技术领域
[0001] 本
发明涉及量子通信领域，具体涉及一种安全性高的量子通信交换系统及方法。
背景技术
[0002] 光交换机已被广泛用于光通信
节点以及光交叉连接(OXC)设备中，对多光路的
信号进行交换，是组成网络的重要装置。但是与传统的光通信系统不同，量子信号强度处于单
光子级别，如果在信号交换环节中
能量损失大，接收终端将无法识别信息，从而导致量子通信无法实现。所以光量子交换机对于量子通信至关重要。
[0003] 目前已经大量使用于光通信系统中的光
开关主要采用的技术有PLC技术，MEMS技术，和PZT技术。基于上述技术生产的光开关用于量子通信系统中，虽然解决了很多了量子通信过程中的问题，但是仍然存在一些不足。
[0004] 例如：量子通信虽然提高了信息共同分享功能、具有较好的开放性、良好的灵活性，通过网络环境可以给信息相互分享、信息相关的服务营造了憧憬的空间，推动社会的不断进步。但是，正是由于量子通信具有以上内容的特征，所以出现了较多的安全性问题。
[0005] 因此有待对现有的量子交换技术进行进一步的改进，提供一种通信安全性高的通信交换系统和方法。
发明内容
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明的提供一种智能便捷可以完全自动化进行光路切换的量子通信交换系统及方法。
[0007] 为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：一种安全性高的量子通信交换系统，包括主控模
块，网络
接口模块，功率甄别模块和级联光开关模块，所述主控模块分别与所述网络接口模块，功率甄别模块和级联光开关模块
电信号连接，所述功率甄别模块和级联光开关模块通过
光信号与所述级联光开关模块连接，其中：
[0008] 所述主控模块用于接收外接的密钥管理系统数据并下发开关切换控制指令；
[0009] 所述网络接口模块用于负责TCP/IP协议层数据接收和发送；
[0010] 所述功率甄别模块用于负责信道的功率检测与判别，将检测后符合条件的安全的功率信号发送给所述主控模块；
[0011] 所述级联光开关模块负责解析主控模块下发的控制指令并完成光路切换操作；
[0012] 所述主控模块至少包括ARM处理器
电路，ARM处理器电路又包括光模块控制单元、光功率采集单元、平台管理单元和安全认证&协议处理单元，所述安全认证&协议处理单元与光模块控制单元通过电信号互相连接，所述光模块控制单元与光功率采集单元通过电信号互相连接，所述平台管理单元与
风扇管理电路连接；其中：
[0013] 所述光模块控制单元用于下发光控制开关切换的控制指令；
[0014] 所述光功率采集模块用于光功率的强度采集与计算；
[0015] 所述平台管理单元用于系统风扇的转速调节与监控；
[0016] 安全认证&协议处理单元用于与外接的密钥管理系统建立连接并进行通信的安全认证及协议处理；
[0017] 安全认证&协议处理单元与进行安全认证的步骤如下：
[0018] 步骤1：安全认证&协议处理单元向密钥管理系统发送认证信息：
[0019] 所述认证信息包含内容：全认证&协议处理单元的任意随机数NonceB、身份信息ID1以及采用的加密
算法；
[0020] 步骤2：所述密钥管理系统接收到认证信息后，进行处理：
[0021] 检查ID1是否合法，检查加密算法是否支持，记录NonceB值；
[0022] 步骤3：所述密钥管理系统向安全认证&协议处理单元发送挑战信息，[0023] 所述挑战内容包括：采用的加密算法、任意随机数NonceA、所述任意随机数NonceB、密钥管理系统的身份信息ID2、密钥管理系统预置密钥PreKey1以及消息序列seq；
[0024] 步骤4：安全认证&协议处理单元收到所述挑战信息后，进行处理：
[0025] 检查ID2是否合法，加密算法是否支持，记录所述NonceA值、PreKey1和消息序列seq；
[0026] 步骤5：安全认证&协议处理单元向密钥管理系统发送挑战应答信息，[0027] 所述挑战应答内容包括：所述NonceA、所述NonceB、安全认证&协议处理单元预置密钥PreKey2以及所述消息序列Seq。
[0028] 步骤6：密钥管理系统收到挑战应答信息后解密，并检查：
[0029] 所述NonceA、NonceB及seq是否正确，记录prekey2值；
