本发明涉及一种基于Mesh结构的量子通信网络的路由方法，属于量子通信以及信息传输技术。
背景技术：
：量子通信技术是量子论和信息论相结合的领域，是信息领域的研究热点，量子通信技术利用量子不可复制、瞬时性、不可逆、非局域性等特性，做到绝对安全通信，是未来通信技术发展的重要战略方向。将信息通过量子传输的量子通信网络也成为量子通信技术需要研究的热点问题。量子通信网络可以通过两种载体传输量子信息：单量子态和纠缠态。对量子测量，采用纠缠态粒子量子远程传态不需要直接传输量子，可以由多个节点组成量子通信网络，实现远距离多跳传输。进行量子通信需要可靠的经典网络，需要满足可靠性和有效性的网络的运行。Mesh网络(无线网格网络)，它是多跳网络，是adhoc网络发展而来，具有以下五大优势：易于快速部署和安装、NLOS(非视距传输)、健壮性、灵活性、高宽带。基于Mesh结构的量子通信网络也具有网络结构上的可靠性和灵活性。基于Mesh结构的量子通信网络结构与传统Mesh网络相似，区别在于节点间除了经典的无线信道外，还存在量子信道，该量子信道由节点间共享纠缠粒子对构成。目前基于Mesh结构的量子信息的研究工作主要集中于在Mesh结构网络中分发量子秘钥，但对Mesh结构量子通信网络的研究还比较少见。技术实现要素：发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于Mesh结构的量子通信网络的路由方法，通过按需寻路并且建立量子信道的方法，更安全地实现信息的量子态传输。技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于Mesh结构的量子通信网络的路由方法，包括如下步骤：(1)接入网中的源节点向量子Mesh网络中的骨干网边缘节点发送路由请求消息，所述骨干网边缘节点与所述源节点相连；(2)所述骨干网边缘节点接收到源节点发送的路由请求消息后，查询自身的路由表，确认目的节点和源节点是否在同一接入网：若在同一接入网，则通过该骨干网边缘节点的路由表建立连接，实现源节点与目的节点的通信；若不在同一接入网，则通过该骨干网边缘节点修改路由请求消息，并向其所属的骨干网次边缘节点发送修改后的路由请求消息；(3)所述骨干网次边缘节点接收到骨干网边缘节点发送的路由请求消息后，查询自身的路由表，确认目的节点是否在自己的网络中：若在自己的网络中，则根据路由请求消息建立连接，实现源节点与目的节点的通信；若不在自己的网络中，则通过该骨干网次边缘节点修改路由请求消息，并向骨干网内广播修改后的路由请求消息；(4)确定与目的节点相连的骨干网次边缘节点；(5)与目的节点相连的骨干网次边缘节点接收到路由请求消息后，将路由请求消息发送给自己网络中与目的节点相连的骨干网边缘节点，进入步骤(6)；(6)确定与目的节点相连的骨干网边缘节点后，通过该骨干网边缘节点选择源节点与目的节点间的通信路径，对该骨干网边缘节点的两个粒子进行Bell基测量并产生路由应答消息，通过该骨干网边缘节点将路由应答消息发送给通信路径上的上一跳节点，进入步骤(7)；所述骨干网边缘节点的两个粒子分别为：①该骨干网边缘节点与上一跳节点间的纠缠粒子，②该骨干网边缘节点与目的节点间的纠缠粒子；(7)通信路径上的中间节点接收到路由应答消息后，对该中间节点的两个粒子进行Bell基测量并更新路由应答消息，通过该中间节点将更新后的路由应答消息发送给通信路径上的上一跳节点，直至通信路径上的上一跳节点为源节点，进入步骤(8)；所述中间节点的两个粒子分别为：①该中间节点与上一跳节点间的纠缠粒子，②该中间节点与下一跳节点的纠缠粒子；(8)源节点接收到路由应答消息后，对源节点的两个粒子进行Bell基测量并产生测量结果数据包，所述测量结果数据包包括源节点地址、目的节点地址和通信路径上各个节点的Bell基测量值；源节点沿通信路径将测量结果数据包发送给目的节点，进入步骤(9)；所述源节点的两个粒子分别为：①源节点与信息携带粒子间的纠缠粒子，②源节点与下一跳节点间的纠缠粒子；(9)目的节点对测量结果数据包中各个节点的Bell基测量值进行幺正变换，得到所需要的量子态，完成量子通信。