以软件定义网络为基础的量子密码通信网络分析

2023-02-05龙钰陈树军张丽梅

科学与信息化 2023年24期

龙钰陈树军张丽梅

1. 身份证号码：3622271981＊＊＊＊0027 江苏南京 210000；2. 身份证号码：3411241984＊＊＊＊1411 江苏南京 210000；3. 身份证号码：3209111990＊＊＊＊3423 江苏南京 210000

引言

随着信息技术的迅猛发展，网络安全问题日益凸显，传统加密算法在面对量子计算机攻击时逐渐暴露出脆弱性，因此研究和开发更加安全可靠通信网络已成为当今科学界和工业界的重要课题之一。量子密码通信作为一种基于量子力学原理加密通信方式，具有不可破解性和信息传输的高度安全性，要实现量子密码通信网络广泛应用，仍然面临着许多挑战，其中之一是如何构建高效、可扩展且安全网络架构，软件定义网络作为一种新兴网络架构，通过将网络控制平面与数据转发平面分离，提供更灵活、可编程和可管理网络环境。

1 软件定义网络

软件定义网络是一种创新网络架构，通过将网络控制平面和数据转发平面分离，实现对网络集中式管理和控制，这种架构出现，为量子密码通信网络建立和管理提供了强有力的支持。传统网络架构中，网络设备（如交换机、路由器）既承担数据转发功能，又负责网络控制和管理，这种集中式设计方式存在一些问题，如网络管理复杂、难以灵活调整和扩展等，而软件定义网络架构出现，通过将网络控制平面和数据转发平面分离方式，解决这些问题。在软件定义网络架构中，网络控制器成为整个网络大脑，负责对网络进行集中式管理和控制，通过与网络设备之间通信，实时地监控和控制网络中的流量、拓扑结构等信息，同时软件定义网络架构引入"南向接口"标准化接口，使网络设备可与控制器进行通信和交互[1]。

软件定义网络架构主要特点是其灵活性和可编程性，通过集中式控制器，管理员可根据实际需求对网络进行灵活调整和配置，例如：可根据流量情况动态地调整网络路由策略，优化网络性能，同时软件定义网络架构还支持网络功能虚拟化，使管理员可根据需要灵活地部署和管理网络功能。对于量子密码通信网络而言，软件定义网络架构应用具有重要意义，量子密码通信是一种基于量子力学原理安全通信方式，具有不可破解性和信息传输高安全性，量子密码通信网络建立和管理面临着一些挑战，如网络拓扑复杂、密钥管理困难等，软件定义网络架构可为量子密码通信网络建立和管理提供支持，通过集中式的控制器，管理员可对量子密码通信网络进行灵活配置和管理，例如：可根据量子通信链路质量和可用性，动态地调整网络拓扑结构，优化网络性能，同时软件定义网络架构还可提供灵活密钥管理机制，确保量子密码通信安全性。

2 量子密码通信技术

量子密码通信技术是一种基于量子力学原理加密通信技术，利用量子态特殊性质来保证通信安全性，量子密码通信技术具有不可破解性和安全性高等优点，但在实际应用中也存在着一些问题，如量子信道建立和管理、量子密钥分发等问题。第一，量子密码通信技术核心思想是利用量子态特殊性质来实现加密通信，在传统的加密通信中，信息是通过传输经典比特来实现，而在量子密码通信技术中，信息是通过传输量子比特来实现，由于量子比特特殊性质，即量子叠加态和量子纠缠态，使量子密码通信技术具有不可破解性和安全性高的特点。第二，由于量子比特特殊性质，传输过程中需保持量子比特纯度和相干性，而这对于信道要求非常高，目前已提出一些方法来解决这个问题，如利用光纤或者空间自由度来传输量子比特，这些方法还需进一步研究和改进，以提高信道建立和管理效率。第三，量子密钥分发问题，在量子密码通信技术中，密钥分发是非常关键一步，决定通信安全性，目前已提出一些方法来实现量子密钥分发，如基于BB84协议量子密钥分发方案，这些方法还存在一些技术难题，如量子比特传输距离限制和密钥分发速度等问题，需进一步研究和改进[2]。

3 以软件定义网络为基础的量子密码通信网络

首先，软件定义网络是一种新型网络架构，将网络控制平面和数据转发平面分离，通过集中式控制器对网络进行控制和管理，而以软件定义网络为基础的量子密码通信网络则是在软件定义网络架构基础上，结合量子密码通信技术，实现更安全可靠的通信，量子密码通信技术是一种基于量子力学原理加密通信技术，利用量子态特殊性质来保证信息传输安全性，在量子密码通信网络中，量子密钥分发是关键一环，通过量子态传输来实现密钥分发，从而保证密钥安全性，而量子信道建立和管理则是确保通信质量和可靠性的关键，相比传统网络架构，以软件定义网络为基础量子密码通信网络具有灵活性高、可编程性强、易于管理等优点。软件定义网络架构灵活性使得网络可根据不同需求进行定制化配置，从而满足不同应用场景下需求，DN架构可编程性使网络可根据需要进行编程和控制，从而实现更加智能化网络管理，软件定义网络架构易于管理使网络管理员可更加方便对网络进行管理和维护，以软件定义网络为基础量子密码通信网络是一种新型网络架构，将软件定义网络架构和量子密码通信技术相结合，通过集中式控制器对量子密钥分发、量子信道建立和管理等进行控制和管理，从而实现更加安全可靠的通信[3]。

