基于量子遠程傳態的應急通信網絡路由協議

李雪妍，劉曉宇，蘇海南，李君明，司 維

（1.國網上海市電力公司 市北供電公司，上海 200072；2.國網遼寧省電力有限公司 丹東供電公司，遼寧 丹東 118000）

0 引 言

量子通信網絡是目前階段應用最廣泛的通信網絡，可以打破傳統通信網絡的局限性，不再受物理因素所限制。在研究中，相關研究人員發現其傳輸時的速率快，傳輸完整度高，在面臨大數據傳輸時仍然可以保證穩定傳輸。量子遠程狀態是被應用于量子通信網絡中的一種傳輸狀態，具有瞬時性。1993年，利用量子遠程概念提出了量子態隱形傳態理論方案，同年提出了基于量子隱形傳態的量子糾纏交換方案[1]。國內外學者經過研究從理論上和實驗上都證實了構建量子通信網絡的可能性[2]。在設計時，它主要使用量子隱形傳態構建具有傳態切換的量子中繼和量子橋。研究的網絡結構是分層網絡結構，不包括路由和設置的具體研究，本文在目前的基礎上應用了量子傳態，設計了應急通信網絡路由協議。

1 基于量子遠程傳態的應急通信網絡路由協議設計

1.1 設計應急通信網絡路由協議算法

應急通信網絡和其他通信網絡有很大的不同，衛星節點使用的計算資源相當有限，但地面站的計算資源足夠[3]。因此，本文采用了量子遠程傳態的路由算法，對距離權重測量方法和路由算法進行了相應改變，充分滿足測控網絡的實際需求?；诰嚯x向量的路由算法主要考慮兩部分，一是收集與鄰居通信鏈路關聯的權重信息，如鄰居節點標識、鄰居節點狀態、鄰居節點權重以及鄰居節點數值等，保證傳輸鏈路的通斷次數和可達鏈路的權重，最終目標是在節點處形成加權的網絡拓撲結構[4]。二是使用給定的加權拓撲圖計算最優值，它也是基于距離向量算法的正確路徑，因此需要介紹路由算法的節點權重測量方法和路由計算方法。

對于單個節點來說，通常需要在路由計算之前獲得整個網絡的加權拓撲結構，并根據加權拓撲結構來計算數據的傳輸路徑。但是，在應急通信網絡中沒有必要進行這個步驟。這個網絡中單個節點對整個網絡中所有其他節點的可達鏈路和路由路徑不感興趣，只需要找到一條到達地面測控中心的路由路徑即可。根據整個網絡拓撲的變化重新計算路由時經常會發生某些變化，當網絡中的鏈路發生變化時，整個網絡必須進行大量的數據交換以納入新的加權拓撲，然后每個節點必須根據這個加權拓撲進行路徑重新計算[5]。如果網絡中拓撲變化的速度快于路徑收斂的速度，那么將大大降低網絡的通信質量。如何在高動態的網絡中加快路由收斂速度，使其能夠滿足通信質量要求是本路由算法需要解決的另一個問題。在鏈路權值的設定中可以看到，當獲得全網的帶權值拓撲圖之后，節點需要從拓撲圖中利用Bellman-Ford算法計算得出共有多少條可用通信鏈路和各自的鏈路總權值，并從這些鏈路中選擇出總權值最小的路徑作為路由路徑[6]。應急通信網絡路由協議算法的構建是為了計算可通信鏈路的總權值，這種做法的效率較低，為實際應用帶來了不便。為了通信網絡的可用性，本文采用了層次化的方法對路由算法進行簡化。

1.2 基于量子遠程傳態衡量路由權值

本文提出了一種綜合考慮通信延遲和鏈路可靠性的背景要求下，基于量子遠程傳態的改進路由算法，并首先體現在鏈路權重設置中。由于地面有線鏈路的特性優于無線網絡，因此本文設計的路由協議的網絡節點優先選擇有線鏈路作為數據傳輸路徑，以保證網絡的穩定性、可靠性以及實時性，保證數據傳輸的效率[7]。因此，需要明確實現的鏈接選擇原則是通過一條無線鏈接上的兩條有線鏈接，區分有線鏈接和無線鏈接。為了實現這樣的路由協議，本文將地線鏈路權重設為0.9，無線鏈路權重設為2。由于地面有線鏈路總權重為3.8，無線path為4，因此路由計算為有線鏈路，也是分階段傳輸測控數據的首選。