具体的，所述步骤(1)中，源节点发送的路由请求消息包括如下属性：消息类型、源节点、目的节点、源节点序列号、地址和度量值，度量值为0；源节点每发送一次路由请求消息，下一跳的节点判断路由请求消息是否丢弃，将判断不丢弃的路请求消息认定为新的路由请求消息，该下一跳节点对新的路由请求消息进行更新，更新的第一步即先将度量值加1。具体的，所述步骤(2)具体包括如下步骤：(21)骨干网边缘节点接收到源节点发送的路由请求消息后，将该路由消息与该骨干网边缘节点保存的历史路由请求消息进行对比：若存在源节点、目的节点和源节点序列号相同，同时度量值小于等于该路由请求消息的历史路由请求消息，则丢弃该路由请求消息；否则，进入步骤(22)；(22)先将路由请求消息的度量值加1，然后根据路由请求消息的源节点、目的节点、源节点序列号、地址和度量值更新该骨干网边缘节点路由表的源节点、目的节点、源节点序列号、地址和度量值，进入步骤(23)；(23)该骨干网边缘节点查询目的节点是否在自身路由表的终端列表项内：若在，则进入步骤(24)；否则，进入步骤(25)；(24)通过该骨干网边缘节点选择源节点与目的节点间的通信路径；(25)使用该骨干网边缘节点的地址修改路由请求消息的地址，并向该骨干网边缘节点所属的骨干网次边缘节点发送修改后的路由请求消息。具体的，所述步骤(3)具体包括如下步骤：(31)骨干网次边缘节点接收到骨干网边缘节点发送的路由请求消息后，将该路由消息与该骨干网次边缘节点保存的历史路由请求消息进行对比：若存在源节点、目的节点和源节点序列号相同，同时度量值小于等于该路由请求消息的历史路由请求消息，则丢弃该路由请求消息；否则，进入步骤(32)；(32)先将路由请求消息的度量值加1，然后进入步骤(33)；(33)该骨干网次边缘节点根据自身路由表的边缘节点列表项与终端列表项查询是否存在目的节点链路：若存在，则进入步骤(34)；否则，进入步骤(35)；(34)将修改后的路由请求消息按照目的节点链路逐跳地发送给与目的节点相连的骨干网边缘节点，通过该骨干网次边缘节点选择源节点与目的节点间的通信路径；(35)使用该骨干网次边缘节点的地址修改路由请求消息的地址，并向骨干网内广播修改后的路由请求消息。具体的，所述步骤(4)中，确定与目的节点相连的骨干网次边缘节点的具体过程如下：(41)骨干网次边缘节点接收到一个路由请求消息后，将该路由消息与该骨干网次边缘节点保存的历史路由请求消息进行对比：若存在源节点、目的节点和源节点序列号相同，同时度量值小于等于该路由请求消息的历史路由请求消息，则丢弃该路由请求消息；否则，进入步骤(42)；(42)先将路由请求消息的度量值加1，然后该骨干网次边缘节点向与之相连的骨干网边缘节点广播修改后的新的路由请求消息，进入步骤(43)；(43)骨干网边缘节点接收到该骨干网次边缘节点发送的路由请求消息后，该骨干网边缘节点查询目的节点是否在自身路由表的终端列表项内：若在，则进入步骤(44)；否则，进入步骤(45)；(44)通过该骨干网边缘节点选择源节点与目的节点间的通信路径；(45)丢弃该路由请求信息。