[0030] 步骤7：步骤S1-S6的挑战-应答过程完成后，生成会话密钥：
[0031] 安全认证&协议处理单元的会话密钥是PreKey2，密钥管理系统的会话密钥是PreKey1；
[0032] 步骤8：会话密钥建立后，后续所有通信信息的信息体均采用所述会话密钥进行加密通信。
[0033] 优选地，所述主控模块还包括以太网物理层驱动电路RS485驱动电路、I2C驱动电路和风扇管理电路，其中：
[0034] 所述以太网物理层驱动电路采用AR8035芯片作为PHY
驱动器，用于实现TCP/IP协议层数据到MAC物理层数据的转换及传输；
[0035] 所述RS485驱动电路用于实现UART串口到RS485总线的电平转换传输；
[0036] 所述I2C驱动电路由芯片PCA9532PW实现，采用I2C总线的方式完成IO扩展；
[0037] 所述风扇管理电路由芯片MAX31790以及NCP25525组成，用于实现系统风扇的转速调节与监控。
[0038] 优选地，所述网络接口模块包括以太网物理接口模块、以太网信号驱动电路和以太网电器保护电路，
[0039] 所述以太网物理接口模块通过TX&RX串口与所述以太网信号驱动电路相互连接，所述以太网信号驱动电路通过TX&RX串口和以太网电器保护电路。
[0040] 优选地，所述以太网物理接口模块与外部系统连接用于接收外部系统的数据；
[0041] 所述以太网信号驱动电路用于实现TCP/IP协议层数据到MAC物理层数据的转换及传输。
[0042] 所述以太网电器保护电路通过电信号与所述主控模块连接，用于对主控模块进行电路保护。
[0043] 优选地，所述功率甄别模块包括光功率计算MCU电路、微弱
信号处理电路和光电
二极管探测电路，
[0044] 所述
光电二极管探测电路包括微弱光探测光电二极管和单光子级别探测APD管；所述微弱信号处理电路包括窄带射频功放模块；所述光功率计算MCU电路集成有ADC模块。
[0045] 优选地，所述光电二极管探测电路利用微弱光探测光电二极管将微弱光信号转换为微弱电信号，同时利用单光子级别探测APD管进行单光子级别的光强测量；所述微弱信号处理电路利用射频放大电路把微弱电信号放大为光功率计算MCU电路能够完整采集的
模拟信号；所述光功率计算MCU电路利用内部ADC模块以及计数模块进行光功率的强度采集与计算，并通过I2C总线传输至所述主控模块。
[0046] 优选地，所述级联开关模块包括控制接口单元、光开关控制单元、光开关驱动单元以及N×M光开关矩阵单元，
[0047] 所述控制接口单元接收主控模块发出的光开关切换控制指令后通过UART串口将指令发送给光开关控制单元，所述光开光控制单元通过光开关驱动单元控制N×M光开关矩阵单元完成指令所需的管开关切换动作。
[0048] 优选地，所述控制接口单元采用RS232或RS485芯片实现；所述光开关控制单元采用ARM或MCU器件实现；所述光开关驱动单元采用TTL驱动逻辑芯片实现；所述N×M光开关矩阵采用机械式光开关阵列或继电器光开关阵列实现。
[0049] 一种安全性高的量子通信交换方法，应用了上述的一种安全性高的量子通信交换系统，该方法包括以下步骤：
[0050] S1:数据接收及转换:网络接口模块及主控模块的以太网物理层驱动单元接收系统发送过来的数据，并将接收的数据由TCP/IP协议层的数据格式转换为MAC物理层的数据格式；
[0051] S2:安全认证及解析:格式转换后的数据被传入到主控模块的ARM处理器电路的安全认证&协议处理单元进行安全认证，安全认证后进行数据分类，最后被解析为具体的控制指令；
[0052] S3:数据的光-电转换：解析出的控制指令被传输至光模块控制单元，光模块控制单元中的光功率探测单元对接收的光信号进行光-电转换，
输出电压信号；
[0053] 同时，功率甄别模块的光电二极管探测电路对光信息进行光功率强度的采集与计算，若采集并探测到的光信号强度在预设的
阈值范围内，则认为传输信道满足量子通信条件，跳转到步骤S4，否则，不启动下一步骤；
[0054] S4:控制指令被下发至级联光开关模块的光开关MCU，通过光开关MCU解析出光信号的输入端口编码、切换前及切换后的输出端口编码、功率大小及插入损耗参数；
[0055] 若解析出的参数符合光开关切换条件，则切换控制指令被输出至M×N光开关矩阵，对应的步进
电机行进到预定
