基于量子远程传态的应急通信网络路由协议

李雪妍，刘晓宇，苏海南，李君明，司 维

（1.国网上海市电力公司 市北供电公司，上海 200072；2.国网辽宁省电力有限公司 丹东供电公司，辽宁 丹东 118000）

0 引 言

量子通信网络是目前阶段应用最广泛的通信网络，可以打破传统通信网络的局限性，不再受物理因素所限制。在研究中，相关研究人员发现其传输时的速率快，传输完整度高，在面临大数据传输时仍然可以保证稳定传输。量子远程状态是被应用于量子通信网络中的一种传输状态，具有瞬时性。1993年，利用量子远程概念提出了量子态隐形传态理论方案，同年提出了基于量子隐形传态的量子纠缠交换方案[1]。国内外学者经过研究从理论上和实验上都证实了构建量子通信网络的可能性[2]。在设计时，它主要使用量子隐形传态构建具有传态切换的量子中继和量子桥。研究的网络结构是分层网络结构，不包括路由和设置的具体研究，本文在目前的基础上应用了量子传态，设计了应急通信网络路由协议。

1 基于量子远程传态的应急通信网络路由协议设计

1.1 设计应急通信网络路由协议算法

应急通信网络和其他通信网络有很大的不同，卫星节点使用的计算资源相当有限，但地面站的计算资源足够[3]。因此，本文采用了量子远程传态的路由算法，对距离权重测量方法和路由算法进行了相应改变，充分满足测控网络的实际需求。基于距离向量的路由算法主要考虑两部分，一是收集与邻居通信链路关联的权重信息，如邻居节点标识、邻居节点状态、邻居节点权重以及邻居节点数值等，保证传输链路的通断次数和可达链路的权重，最终目标是在节点处形成加权的网络拓扑结构[4]。二是使用给定的加权拓扑图计算最优值，它也是基于距离向量算法的正确路径，因此需要介绍路由算法的节点权重测量方法和路由计算方法。

对于单个节点来说，通常需要在路由计算之前获得整个网络的加权拓扑结构，并根据加权拓扑结构来计算数据的传输路径。但是，在应急通信网络中没有必要进行这个步骤。这个网络中单个节点对整个网络中所有其他节点的可达链路和路由路径不感兴趣，只需要找到一条到达地面测控中心的路由路径即可。根据整个网络拓扑的变化重新计算路由时经常会发生某些变化，当网络中的链路发生变化时，整个网络必须进行大量的数据交换以纳入新的加权拓扑，然后每个节点必须根据这个加权拓扑进行路径重新计算[5]。如果网络中拓扑变化的速度快于路径收敛的速度，那么将大大降低网络的通信质量。如何在高动态的网络中加快路由收敛速度，使其能够满足通信质量要求是本路由算法需要解决的另一个问题。在链路权值的设定中可以看到，当获得全网的带权值拓扑图之后，节点需要从拓扑图中利用Bellman-Ford算法计算得出共有多少条可用通信链路和各自的链路总权值，并从这些链路中选择出总权值最小的路径作为路由路径[6]。应急通信网络路由协议算法的构建是为了计算可通信链路的总权值，这种做法的效率较低，为实际应用带来了不便。为了通信网络的可用性，本文采用了层次化的方法对路由算法进行简化。

1.2 基于量子远程传态衡量路由权值

本文提出了一种综合考虑通信延迟和链路可靠性的背景要求下，基于量子远程传态的改进路由算法，并首先体现在链路权重设置中。由于地面有线链路的特性优于无线网络，因此本文设计的路由协议的网络节点优先选择有线链路作为数据传输路径，以保证网络的稳定性、可靠性以及实时性，保证数据传输的效率[7]。因此，需要明确实现的链接选择原则是通过一条无线链接上的两条有线链接，区分有线链接和无线链接。为了实现这样的路由协议，本文将地线链路权重设为0.9，无线链路权重设为2。由于地面有线链路总权重为3.8，无线path为4，因此路由计算为有线链路，也是分阶段传输测控数据的首选。

1.3 设计应急通信网络路由信令

在集成路由协议的设计中，有两种列表，分别为邻居列表和路由表。邻居列表的维护目的是实现路由表的计算。为了计算路由，邻居列表必须提供邻居标识、邻居状态、邻居权重、链路权重和该节点的端口等信息。路由表的维护是为了实现树节点和根节点之间的有效通信。综合路由协议计算出的路由表中的条目内容与传统路由协议路由表中的条目内容基本相同，包括目的节点标识、下一节点标识、输出端口、路由更新时间等基本信息。

首先，统一路由协议中引入了HELLO包，它用于维护一个节点的邻居列表，通告节点状态，检查子节点中节点的路由更新次数，并触发路由重新计算。触发HELLO报文传输的情况有两种，第一种是每个节点周期性地向每个端口广播一个节点的HELLO包来寻找它的邻居，第二种是在节点状态改变后发送一个HELLO包，保证节点接收最准确和最新的网络信息[8]。邻接关系的建立是一个单向过程，换句话说，对于节点A，如果节点B可以接收HELLO包，那么节点B也可以接收到自己发送的HELLO包。网络路由信令交互机制如图1所示。

图1 网络路由信令交互机制

邻居关系的建立过程如图1所示，当节点A收到来自节点B的HELLO报文时，它将节点B的信息添加到节点A的邻居表项中。如果表项已经有节点B的信息，则只更新相邻表项中的信息。当相邻表条目的更新超时，如果此时希望邻居列表中具有有效的邻居关系，则请删除此时的邻居条目。如果树节点收到来自其父节点的HELLO数据包，并且知道父节点的状态发生了变化（权重发生了变化或失去了网络连接）时，或者它没有随着时间的推移从其父节点收到HELLO数据包，那么这个节点如果需要执行需要路由重新计算[9]。

其次，路由计算可以通过HELLO报文的交互来完成，这样树节点就可以和根节点传输数据了，但是根据路由重新计算的触发条件，根节点本身不需要执行路由计算，其路由表始终为空。这可以防止根节点将数据发送到它要去的特定树节点。为了描述得更清楚，将端口按降序进行编号。其中，节点1和节点2只有一个主路由表项，节点3在路由表中没有内容。在这种情况下，可以从节点1向其他两个节点发送数据，因此可以得出结论，按照上述规则构建的路由表仍然不完整，协议需要进一步改进。

1.4 配置参数化

针对TinyOS和C语言的特性进行配置。在组件模型中，每个组件通过定义的组件接口与其他组件交互，并在逻辑上形成更大的组件。可以清楚地看到程序的结构，保持模块之间的松散耦合，便于程序更改，且具有与面向对象语言类似的好处。由于CMR路由协议层在整体配置中位于应用层之下，链路层之上，因此指定CMR路由协议层提供的上层接口和配置中使用的默认接口是配置参数化的基础和关键，决定了整个模块的实现[10]。总体配置参数化结构如图2所示。

如图2可知，该框图主要是为上层应用程序提供与路由有关的信息，并提供一些关键参数的设置功能。

2 结 论

本文设计的基于量子远程传态的应急通信网络路由协议可以加快网络通信的速率，保证数据的完整性，对应急通信网络协议有一定的参考价值，对通信网络发展有促进作用。经过实验证明，本文设计的应急通信网络路由协议改善了OSPF协议和RIP协议数据传输的速率，但由于检测数据包数量有限，还需要在数据传输中进一步改善。