具体的，所述步骤(6)中，通过骨干网边缘节点选择源节点与目的节点间的通信路径的方法如下：确定与目的节点相连的骨干网边缘节点后，该骨干网边缘节点的上一跳节点将接收到的路由请求消息与该上一跳节点保存的历史路由请求消息进行对比：若不存在源节点、目的节点和源节点序列号均相同的历史路由请求消息，则认为该路由消息为新的路由消息，将该路由请求消息作为历史路由请求消息并保存一个等待时间；若存在源节点、目的节点和源节点序列号，则认为该路由消息为重复的路由消息，将度量值小的路由请求消息作为历史路由请求消息并保存一个等待时间；一个等待时间结束后，根据该上一跳节点最终的路由表确定通信路径。本发明中，骨干网边缘节点是指直接与接入网连接(存在经典信道和量子信道)的节点，并且骨干网边缘节点保存接入网节点的信息表；骨干网次边缘节点是与骨干网边缘节点直接相连的接入网节点，并且骨干网次边缘节点存在保存与之相连的骨干网边缘节点的信息表；即骨干网次边缘节点建立小型的区域，其中包括骨干网边缘节点，并记录骨干网边缘节点连接的接入网信息；接入网节点间通信时，骨干网次边缘节点起到控制作用。有益效果：本发明提供的基于Mesh结构的量子通信网络的路由方法，通过按需寻路并且建立量子信道的方法，能够更安全地实现信息的量子态传输。附图说明图1为实施例的应用场景示意图。具体实施方式下面结合附图对本发明作更进一步的说明。如图1所示为由节点E～I组成的Mesh量子骨干网，节点E～I组成Mesh量子骨干网，其中E、F和G为骨干网边缘节点，H和J为骨干网次边缘节点，I是其他节点，A～D为终端节点，实线表示节点间存在无线信道，虚线表示节点间存在量子信道。我们对消息格式进行如下定义：表0-1消息格式<1>路由消息类型<2>源节点<3>目的节点<4>源节点序列号<5>地址<6>度量值<7>测量结果其中：<1>路由消息类型的取值为：00-终端路由请求，01-路由应答请求，10-测量结果数据包；<4>源节点序列号表示不同路由请求消息，其值依次递增。下面根据源节点和目标节点的不同，对各种通信路径进行说明。情况一：目标节点和源节点连接在同一骨干网边缘节点上(举例：A→B)Step11：源节点A向骨干网边缘节点E发送路由请求消息，消息格式如下：表1-1<1>路由消息类型00<2>源节点A<3>目的节点B<4>源节点序列号1<5>地址A<6>度量值0Step12：骨干网边缘节点E收到路由请求消息后，检查自身路由表的终端列表项存在目标节点B，于是建立通信路径A→E→B，然后对骨干网边缘节点E的两个粒子进行Bell基测量，两个粒子分别是骨干网边缘节点E与目的节点B之间的纠缠粒子、骨干网边缘节点E与源节点A之间的纠缠粒子，随后骨干网边缘节点E以单播方式反向将路由应答消息发送给源节点A，消息格式如下：表1-2<1>路由消息类型01<2>源节点A<3>目的节点B<4>源节点序列号1<5>地址E<6>度量值1<7>测量结果节点E的测量结果Step13：源节点A收到路由应答消息后，对源节点A的两个粒子进行Bell基测量，测量结果数据包沿通信路径发送给骨干网边缘节点E，消息格式如下：表1-3<1>路由消息类型10<2>源节点A<3>目的节点B<4>源节点序列号1<5>地址<6>度量值<7>测量结果节点A的测量结果节点E的测量结果Step14：骨干网边缘节点E将收到的测量结果数据包转发给目的节点B。Step15：目的节点B收到的测量结果数据包，选择相应的幺正变换，得到所传输的量子态，完成通信。