分协调。 第二章量子通信网络 1 3 主n 被叫方呼叫控制器，这个组件的作用是：产生输出请求、接受或拒绝， 输入呼叫请求、产生呼叫终止请求、处理输入呼叫终止请求，以及进行呼叫状态 的管理。 网络呼叫控制器，网络呼叫控制器组件的作用是：处理输入呼叫请求，产生 输出呼叫请求，产生呼叫终止请求，处理呼叫终止请求，进行呼叫状态管理，以 及实现基于呼叫参数确认、用户权利和网络资源介入策略的呼叫接纳允许控制。 ( 3 ) 呼叫控制器的相互作用 呼叫和连接是a s o n 实现自动交换功能最为关键的两个过程。呼叫过程主要 是由呼叫控制器完成的，连接过程主要由连接控制器完成。下面，我们将介绍交 换连接( s c ) 方式下呼叫控制器之间的相互作用。如图2 1 1 所示。 图2 1 1 交换连接中主n r n q 方呼叫控制器的相互作用 a s o n 是能够智能化地自动完成光网络交换连接功能的新一代光传送网。本 文的量子通信网络的体系结构就引进了a s o n 的原理，提出了一个基于a s o n 的 3 层量子通信网络模型。同时，将a s o n 的控制面引入量子交换机，并将主n 被 叫方呼叫控制器和网络呼叫控制器原理应用到交换机中，提出了一种新的、基于 控制面的交换机方案。 2 3l i n u x 网络编程 使用的操作系统是l i n u x 操作系统s n a p g e a r ， 内核是2 4 x ，利用套接字进行 网络编程，主要用c 语言进行编写，使用v i ，g d b 工具，并且结合g c e 进行程序 调试。 1 4 量子通信网络及其协议研究与实现 2 3 1l i n u x 网络编程 lin ux 操作系统可以说是unix 操作系统的一个克隆体，它最初是在199 1 年lo 月5 日由它的作者l i n u st orvalds 于赫尔辛基大学发布的。lin ux 操 作系统继承了unix 操作系统的超过二十五年的经验、源代码以及技术支持。 l i n u x 系统的一个主要特点是他的网络功能非常强大。随着网络的日益普及，基于 网络的应用也越来越多。所谓的网络编程实际是实现客户机和服务器的数据传输。 2 3 1 1 客户机服务器通信模型 l i n u x 的网络功能是l i n u x 系统的重要的组成部分。网络应用的标准模型是客 户机一服务器模型，这是一个不对称的编程模型，通信的双方扮演不同的角色： 客户机和服务器【l0 1 。一般发起通信请求的应用程序被称为客户机。用户一般是通 过客户机软件来访问某种服务。客户机程序通过与服务器建立联系，发送请求， 然后等待服务器返回所请求的内容。服务器一般是等待接收并处理客户机请求的 应用程序。服务器通常由系统执行，在系统生存期间一直存在，等待客户机请求， 并且在接收到客户机的请求之后，根据请求的内容，向客户机返回合适的内容。 一个典型的例子就是自动取款机，它扮演客户机角色，通过向服务器请求来完成 操作。他们之间的通信过程如图2 1 2 所示。 图2 1 2 客户机服务器通信模型 网络程序的主要执行过程如下： ( 1 ) 系统启动服务器执行。服务器完成一些初始化操作，然后进入睡眠状态， 等待客户机的请求。 ( 2 ) 在网络的某台机器上，用户执行客户机程序。 ( 3 ) 客户机进程与服务器建立一条连接。 ( 4 ) 建立连接之后，客户机通过网络向服务器发送请求，请求某种服务。 ( 5 ) 服务器接收到用户的请求之后，根据客户机请求的内容进行相应的处理， 然后将处理结果返回。 ( 6 ) 服务器断开与客户机的连接，继续睡眠，等待其它客户机的请求。 根据处理请求的方式的不同，服务器可以分成两种类型【1 0 】：循环服务器 第二章量子通信网络 1 5 ( i n t c r a t i v es e r v e r ) 和并发服务器( c o n c u r r e n ts e r v e r ) 循环服务器在同一时刻只能处理一个客户机请求。服务器在接收到一个客户 机请求之后，自己处理这个请求，在处理完这个请求之后再继续下一个请求。在 处理一个请求的过程中，下一个请求将等待。通常，这种服务器只用于处理耗时 比较短的服务。 并发服务器在同一时刻能够处理多个客户机请求。服务器一般使用多个进程 来提供并发服务。通常，服务器在接收到一个客户机请求之后，创建一个子进程 来处理这个客户机的请求，而它自身则继续等待接收客户端请求。通常，这种服 务器处理比较耗时的或要求快速的服务。 这两种服务器模型有各自的优缺点。在实际应用时，应根据需要提供的服务 类型和服务质量来灵活的选择服务器的模型。 