基于量子密鑰分發(fā)的可信光網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)

北京郵電大學(xué)信息光子學(xué)與光通信國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100876

1 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展以及云計(jì)算和大數(shù)據(jù)的迅速興起，光網(wǎng)絡(luò)承載的數(shù)據(jù)流量及業(yè)務(wù)大幅增加。作為重要的信息基礎(chǔ)設(shè)施，高速大容量的寬帶光通信網(wǎng)絡(luò)的安全問題日趨顯著，經(jīng)典通信保密的“計(jì)算安全性”手段已經(jīng)無法保證傳輸和網(wǎng)絡(luò)的安全。量子通信網(wǎng)絡(luò)的安全性由“測量塌縮理論”、“海森堡測不準(zhǔn)原理”和“量子不可克隆定律”[1-2]的量子力學(xué)基本定律保證，具有理論上“無條件安全”、“一次一密”[3-4]的優(yōu)勢，成為世界各國在網(wǎng)絡(luò)安全方面的研究熱點(diǎn)。我國“十三五”規(guī)劃將量子通信作為十大重點(diǎn)推進(jìn)項(xiàng)目之一，美國國防部和國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所將量子信息作為重點(diǎn)研究方向之一，歐洲發(fā)布了近十億歐元的量子項(xiàng)目計(jì)劃，日本提出了量子通信的長期研究戰(zhàn)略。將量子通信引入光網(wǎng)絡(luò)中作為安全支撐網(wǎng)可以有效避免通信及互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展帶來的信息安全風(fēng)險(xiǎn)，利用量子密鑰保證光網(wǎng)絡(luò)的絕對安全，具有十分重要的創(chuàng)新價(jià)值與實(shí)用意義。

2 量子密鑰分發(fā)

量子網(wǎng)絡(luò)中的量子信道傳輸?shù)氖菃喂庾有盘?，單個(gè)光量子信號的產(chǎn)生、發(fā)送、傳輸、存儲(chǔ)、交換、接收等問題都需要進(jìn)一步研究。量子通信與光網(wǎng)絡(luò)的研究包含量子與經(jīng)典信號混傳、量子中繼(可信中繼)部署、量子密鑰分發(fā)與共享、量子與光網(wǎng)絡(luò)混合組網(wǎng)、量子編碼、量子存儲(chǔ)等研究方向。其中，量子秘鑰分發(fā)(Quantum Key Distribution，QKD)是量子網(wǎng)絡(luò)保證安全通信的核心，用來實(shí)現(xiàn)合法節(jié)點(diǎn)之間安全通信的密鑰協(xié)商，光網(wǎng)絡(luò)結(jié)合QKD可以實(shí)現(xiàn)絕對安全保密通信。

典型的點(diǎn)對點(diǎn)QKD通信鏈路如圖1所示，QKD需要借助兩條信道：經(jīng)典信道和量子信道，由于鋪設(shè)和租用光纖成本高，所以研究量子與經(jīng)典信息在一根光纖中復(fù)用傳輸可以有效節(jié)省成本，提高光纖利用率，具有十分重要的意義。QKD通過單光子量子態(tài)的處理，結(jié)合“一次一密”加密體制，實(shí)現(xiàn)通信雙方密鑰的生成與共享，且QKD可以保證Alice和Bob發(fā)現(xiàn)竊聽者Eve的存在，從而確保密鑰的絕對安全通信。自1984年Bennett和Brassard[4]提出首個(gè)QKD協(xié)議——BB84協(xié)議以來，量子通信逐漸從理論走向現(xiàn)實(shí)，后來又陸續(xù)出現(xiàn)了B92協(xié)議[5]、六態(tài)協(xié)議[6]、E91協(xié)議[7]等。