位置，执行相关动作，光路被改变，完成切换指令，否则，则不执行相关指令；
[0056] S5：执行结果反馈至主控模块的ARM处理器电路中进行保存。
[0057] 优选地，所述步骤S3中光信号强度预设的阈值范围是-80dBm～-110dBm。
[0058] 本发明有益的技术效果：本发明的主控模块中设置有安全认证&协议处理单元，安全认证与协议处理用于与外接的密钥管理系统建立连接并进行通信的安全认证及协议处理。通过安全认证生成会话密钥，会话密钥建立后，后续所有通信信息的信息体均采用所述会话密钥进行加密通信，保证了通信之间的安全。
附图说明
[0059] 图1为本发明一种安全性高的量子通信交换系统整体结构
框图。
[0060] 图2为本发明主控模块的结构框图。
[0061] 图3为本发明主控模块的太网物理层驱动电路原理图。
[0062] 图4为本发明主控模块的ARM处理器电路原理图。
[0063] 图5为本发明主控模块的RS485驱动电路原理图。
[0064] 图6为本发明主控模块的12C驱动电路原理图。
[0065] 图7为本发明主控模块的风扇管理电路原理图。
[0066] 图8为本发明网络接口模块的结构框图。
[0067] 图9为本发明功率甄别模块的结构框图。
具体实施方式
[0068] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合
实施例对本发明进行进一步详细说明，但本发明要求保护的范围并不局限于下述具体实施例。
[0069] 如图1-9所示，一种安全性高的量子通信交换系统，包括主控模块，网络接口模块，功率甄别模块和级联光开关模块，所述主控模块分别与所述网络接口模块，功率甄别模块和级联光开关模块电信号连接，所述功率甄别模块和级联光开关模块通过光信号与所述级联光开关模块连接，其中：
[0070] 所述主控模块用于接收外接系统的数据并下发开关切换控制指令，这里的外接系统是外部密钥管理系统，外部密钥管理系统用于发出的秘钥信号。
[0071] 所述网络接口模块用于负责TCP/IP协议层数据接收和发送；
[0072] 所述功率甄别模块用于负责信道的功率检测与判别，将检测后符合条件的安全的功率信号发送给所述主控模块；
[0073] 所述级联光开关模块负责解析主控模块下发的控制指令并完成光路切换操作；
[0074] 整个系统的工作原理是：系统数据经过网络接口模块以及主控模块进行TCP/IP协议层到MAC物理层的数据格式变换后后经过ARM嵌入式linux系统完成安全认证以及协议处理解析出控制指令，再将解析出的控制指令传输至主控模块进中的光模块控制单元，光模块控制单元通过光功率探测过程确认
量子信道符合工作条件后，将控制指令下发至级联光开关模块的MCU，该MCU通过光开关控制算法检测与控制相关的光开关符合切换条件时，将切换
控制信号输出至M×N光开关矩阵完成切换动作，最后将执行结果反馈至主控单元ARM。
[0075] 具体地，所述主控模块包括以太网物理层驱动电路、ARM处理器电路、RS485驱动电路、I2C驱动电路和风扇管理电路，其中：
[0076] 所述以太网物理层驱动电路采用AR8035芯片作为PHY驱动器，用于实现TCP/IP协议层数据到MAC物理层数据的转换及传输；
[0077] 如图4所示，所述ARM处理器电路采用TQ335XB模块实现，用于进行以太网
软件驱动、安全认证与协议处理、光开关控制、光功率采集以及平台管理操作；
[0078] 所述RS485驱动电路用于实现UART串口到RS485总线的电平转换传输；
[0079] 如图6所示，所述I2C驱动电路由芯片PCA9532PW实现，采用I2C总线的方式完成IO扩展，采用标准的I2C协议，保证系统主控单元AM3354可通过地址信息准确识别到功率甄别模块并进行数据传输。
[0080] 所述风扇管理电路由芯片MAX31790以及NCP25525组成，用于实现系统风扇的转速调节与监控。
[0081] 具体地，所述ARM处理器电路又包括安全认证&协议处理单元、光模块控制单元、光功率采集单元和平台管理单元，其中：
[0082] 所述安全认证&协议处理单元与光模块控制单元通过电信号互相连接，所述光模块控制单元与光功率采集单元通过电信号互相连接，所述平台管理单元与风扇管理电路连接；
