足球烯結構的多用戶網絡系統及其量子密鑰分發方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及量子通信、自組織路由領域，具體涉及足球烯結構的多用戶網絡系統及其密鑰分發方法。
【背景技術】
[0002]量子密碼學是一門信息科學、量子力學和密碼學結合的新興交叉學科，是量子力學和信息科學在密碼學中的應用，主要涉及量子物理學、信息科學和計算機科學等多種學科，具有潛在的應用價值和重大的科學意義。量子通信是指利用量子效應進行信息傳遞的一種新型通信方式，量子測不準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]量子遠程傳態利用收發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，被廣泛應用于量子通信網絡中。基于量子遠程傳態和糾纏交換可以實現多節點遠距離通信，為復雜結構無線量子通信網絡的研究奠定了基礎。
[0004]在量子通信技術中，點對點的兩方量子密鑰分發技術已經趨于成熟，但是其光子利用率和傳輸穩定性還需要進一步地加強，同時，隨著世界信息化的發展，越來越多的復雜光纖網絡被建立并投入運行。QKD未來面臨的一個重要的實際問題是需要基于一對一的通信方式發展成一對N，N對一，甚至N對N的量子密鑰分發網絡，同時可進行量子網絡和經典通信多網絡的融合，以此來避免量子通信必須建立專用網絡重大投入，滿足快捷的多用戶通
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[0005]經典通信的移動自組織網絡是一種分布式的無線網絡系統，在組網過程中無需預設基礎設施和中心管理結構，所有網絡中的節點都具備路由能力。移動自組織網絡已經有了接近四十年的發展歷史，上世紀70年代，美國國防部高級計劃研究局(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，傳統基站通訊結構在臨時性環境中不可行，在這種情況下移動自組織的概念被提出來，它通過提供無需預先布置固定基礎設施的多條通信網絡，能夠有效地解決上述移動變化的問題。由于移動自組織網絡的快捷與有效性，在很多領域都已廣泛應用。
[0006]近年來移動自組織網絡在量子通信中得到應用。量子通信網絡將信息通過量子態編碼傳遞，突破現有網絡的物理極限，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。多用戶網絡化的要求推動了量子通信和經典通信融合網絡技術的發展，量子通信自組織網絡便是其中的一種，其量子密鑰分發的安全性和能夠適應網絡結構的變化的特點逐漸受到重視。
[0007]基于自組織技術的量子通信網絡得到了研究和發展，研究了量子通信網絡中的信道編碼和網絡容量問題進行了研究并設計相關協議，研究了基于糾纏關聯的數據鏈路層量子通信協議，并在此基礎設計了用于量子通信網絡的選擇重傳量子同步通信協議，有效提高了量子通信網絡數據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絡協議的設計分析奠定了基礎，但大部分工作基于簡單網絡結構和尋址的有線量子通信網絡，如點對點、星型網絡結構等，對復雜結構的無線量子通信網絡研究較少，因此有待開發一種使用方便，安全性高，能夠實現N對N的結構化網絡系統，并利用基于量子遠程傳態的量子密鑰分發系統和方法。
【發明內容】
[0009]本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種使用方便，安全性高，能夠實現N對N的結構化網絡系統，并利用基于量子遠程傳態的量子密鑰分發原理建立足球烯結構的多用戶網絡系統及其量子密鑰分發方法。
[0010]為實現上述目的，本發明采用以下技術方案:
[0011]本發明的技術方案是這樣實現的:足球烯結構的多用戶網絡系統，包括C60分子結構的自組織網絡結構，所述自組織網絡結構包括60個節點；
[0012]其中，所述自組織網絡結構中每個節點存在糾纏粒子對作為信息傳遞資源，可以進行糾纏粒子對的制備；
[0013]任意相鄰的節點之間存在兩條信道，分別為經典信道和量子信道；
[0014]任意相鄰的節點之間可以直接通信，非相鄰節點可以通過其他節點的信息轉發實現通信；
[0015]每個節點既可以作為通信的主機也作為路由器，并且每個節點即可以做密鑰信息的發送端又可以做密鑰信息接收端，還可以作為密鑰信息發送的中間通信端；
[0016]所述自組織網絡結構進行量子密鑰通信時:首先通過所述節點進行路由信息的轉發，確定從源節點到目的節點的最優路徑;確定最優路徑后，進行反向路由，確定最終路徑；最后通過選擇的最終路徑，進行基于糾纏態的量子遠程傳態；
[0017]所述節點表示自組織網絡結構量子密鑰通信的用戶端。
[0018]優選地，確定從源節點到目的節點的最優路徑過程包括:源節點播送路由請求消息，中間節點處理路由信息尋找路徑；目的節點進行反向路由并確定最終路由路徑三個過程；
[0019]優選地，每個節點維護一個路由表，所述路由表中包含目的節點地址，下一跳節點地址，路由度量值以及路由的有效時間。
[0020]優選地，所述源節點播送路由請求消息具體為:若源節點的路由表中不存在到目的節點的有效路由，當源節點需要量子信息傳遞時，那么從源節點廣播一個路由請求消息。
[0021]優選地，當源節點廣播路由請求消息后，中間節點收到該路由請求消息，并對其進行處理:
[0022]所述中間節點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點的反向路由；更新路由請求消息中上一跳的節點地址為當前節點地址，并將跳數值加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:將本節點與發送路由請求消息的節點間所擁有的糾纏粒子對數目為N。;根據源節點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，以避免多次重復廣播相同路由請求消息以及在不存在量子信道的節點間廣播路由消息。
[0024]優選地，所述目的節點接收來自不同相鄰節點的相同路由請求消息，并且統計收到的總的路由請求消息。
[0025]優選地，所述目的節點收到路由請求消息后，在一段時間內處理對所有收到的路由請求消息進行處理:所述目的節點對比各節點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最小的路徑作為通信路徑。
[0026]優選地，所述通信路徑選擇后，目的節點產生路由應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點；當所述路由應答消息處理結束后，源節點收到路由應答消息，在路由表中添加至目的節點路由信息，建立從源節點到目的節點的路由，完成最終路徑確定，節點可以通過所選最終路徑進行量子信息傳遞