圖1 典型的點(diǎn)對點(diǎn)QKD鏈路

QKD按照傳輸信道不同可以分為光纖QKD和自由空間QKD，自由空間QKD受環(huán)境的影響較大，目前利用單光子結(jié)合相位編碼或偏振編碼等方式實(shí)現(xiàn)光纖QKD的技術(shù)較成熟。1989年，Bennett等[8]最早利用偏振編碼和BB84協(xié)議實(shí)現(xiàn)了32cm的自由空間QKD。1993年，英國國防研究部率先利用相位編碼實(shí)現(xiàn)了基于BB84協(xié)議的10Km光纖QKD，自此通信距離成為光纖QKD討論的熱點(diǎn)。

QKD按交換節(jié)點(diǎn)不同可分為基于光節(jié)點(diǎn)(光開關(guān)、光分束器、波分復(fù)用器等)QKD、基于可信中繼QKD和基于量子中繼QKD。在基于光節(jié)點(diǎn)的QKD方面：1)最早由Townsend等于1997年實(shí)現(xiàn)了光纖QKD采用分束器實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對多點(diǎn)的QKD[9]，但光量子通過量子信道到達(dá)接收端的隨機(jī)性使得QKD效率低，難以擴(kuò)大規(guī)模；2)Toliver等在2003年率先搭建了基于光開關(guān)的QKD系統(tǒng)[10]，2006年，NTT研究小組Honjo等利用相位編碼和Mach-Zehnder干涉環(huán)搭建了基于光開關(guān)的QKD系統(tǒng)[11]，獲得了較高的QKD速率及較低的誤碼率，但光開關(guān)引入的插入損耗和串?dāng)_影響了QKD的距離和覆蓋范圍，可拓展性較差，不利于靈活配置；3)基于波分復(fù)用器的QKD網(wǎng)絡(luò)規(guī)模受光纖帶寬及波長通道間隔限制。

由于QKD不能進(jìn)行光信號放大處理，傳輸距離受限，因此可以進(jìn)一步延長最大安全距離的量子中繼開始被提出，但量子中繼大多基于糾纏光子對或量子存儲(chǔ)，技術(shù)難度較大，目前難以實(shí)用化。于是，可信中繼作為延長QKD距離的折中方案開始被采納，其基本模型如圖2所示，Alice與可信中繼的RX1、可信中繼的TX2與RX2、可信中繼的TX3與Bob分別共享密鑰K1、K2、K3。于是，Alice與Bob之間的保密通信可以借助可信中繼通過使用量子密鑰K1、K2和K3連續(xù)加密解密最終獲取全局密鑰，可信中繼的安全性決定了QKD過程的安全。因此，通過部署多個(gè)可信中繼，QKD的距離可以被大大延長。

圖2 QKD可信中繼的方案模型

圖3給出了一些國內(nèi)外QKD網(wǎng)絡(luò)的邏輯鏈路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。美國DARPA量子網(wǎng)絡(luò)[12]是在主干網(wǎng)中利用光開關(guān)，并利用可信中繼擴(kuò)展連接多個(gè)子網(wǎng)；歐洲SECOQC網(wǎng)絡(luò)[13]和日本Tokyo的QKD網(wǎng)絡(luò)[14]中都利用了可信中繼技術(shù)構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，國內(nèi)的量子網(wǎng)絡(luò)技術(shù)走在世界前列，中科大研發(fā)設(shè)計(jì)了基于波分復(fù)用器制作的全時(shí)全通量子路由器，并以其為核心搭建了北京四節(jié)點(diǎn)星型QKD網(wǎng)絡(luò)[15]和安徽蕪湖多層次“量子政務(wù)網(wǎng)”[16]；2012年，中科大與科大國盾量子技術(shù)股份有限公司合作開通了安徽合肥城域量子通信試驗(yàn)網(wǎng)；2013年，山東量子科學(xué)技術(shù)研究院有限公司建成了山東濟(jì)南量子通信試驗(yàn)網(wǎng)；2014年，量子保密通信“京滬干線”項(xiàng)目通過專家評審并開始建設(shè)，計(jì)劃于2016年底建成北京到上海之間的長距離光纖量子通信骨干網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)主干網(wǎng)QKD、廣域及局域數(shù)據(jù)傳輸與通信；2015年，由山東量子科學(xué)技術(shù)研究院有限公司牽頭承擔(dān)的國家863計(jì)劃項(xiàng)目——“光纖量子通信綜合應(yīng)用演示網(wǎng)絡(luò)”通過驗(yàn)收，項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了多用戶環(huán)境下的QKD網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用演示，推動(dòng)了以QKD為核心的量子網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。