[0083] 安全认证&协议处理单元用于与外接的密钥管理系统建立连接并进行通信的安全认证并建立会话密钥，所有通信信息的信息体均采用所述会话密钥进行加密通信。
[0084] 具体地，这里的安全认证指的是的安全认证&协议处理单元(QOS)与密钥管理系统(KMS)之间的安全。
[0085] 安全认证&协议处理单元(QOS)与密钥管理系统(KMS)之间的安全认证采用三次握手的方式进进行安全认证的步骤如下：
[0086] 步骤1：安全认证&协议处理单元向密钥管理系统发送认证信息：
[0087] 所述认证信息包含内容：全认证&协议处理单元的任意随机数NonceB、身份信息ID1以及采用的加密算法；
[0088] 步骤2：所述密钥管理系统接收到认证信息后，进行处理：
[0089] 检查ID1是否合法，检查加密算法是否支持，记录NonceB值；
[0090] 步骤3：所述密钥管理系统向安全认证&协议处理单元发送挑战信息，[0091] 所述挑战内容包括：采用的加密算法、任意随机数NonceA、所述任意随机数NonceB、密钥管理系统的身份信息ID2、密钥管理系统预置密钥PreKey1以及消息序列seq；
[0092] 步骤4：安全认证&协议处理单元收到所述挑战信息后，进行处理：
[0093] 检查ID2是否合法，加密算法是否支持，记录所述NonceA值、PreKey1和消息序列seq；
[0094] 步骤5：安全认证&协议处理单元向密钥管理系统发送挑战应答信息，[0095] 所述挑战应答内容包括：所述NonceA、所述NonceB、安全认证&协议处理单元预置密钥PreKey2以及所述消息序列Seq。
[0096] 步骤6：密钥管理系统收到挑战应答信息后解密，并检查：
[0097] 所述NonceA、NonceB及seq是否正确，记录prekey2值；
[0098] 步骤7：步骤S1-S6的挑战-应答过程完成后，生成会话密钥：
[0099] 安全认证&协议处理单元的会话密钥是PreKey2，密钥管理系统的会话密钥是PreKey1；
[0100] 步骤8：会话密钥建立后，后续所有通信信息的信息体均采用所述会话密钥进行加密通信。
[0101] 会话密钥建立后，后续所有消息的消息体采用会话密钥加密，消息中的密钥采用量子会话密钥加密，安全认证的操作使得大大提高了整个系统的安全性能，使得通信过程更加安全可靠。
[0102] 协议处理作用是进行链路的建立和维护，具体过程如下：
[0104] 该命令由光模块控制单元发起，当光模块控制单元配置串口并建立链接时，如果成功，则首先发送该请求，并等待响应。当连续3次入网请求失败或者无响应，则重新建链。入网请求发送间隔为30s。
[0105] 主控模块离网：
[0106] 当主控模块判断通道异常，由主控模块发起，等待密钥管理系统KMS(后续都用KMS表示)响应，如果接收到正确响应或者10s后无响应，则主动关闭链路。
[0107] 主控模块心跳侦测：
[0108] 当接到心跳包时，立即响应，并重新计算通道超时时间。主控模块如果3分钟内没有收到KMS的任何数据，则认为链路异常，指示告警并重新建链。
[0109] 所述光模块控制单元用于下发光控制开关切换的控制指令，光模块控制单元首先要判断接收的的关切换指令是否正确后再决定是否给级联光开关模块下发具体地信道切换指令。
[0110] 判断指令是否正确即所述光模块控制单元判断所述协议处理单元所发控制指令是否符合协议格式；若不符合协议格式，则进行错误指令的记录；若符合协议格式，则将控制指令发送至所述级联光开关模块以执行相应的操作。
[0111] 所述光功率采集模块用于光功率的强度采集与计算；
[0112] 所述平台管理单元用于系统风扇的转速调节与监控。
[0113] 进一步地，所述网络接口模块包括以太网物理接口模块、以太网信号驱动电路和以太网电器保护电路，
[0114] 所述以太网物理接口模块通过TX&RX串口与所述以太网信号驱动电路相互连接，所述以太网信号驱动电路通过TX&RX串口和以太网电器保护电路。
[0115] 优选地，所述以太网物理接口模块与外部系统连接用于接收外部系统的数据，主要功能器件为以太网标准信号转换器以及电磁兼容处理相关的保护器件。
[0116] 所述以太网信号驱动电路用于实现TCP/IP协议层数据到MAC物理层数据的转换及传输。
[0117] 所述以太网电器保护电路通过电信号与所述主控模块连接，用于对主控模块进行电路保护。
