基于兩層架構的量子密鑰分發網絡仿真系統

王亞星，李瓊

（哈爾濱工業大學 計算學部，哈爾濱 150001）

0 引言

由于QKD 設備具有點對點模式的固有特性［1］，利用多套QKD 設備的連接來構建QKD 網絡［2－4］，是突破節點規模和通信距離限制的一種主流解決方案。目前，單套QKD 設備已能夠在點對點模式下支持數百公里的保密通信服務，為構建QKD 網絡提供了物質保障。例如，單套QKD 設備在10 km 和50 km 的傳輸距離下，密鑰分發速率分別可達10 Mbps［5］和1 Mbps［5－6］；單套QKD 設備在光纖和自由空間環境中的傳輸距離分別可達509 km 和1200 km［7－8］。搭建的實驗性QKD 網絡也已經能夠為數十用戶提供千公里范圍內的保密通信服務，驗證了建設大規模QKD 網絡的物理可行性。經過三十多年的發展，實驗性QKD 網絡的節點規模已經從6 個擴展到了56 個，覆蓋范圍從19.6 km 擴展到了7 600 km［9－11］。隨著實驗性QKD 網絡用戶規模和覆蓋范圍的不斷擴大，預先進行方案設計與仿真驗證在性能保障、設備優化、成本控制等方面都發揮著至關重要的作用。

與經典網絡領域不同，QKD 網絡的仿真驗證還沒有引起足夠的重視，相關的研究文獻較少。為了對通信過程中的量子密鑰消耗量進行統計，Yang等人［12］在2017 年搭建了一個簡單的QKD 網絡仿真系統。然而，該系統將一套QKD 設備的密鑰生成能力設置為無窮大，僅對密鑰消耗進行了統計，這與QKD 設備密鑰生成能力十分受限于光纖長度的特性是不相符的。此外，Mehic等人［13］在2017 年設計了一套相對完善的QKD 網絡仿真系統，可支持對密鑰生成過程和流量生成過程的仿真模擬。然而，該系統將所有鏈路上的密鑰生成能力都假定為同一常數，這不僅與QKD 設備密鑰生成能力十分受限于光纖長度的特性是不相符的，與QKD 網絡需要滿足的波動性通信流量需求特性也是不相符的。……