3 基于QKD的可信光網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)

圖3 QKD網(wǎng)絡(luò)的邏輯鏈路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

光網(wǎng)絡(luò)是目前通信骨干網(wǎng)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，IP業(yè)務(wù)是光網(wǎng)絡(luò)承載的主要業(yè)務(wù)，主要技術(shù)體現(xiàn)為IP over WDM、IP over EON、SDON等。隨著光網(wǎng)絡(luò)傳輸容量和速度的不斷提升以及靈活性和智能化的不斷增強(qiáng)，利用量子通信增強(qiáng)光網(wǎng)絡(luò)安全性的量子光網(wǎng)絡(luò)概念開始被提出[17-19]，利用QKD技術(shù)產(chǎn)生量子密鑰對經(jīng)典光網(wǎng)絡(luò)信道進(jìn)行加密，可實(shí)現(xiàn)“一次一密”的絕對安全保密通信。

本文提出的基于QKD技術(shù)的可信光網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)如圖4所示，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)主要包括四層，由上往下依次是應(yīng)用層、IP層、光網(wǎng)絡(luò)層和QKD層。每層資源通過中央控制器(Controller)統(tǒng)一控制與調(diào)度，中央控制器中可采用多個(gè)控制器(如應(yīng)用控制器、IP控制器、光網(wǎng)絡(luò)控制器和QKD控制器)協(xié)同工作實(shí)施控制；分別在IP層和光網(wǎng)絡(luò)層部署IP路由器和光交叉連接設(shè)備(OXC)，并在QKD層利用可信節(jié)點(diǎn)(Trusted-node)實(shí)現(xiàn)量子中繼。IP層靈活和統(tǒng)計(jì)復(fù)用的優(yōu)勢可以實(shí)現(xiàn)小粒度業(yè)務(wù)流的適配，光網(wǎng)絡(luò)層大容量和高傳輸速率的優(yōu)勢可有效擴(kuò)展現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)帶寬，提升網(wǎng)絡(luò)資源利用率。QKD層可以實(shí)現(xiàn)量子密鑰生成控制、密鑰管理、加解密等多項(xiàng)功能，當(dāng)光網(wǎng)絡(luò)層、IP層和應(yīng)用層向控制器發(fā)送安全通信請求時(shí)，由QKD控制器控制QKD層為上層分配量子密鑰支撐上層光層、IP層以及應(yīng)用層的安全保密通信。

利用中央控制器統(tǒng)一管控的基于QKD的可信光網(wǎng)絡(luò)可以方便網(wǎng)絡(luò)配置和管理，合理調(diào)度和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源，靈活地分發(fā)和管理量子密鑰，有效提升光網(wǎng)絡(luò)的安全性和資源利用率，更好地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和密鑰的可編程化。

4 量子光網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)

圖4 基于QKD技術(shù)的可信光網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)