情况二：目标节点和源节点不属于同一接入网，而属于同一骨干网次边缘节点所控制网络之间节点的通信(举例：A→C)Step21：源节点A向骨干网边缘节点E发送路由请求消息，消息格式如下：表2-1<1>路由消息类型00<2>源节点A<3>目的节点C<4>源节点序列号2<5>地址A<6>度量值0Step22：骨干网边缘节点E收到路由请求消息后，检查自身路由表的终端列表项不存在目标节点C，因此修改路由请求消息，并将修改后的路由请求消息发送给骨干网次边缘节点H；修改后的路由请求消息格式如下：表2-2<1>路由消息类型00<2>源节点A<3>目的节点C<4>源节点序列号2<5>地址E<6>度量值1Step23：骨干网次边缘节点H收到路由请求后，检查自身路由表发现目标节点C在其所连接的骨干网边缘节点F连接的接入网内，于是建立通信路径A→E→H→F→C，修改路由请求消息，并将修改后的路由请求消息发送给骨干网边缘节点F；修改后的路由请求消息格式如下：表2-3<1>路由消息类型00<2>源节点A<3>目的节点C<4>源节点序列号2<5>地址EH<6>度量值2Step24：骨干网边缘节点F收到路由请求消息后，根据通信路径A→E→H→F→C做Bell基测量，并以单播方式反向将路由应答消息发送给骨干网次边缘节点H，消息格式如下：表2-4<1>路由消息类型01<2>源节点A<3>目的节点C<4>源节点序列号2<5>地址EHF<6>度量值3<7>测量结果节点F的测量结果Step25：依次完成骨干网次边缘节点H做Bell基测量、骨干网边缘节点E做Bell基测量，然后将路由应答消息发送给源节点A，其中骨干网边缘节点E发送的路由应答消息格式为：表2-5<1>路由消息类型01<2>源节点A<3>目的节点C<4>源节点序列号2<5>地址EHF<6>度量值3<7>测量结果节点F的测量结果节点H的测量结果节点E的测量结果Step26：源节点A收到路由应答消息后，对源节点A的两个粒子进行Bell基测量，测量结果数据包沿通信路径发送给骨干网边缘节点E，消息格式如下：表2-6Step27：骨干网边缘节点E将收到的测量结果数据包转发给骨干网边缘节点F。Step28：骨干网边缘节点F将收到的测量结果数据包转发给目的节点C。Step29：目的节点C收到的测量结果数据包，选择相应的幺正变换，得到所传输的量子态，完成通信。情况三：目标节点和源节点属于不同骨干网次边缘节点所控制网络之间节点的通信(举例：A→D)源节点A与目的节点D之间的通信Step31：源节点A向骨干网边缘节点E发送路由请求消息，消息格式如下：表2-1<1>路由消息类型00<2>源节点A<3>目的节点D<4>源节点序列号3<5>地址A<6>度量值0Step32：骨干网边缘节点E收到路由请求消息后，作如下处理：(32.1)通过路由消息类型，判断接收消息为路由请求消息；(32.2)根据路由表的终端列表项判断目的节点D不在所控制网络内；(32.3)修改路由请求信息并发给所连接的骨干网次边缘节点H，修改后的路由请求消息格式如下：表3-2<1>路由消息类型00<2>源节点A<3>目的节点D<4>源节点序列号3<5>地址E<6>度量值1Step33：骨干网次边缘节点H收到路由请求消息后，作如下处理：(33.1)通过路由消息类型，判断接收消息为路由请求消息；(33.2)根据路由表的边缘节点列表项与终端列表项判断目的节点D不在所控制网络内；(33.3)修改路由请求信息并向骨干网广播，修改后的路由请求消息格式如下：表3-3<1>路由消息类型00<2>源节点A<3>目的节点D<4>源节点序列号3<5>地址H<6>度量值2Step34：其他节点I收到路由请求消息后，作如下处理：(34.1)通过路由消息类型，判断接收消息为路由请求消息；(34.2)判断路由表的终端列表项中不存在目的节点D；(34.3)修改路由请求信息并向骨干网广播，修改后的路由请求消息格式如下：表3-4Step35：骨干网次边缘节点J收到路由请求消息后，作如下处理：(35.1)通过路由消息类型，判断接收消息为路由请求消息；(35.2)在等待时间内，对源节点、目的节点和源节点序列号相同的路由请求消息，舍去度量值大的路由请求消息；(35.3)对相同的路由请求消