[0118] 具体地，所述功率甄别模块包括光功率计算MCU电路、微弱信号处理电路和光电二极管探测电路，
[0119] 所述光电二极管探测电路包括微弱光探测光电二极管和单光子级别探测APD管；所述微弱信号处理电路包括窄带射频功放模块；所述光功率计算MCU电路集成有ADC模块。
[0120] 优选地，所述光电二极管探测电路利用微弱光探测光电二极管实现微弱光信号转换为微弱电信号输出的功能，以及利用单光子级别探测APD管实现单光子级别的光强测量；所述微弱信号处理电路利用射频放大电路把微弱电信号放大为光功率计算MCU电路能够完整采集的模拟信号；所述光功率计算MCU电路利用内部高
精度ADC模块以及高速计数模块进行光功率的强度采集与计算，并通过I2C总线传输至所述主控模块。
[0121] 光功率计算MCU电路通过以下方式对光功率强度进行计算：所述光功率计算MCU电路内部的ADC模块测量得到的ADC数值乘以ADC每个二进制位所代表的数值，得到的就是光探测光电二极管测得的光功率数据；而光功率计算MCU电路内部的高速计数模块累计每秒的计数值即为APD管测得的光功率数据。
[0122] 优选地，所述级联开关模块包括控制接口单元、光开关控制单元、光开关驱动单元以及N×M光开关矩阵单元。
[0123] 所述控制接口单元接收主控模块发出的光开关切换控制指令后通过UART串口将指令发送给光开关控制单元，所述光开光控制单元通过光开关驱动单元控制N×M光开关矩阵单元完成指令所需的管开关切换动作。
[0124] 优选地，所述控制接口单元采用RS232或RS485芯片实现；所述光开关控制单元采用ARM或MCU器件实现；所述光开关驱动单元采用TTL驱动逻辑芯片实现；所述N×M光开关矩阵采用机械式光开关阵列或继电器光开关阵列实现。
[0125] 具体地，所述N×M光开关矩阵包括N个输入端口和M个输出端口，N与M的值可以相等，任意一个输入端口通过光信道分别与M个输出端口连接，N×M光开关矩阵实现了多用户对多用户的通信同时实现了量子通信的多
自由度选择。
[0126] 本实施例中N、M为任意的自然数，通过光模块内部的步进电机级联组合，将光路矩阵进行拓展，并严格控制切换失配引入的插入损耗，不仅可以满足目前较为通用的如4×8，8×32等配置，也可以满足定制的9×27等特殊配置，以及更大数值的N、M配置。同理，N、M数值反向配置也能够正常工作。
[0127] 一种安全性高的量子通信交换方法，应用了上述的一种安全性高的量子通信交换系统，该方法包括以下步骤：
[0128] S1:数据接收及转换:网络接口模块及主控模块的以太网物理层驱动单元接收系统发送过来的数据，并将接收的数据由TCP/IP协议层的数据格式转换为MAC物理层的数据格式；
[0129] S2:安全认证及解析:格式转换后的数据被传入到主控模块的ARM处理器电路的安全认证&协议处理单元进行安全认证，安全认证后进行数据分类，最后被解析为具体的控制指令；
[0130] S3:数据的光-电转换；解析出的控制指令被传输至光模块控制单元，光模块控制单元中的光功率探测单元对接收的光信号进行光-电转换，输出电压信号：
[0131] 同时，功率甄别模块的光电二极管探测电路对光信息进行光功率强度的采集与计算，若采集并探测到的光信号强度在预设的阈值范围内，则认为传输信道满足量子通信条件，跳转到步骤S4，否则，不启动下一步骤；
[0132] S4:控制指令被下发至级联光开关模块的光开关MCU，通过光开关MCU解析出光信号的输入端口编码、切换前及切换后的输出端口编码、功率大小及插入损耗参数；
[0133] 若解析出的参数符合光开关切换条件，则切换控制指令被输出至M×N光开关矩阵，对应的步进电机行进到预
定位置，执行相关动作，光路被改变，完成切换指令，否则，则不执行相关指令；
[0134] S5：执行结果反馈至主控模块的ARM处理器电路中进行保存。
[0135] 步骤S3中与预设的阈值范围是-80dBm～-110dBm。
[0136] 根据上述
说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和
修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的
权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对发明构成任何限制。