量子密鑰的傳輸與經(jīng)典光網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的兼容性是影響量子光網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵因素之一，直接影響到網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)成本與資源利用率。QKD信道傳輸單個(gè)光量子信號，其在1 550nm處的光脈沖能量約為1.28×10-19J[20]。在前期的一些實(shí)驗(yàn)中，QKD系統(tǒng)大多使用單獨(dú)的光纖(暗光纖)，安全QKD距離可以長達(dá)250Km，并且在光纖點(diǎn)到點(diǎn)連接的情況下，可以的達(dá)到Mb/s級的速率[21-23]。由于鋪設(shè)或租用光纖資源的成本高，將QKD與經(jīng)典信息復(fù)用進(jìn)單根光纖中通信的需求日益增加，Townsend等[24]在1997年首次針對QKD將量子與經(jīng)典信道結(jié)合實(shí)施了WDM技術(shù)復(fù)用傳輸28Km的實(shí)驗(yàn)。隨后，量子信道開始引入O波段(1 260nm-1 360nm)實(shí)現(xiàn)與經(jīng)典信道的C波段(1 530nm-1 565nm)的WDM技術(shù)復(fù)用通信[25-26]，較大的波段間隔可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)通道的有效隔離，但是O波段相比C波段引入了更多的損耗，限制了微弱的光量子信號的傳輸距離和速率。

量子信號在光纖中傳輸受到的損耗和干擾都會(huì)嚴(yán)重影響QKD的安全性和穩(wěn)定性，為了將微弱的量子信號與密集的經(jīng)典信號使用WDM技術(shù)復(fù)用傳送，需要解決兩個(gè)問題：1)經(jīng)典光通信光子數(shù)量多，需要實(shí)施有效隔離防止量子信號被經(jīng)典光淹沒；2)拉曼散射和四波混頻效應(yīng)產(chǎn)生的非線性噪聲可能導(dǎo)致量子信號嚴(yán)重惡化。目前，有多項(xiàng)研究成果提出了不同的解決方案，如圖5所示，He等[27]提出了一種非均勻波長間隔的C波段WDM網(wǎng)絡(luò)經(jīng)典與量子信號的混傳機(jī)制，可以有效抑制四波混頻噪聲效應(yīng)的影響；Wang等[28]開發(fā)了多級帶阻濾波技術(shù)，利用多級濾波器實(shí)現(xiàn)了量子信道、同步信道和經(jīng)典信道的有效隔離，量子信號和同步信號的波長分別為1 550.12nm和1 556.55nm，量子誤碼率低至0.9%～2%，實(shí)現(xiàn)了在光纖中傳輸距離可達(dá)45Km的QKD實(shí)驗(yàn)；Silva等[29]研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)典與量子信道均盡量靠近長波長位置可以避免拉曼噪聲，工作在遠(yuǎn)離光纖零色散波長處可以有效降低量子信道中四波混頻的產(chǎn)生，且降低檢測帶寬有望減少拉曼噪聲和延長QKD的距離。

量子與經(jīng)典信號混傳是基于QKD的可信光網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù)，從量子組網(wǎng)和降低損耗與干擾角度考慮，應(yīng)當(dāng)選用C波段作為量子通信信道實(shí)現(xiàn)與經(jīng)典光網(wǎng)絡(luò)的復(fù)用融合?，F(xiàn)有量子通信系統(tǒng)的傳輸距離較短、速率較低，需要部署量子中繼實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子光網(wǎng)絡(luò)，量子密鑰的安全可信中繼技術(shù)、遠(yuǎn)距離傳輸中強(qiáng)光信號對量子密鑰信號的干擾控制技術(shù)、支持量子密鑰與經(jīng)典光信號的節(jié)點(diǎn)多維交換技術(shù)等仍需進(jìn)一步探索。