息，在等待时间结束后，根据路由表的边缘节点列表项与终端列表项判断目的节点D在所控制网络内；(35.4)修改路由请求信息并发给所连接的骨干网边缘节点G，修改后的路由请求消息格式如下：表3-5<1>路由消息类型00<2>源节点A<3>目的节点D<4>源节点序列号3<5>地址HJ<6>度量值3Step36：骨干网边缘节点G收到路由请求消息后，作如下处理：(36.1)通过路由消息类型，判断接收消息为路由请求消息；(36.2)在等待时间内，对源节点、目的节点和源节点序列号相同的路由请求消息，舍去度量值大的路由请求消息；(36.3)对相同的路由请求消息，在等待时间结束后，建立通信路径A→E→H→J→G；(36.4)对骨干网边缘节点G的两个粒子进行Bell基测量，两个粒子分别是骨干网边缘节点G与目的节点D之间的纠缠粒子、骨干网边缘节点G与骨干网次边缘节点J之间的纠缠粒子；(36.5)随后骨干网边缘节点G以单播方式反向将路由应答消息发送给骨干网次边缘节点J，消息格式如下：表3-6<1>路由消息类型01<2>源节点A<3>目的节点D<4>源节点序列号3<5>地址EHJG<6>度量值4<7>测量结果节点G的测量结果Step37：骨干网次边缘节点J收到路由应答消息后，作如下处理：(37.1)通过路由消息类型，判断接收消息为路由应答消息；(37.2)对骨干网次边缘节点J进行Bell基测量并更新路由应答消息，以单播方式反向将更新后的路由应答消息发送给骨干网次边缘节点H，消息格式如下：表3-7Step38：骨干网次边缘节点H收到路由应答消息后，作如下处理：(38.1)通过路由消息类型，判断接收消息为路由应答消息；(38.2)对骨干网次边缘节点H进行Bell基测量并更新路由应答消息，以单播方式反向将更新后的路由应答消息发送给骨干网边缘节点E，消息格式如下：表3-8Step39：骨干网边缘节点E收到路由应答消息后，作如下处理：(39.1)通过路由消息类型，判断接收消息为路由应答消息；(39.2)对骨干网次边缘节点H进行Bell基测量并更新路由应答消息，以单播方式反向将更新后的路由应答消息发送给源节点A，消息格式如下：表3-9<1>路由消息类型01<2>源节点A<3>目的节点D<4>源节点序列号3<5>地址EHJG<6>度量值4<7>测量结果节点G的测量结果节点J的测量结果节点H的测量结果节点E的测量结果Step310：源节点A收到路由应答消息后，作如下处理：(310.1)通过路由消息类型，判断接收消息为路由应答消息并且自身为源节点；(310.2)对源节点A进行Bell基测量，测量结果数据包沿通信路径发送给骨干网边缘节点E，消息格式如下：表3-10<1>消息类型10<2>源节点A<3>目的节点D<4>序列号3<5>地址EHJG<6>度量值4<7>测量结果节点G的测量结果节点J的测量结果节点H的测量结果节点E的测量结果节点A的测量结果Step311：骨干网边缘节点E将收到的测量结果数据包，作如下处理：(311.1)通过路由消息类型，判断接收消息为测量结果数据包；(311.2)以单播方式将测量结果数据包发送给骨干网边缘节点G。Step312：骨干网边缘节点G将收到的测量结果数据包，作如下处理：(312.1)通过路由消息类型，判断接收消息为测量结果数据包；(312.2)以单播方式将测量结果数据包发送给目的节点D。Step313：目的节点D将收到的测量结果数据包，作如下处理：(312.1)通过路由消息类型，判断接收消息为测量结果数据包并且自身为目的节点；(312.2)选择相应的幺正变换，得到所传输的量子态，完成通信。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。当前第1页1 2 3