其次，在传统网络架构中，网络设备之间通信是通过硬件实现，这限制网络架构的灵活性，硬件设备配置和连接方式通常固定，无法根据实际需求进行灵活调整，这导致网络架构刚性和难以适应不同应用场景需求。在以软件定义网络为基础的量子密码通信网络中，网络设备之间通信是通过软件实现，这为网络架构带来高度灵活性，软件定义网络架构将网络控制平面和数据转发平面分离，通过集中式控制器对网络进行控制和管理，这意味着网络管理员可通过软件编程来定义和控制网络的行为，而不再依赖于硬件设备固定配置。具体来说，软件定义网络架构中控制器可根据实际需求动态地配置和管理网络设备之间通信，通过集中式控制器，网络管理员可根据不同应用场景需求，灵活地调整网络设备之间连接方式、路由规则和服务质量等参数，这使网络架构能更好适应不同应用场景下需求变化。此外，软件定义网络架构还支持网络功能虚拟化和可编程化，通过将网络功能抽象为软件模块，网络管理员可根据需要灵活地部署、配置和管理网络功能，这使网络架构可根据实际需求进行快速功能扩展和升级，而无需对硬件设备进行改动，以软件定义网络为基础量子密码通信网络具有灵活性高特点，通过软件实现网络设备之间通信，网络架构可根据实际需求进行灵活调整和优化，提高网络架构灵活性和适应性，这为量子密码通信网络安全性和可靠性提供更好保障。

再次，在传统网络架构中，网络设备之间通信是通过预先编写好的程序实现，这些程序定义网络设备之间连接方式、路由规则和服务质量等参数，但是一旦程序编写完成并部署到网络设备上，就很难进行动态调整和优化，这限制传统网络架构灵活性和适应性。在以软件定义网络为基础的量子密码通信网络中，网络设备之间通信是通过可编程控制器实现，软件定义网络架构将网络控制平面和数据转发平面分离，通过集中式控制器对网络进行控制和管理，这意味着网络管理员可通过软件编程来定义和控制网络行为，而不再依赖于硬件设备固定配置，可编程控制器是软件定义网络架构中核心组件，可根据实际需求动态地配置和管理网络设备之间通信，通过集中式控制器，网络管理员可根据不同应用场景需求，灵活地调整网络设备之间连接方式、路由规则和服务质量等参数，这使网络架构能更好适应不同应用场景下需求变化。具体来说，可编程控制器可通过编写和部署软件程序来定义网络设备之间通信行为，网络管理员可根据实际需求编写自定义程序，来实现特定网络功能和策略，这使网络架构具有高度灵活性和可定制性，可根据实际需求进行动态调整和优化。此外，可编程控制器还支持网络功能虚拟化和可编程化，通过将网络功能抽象为软件模块，网络管理员可根据需要灵活地部署、配置和管理网络功能，这使网络架构可以根据实际需求进行快速功能扩展和升级，而无需对硬件设备进行改动，以软件定义网络为基础的量子密码通信网络具有可编程性强特点通过可编程控制器实现网络设备之间通信，网络架构可根据实际需求进行动态调整和优化，提高网络架构灵活性和适应性[4]。

最后，以软件定义网络为基础量子密码通信网络具有易于管理特点，在传统网络架构中，网络设备之间通信是分散式管理，因此管理起来非常困难，而在以软件定义网络为基础量子密码通信网络中，所有网络设备都由集中式控制器进行管理和控制，因此可更加方便进行管理和维护，软件定义网络架构引入为量子密码通信网络的构建提供新思路和解决方案，软件定义网络架构将网络控制平面与数据转发平面分离，提供更灵活、可编程和可管理网络环境，这种新型网络架构具有灵活性高、可编程性强、易于管理等优点，可为量子密码通信技术实际应用提供支持，并有望成为未来网络安全领域重要发展方向，以软件定义网络为基础的量子密码通信网络不仅可提高网络安全性，还可提高网络效率和可靠性，因此这种新型网络架构在未来网络安全领域将会广泛应用。

4 以软件定义网络为基础的量子密码通信网络的应用

将软件定义网络与量子密码通信网络相结合，可在各个领域中提供更高级别数据安全保障，例如：在金融领域，数据安全性至关重要，以软件定义网络为基础的量子密码通信网络可通过利用量子态特性来保护交易数据机密性和完整性。量子密码通信网络利用量子纠缠和量子隐形传态等技术，可实现信息不可伪造性和不可窃取性，从而有效防止黑客攻击和数据泄露，这对于金融机构来说，意味着交易数据安全得到更高水平保障，客户资金和个人信息也得到更好保护。以软件定义网络为基础的量子密码通信网络在金融等领域都具有重要应用价值，可提供更高级别数据安全保障，保护交易数据、政府机密信息和军事机密信息安全性，随着技术不断发展和应用推广，相信软件定义网络和量子密码通信网络将在各个领域中发挥重要作用，为社会发展和进步做出更大贡献[5]。