2 3 1 2t c p 客户机- n 务器通信模型 服务器 s o c k e t o 上 b i n d o 1 l 1 i s t e n o 上 客户端 a c c e p t os o c k e t o 咀塞等待客户数据 上 一 建立垤琢 c o n n e c to 1， 1 l 一请求数据 r e a d ow r i t e o i 处理服务请求 1 l ， r w r i t e o 厦各数话 一 r e a d o 上i c l o s e oc l o s e o 图2 1 3t c p 客户机一服务器通信模型 t c p 协议是面向连接的协议，客户机胡艮务器通信模型如图2 1 3 所示，服务器 首先调用s o c k e t 函数创建一个流套接字，然后调用函数b i n d 将这个套接字和一个 端口号绑定在一起，调用l i s t e n 函数开始侦听，接着调用a c c e p t 函数等待客户端连 1 6 量子通信网络及其协议研究与实现 接。客户端首先调用s o c k e t 函数创建一个流套接字，然后调用c o n n e c t 函数与服务 器端建立连接。连接建立好以后，双方就可以互相通信了。通信完毕，调用c l o s e 0 函数关闭套接字，释放资源。 2 3 2l i n u x 下的多线程编程 2 3 2 1 多线程编程的优点 线程技术早在6 0 年代就被提出，但真正应用多线程到造作系统中去，是在8 0 年代中期，s o l a r i s 是这方面的佼佼者。传统的u n i x 也支持线程的概念，但是在一 个进程中只允许有一个线程，这样多线程就意味着多进程。现在，多线程技术已 经被许多操作系统所支持，包括w i n d o w s n t ，当然也包括l i n u x 。线程与进程相 比，有以下优点【1 2 j ： 第一：和进程相比，它是一种非常“节俭 的多任务操作方式。在l i n u x 系统 下，启动一个新的进程必须分配给它独立的地址空间，建立众多的数据表来维护 它的代码段，堆栈段和数据段，这是一种“昂贵”的多任务工作方式。而运行于 一个进程中的多个线程，它们彼此之间使用相同的地址空间，共享大部分数据， 启动个线程花费的空间远远小于启动一个进程所花费的空间，而且，线程间彼 此切换所需的时间也远远小于进程间切换所需要的时间。 第二：多线程之间的通信比较方便。对不同的进程来说，它们具有独立的数 据空间，要进程数据的传递只能通过通信的方式进行，这种法式不仅费时，而且 很不方便。然而，对于不同的进程来说，由于同一进程下的线程之间共享数据空 间，所以一个线程的数据可以直接为其它线程所用，这不仅快捷，而且方便。当 然，数据的共享也带来其他一些问题，有的变量不可以同时被两个线程所修改， 有的子程序中声明为s t a t i c 的数据可能会给多线程程序带来灾难性的打击。 第三：提高应用程序响应。这对图形界面的程序尤其有意义，当一个操作耗 时很长时，整个系统都会等待这个操作，此时，程序不会响应键盘、鼠标、菜单 的操作。而使用多线程技术，将耗时长的操作置于一个新的线程，则可以避免这 种尴尬的局面。 第四：使多c p u 系统更加有效。操作系统会保证当线程数目不大于c p u 数目 时，不同的线程运行于不同的c p u 上。 第五：可以改善程序结构。一个既长又复杂的进程可以考虑分为多个线程， 成为几个独立或半独立的运行部分，这样的程序会利于理解和修改。 第二章量子通信网络 1 7 2 3 2 2 线程的数据处理数据 1 线程数据 在单线程的程序里，有两种基本的数据：全局变量和局部变量。但在多线程 程序里，还有第三种数据类型：线程数据( t s d - t h r e a d s p e c i f i cd a t a ) 。它和全 局变量很像，在线程内部，各个函数可以像使用全局变量一样调用它，但它对线 程外部的其它线程是不可见的。这种数据的必要性是显而易见的。 2 互斥锁 互斥锁用来保证一段时间内只有一个线程在执行一段代码。必要性显而易见： 假设各个线程向同一个文件顺序写入数据，最后得到的结果一定是灾难性的。 p t h r e a d声明开始用互斥锁上锁，此后的代码直至调用mutex l o c k p t h r e a d为止，均被上锁，即同一时间只能被一个线程调用执行。当mutex u n l o c k 一个线程执行到p t h r e a d处时，如果该锁此时被另一个线程使用，那此mutex l o c k 线程被阻塞，即程序将等待到另一个线程释放此互斥锁。 3 条件变量 前面我们讲述了如何使用互斥锁来实现线程间数据的共享和通信，互斥锁一 个明显的缺点是它只有两种状态：锁定和非锁定。而条件变量通过允许线程阻塞 和等待另一个线程发送信号的方法弥补了