1.3 設計應急通信網絡路由信令

在集成路由協議的設計中，有兩種列表，分別為鄰居列表和路由表。鄰居列表的維護目的是實現路由表的計算。為了計算路由，鄰居列表必須提供鄰居標識、鄰居狀態、鄰居權重、鏈路權重和該節點的端口等信息。路由表的維護是為了實現樹節點和根節點之間的有效通信。綜合路由協議計算出的路由表中的條目內容與傳統路由協議路由表中的條目內容基本相同，包括目的節點標識、下一節點標識、輸出端口、路由更新時間等基本信息。

首先，統一路由協議中引入了HELLO包，它用于維護一個節點的鄰居列表，通告節點狀態，檢查子節點中節點的路由更新次數，并觸發路由重新計算。觸發HELLO報文傳輸的情況有兩種，第一種是每個節點周期性地向每個端口廣播一個節點的HELLO包來尋找它的鄰居，第二種是在節點狀態改變后發送一個HELLO包，保證節點接收最準確和最新的網絡信息[8]。鄰接關系的建立是一個單向過程，換句話說，對于節點A，如果節點B可以接收HELLO包，那么節點B也可以接收到自己發送的HELLO包。網絡路由信令交互機制如圖1所示。

圖1 網絡路由信令交互機制

鄰居關系的建立過程如圖1所示，當節點A收到來自節點B的HELLO報文時，它將節點B的信息添加到節點A的鄰居表項中。如果表項已經有節點B的信息，則只更新相鄰表項中的信息。當相鄰表條目的更新超時，如果此時希望鄰居列表中具有有效的鄰居關系，則請刪除此時的鄰居條目。如果樹節點收到來自其父節點的HELLO數據包，并且知道父節點的狀態發生了變化（權重發生了變化或失去了網絡連接）時，或者它沒有隨著時間的推移從其父節點收到HELLO數據包，那么這個節點如果需要執行需要路由重新計算[9]。

其次，路由計算可以通過HELLO報文的交互來完成，這樣樹節點就可以和根節點傳輸數據了，但是根據路由重新計算的觸發條件，根節點本身不需要執行路由計算，其路由表始終為空。這可以防止根節點將數據發送到它要去的特定樹節點。為了描述得更清楚，將端口按降序進行編號。其中，節點1和節點2只有一個主路由表項，節點3在路由表中沒有內容。在這種情況下，可以從節點1向其他兩個節點發送數據，因此可以得出結論，按照上述規則構建的路由表仍然不完整，協議需要進一步改進。

1.4 配置參數化

針對TinyOS和C語言的特性進行配置。在組件模型中，每個組件通過定義的組件接口與其他組件交互，并在邏輯上形成更大的組件?？梢郧宄乜吹匠绦虻慕Y構，保持模塊之間的松散耦合，便于程序更改，且具有與面向對象語言類似的好處。由于CMR路由協議層在整體配置中位于應用層之下，鏈路層之上，因此指定CMR路由協議層提供的上層接口和配置中使用的默認接口是配置參數化的基礎和關鍵，決定了整個模塊的實現[10]?？傮w配置參數化結構如圖2所示。

如圖2可知，該框圖主要是為上層應用程序提供與路由有關的信息，并提供一些關鍵參數的設置功能。

2 結 論

本文設計的基于量子遠程傳態的應急通信網絡路由協議可以加快網絡通信的速率，保證數據的完整性，對應急通信網絡協議有一定的參考價值，對通信網絡發展有促進作用。經過實驗證明，本文設計的應急通信網絡路由協議改善了OSPF協議和RIP協議數據傳輸的速率，但由于檢測數據包數量有限，還需要在數據傳輸中進一步改善。