5 量子光網(wǎng)絡(luò)面臨問題及發(fā)展前景

隨著網(wǎng)絡(luò)虛擬化與智能化的發(fā)展，光網(wǎng)絡(luò)面臨的信息安全風(fēng)險(xiǎn)種類多、范圍大且層次不斷深入，通過量子通信為光網(wǎng)絡(luò)提供一種理論上絕對安全的保密方案，能有效保證電信骨干網(wǎng)絡(luò)及通信網(wǎng)的安全性、提升帶寬利用率并降低管理的復(fù)雜度。QKD以及量子光網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)正不斷向?qū)嵱没较虬l(fā)展，量子網(wǎng)絡(luò)逐漸從點(diǎn)對點(diǎn)的初級階段向多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的QKD與經(jīng)典光網(wǎng)絡(luò)融合交換的方向深入發(fā)展。隨著2016年8月16日中國“墨子號”量子通信衛(wèi)星的發(fā)射成功，量子通信網(wǎng)絡(luò)正朝著天地一體化的方向發(fā)展，有利于推進(jìn)量子光網(wǎng)絡(luò)的城域及廣域互聯(lián)互通。

圖5 量子與經(jīng)典信息混傳的解決方案

QKD具有理論上的“絕對安全”和“一次一密”的優(yōu)勢，將其引入到光網(wǎng)絡(luò)中可以在很大程度上提升光網(wǎng)絡(luò)的安全性，同時(shí)光網(wǎng)絡(luò)作為重要的信息基礎(chǔ)設(shè)施可以為量子密鑰傳送提供可靠的通信管道資源。圖6給出了未來量子光網(wǎng)絡(luò)面臨的具體問題與發(fā)展前景。1)降低成本。量子與經(jīng)典信息混傳是實(shí)現(xiàn)利用QKD保證光網(wǎng)絡(luò)絕對安全的關(guān)鍵技術(shù)，有利于降低光纖的鋪設(shè)以及管理和維護(hù)成本。如何有效減少串?dāng)_，保證WDM網(wǎng)絡(luò)中量子與經(jīng)典信道的有效隔離、量子與經(jīng)典信號波段的選擇、QKD距離與速率的進(jìn)一步提升仍需要探索。2)增強(qiáng)靈活，目前光網(wǎng)絡(luò)引入了大量新的研究方向，如靈活柵格光網(wǎng)絡(luò)、軟件定義光網(wǎng)絡(luò)、光載無線通信技術(shù)等，如何將智能化、軟定義的思想運(yùn)用于量子可信光網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)、可增強(qiáng)靈活性和智能化的量子密鑰可編程光網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建、量子可信光網(wǎng)絡(luò)中路由頻譜分配(RSA)算法、信令機(jī)制等仍需要進(jìn)一步探討。3)方便管理，量子密鑰對于保證光網(wǎng)絡(luò)的安全至關(guān)重要，空天網(wǎng)絡(luò)管理中心和光網(wǎng)絡(luò)中量子密鑰的管理與更新、量子密鑰池的構(gòu)建與動(dòng)態(tài)分配、空天密鑰管理中心的搭建、可信中繼的部署、量子光網(wǎng)絡(luò)的彈性升級都需要進(jìn)一步研究。

圖6 量子光網(wǎng)絡(luò)面臨問題與發(fā)展前景

6 結(jié)束語

隨著城域及廣域量子試驗(yàn)網(wǎng)的落地、光網(wǎng)絡(luò)智能技術(shù)的不斷發(fā)展以及QKD技術(shù)的實(shí)用化，量子通信將成為未來支撐光網(wǎng)絡(luò)安全的關(guān)鍵技術(shù)，本文提出了基于QKD的可信光網(wǎng)絡(luò)的體系架構(gòu)，并討論了量子光網(wǎng)絡(luò)面臨的問題與發(fā)展前景。QKD現(xiàn)有的傳輸速率低、距離短等問題使量子光網(wǎng)絡(luò)的推進(jìn)面臨巨大的挑戰(zhàn)，可信中繼部署、密鑰池分配與管理等技術(shù)仍需進(jìn)一步探索。基于QKD的可信光網(wǎng)絡(luò)可有效保證光網(wǎng)絡(luò)的絕對安全，避免第三方竊聽帶來的信息安全風(fēng)險(xiǎn)，在金融、電力、政務(wù)、軍事等領(lǐng)域具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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