量子城域网建设设备系列（一）：光量子交换机-编程知识

通过一段时间的讨论，我们已经对城域网的建设有了一定的基础概念，从本文开始，我们将逐步开始讨论量子城域网建设过程中的设备。本文我们讨论光量子交换机。

1.光量子交换机的基本概念

如下图为两个国产光量子交换机，这两款设备均用于量子信道的时分复用。光量子交换机的主要参数为工作波长、通道数、插入损耗、光通道切换时间和隔离度等，在网络建设设备选型中，要根据网络的实际情况进行选择。

这里需要辨析一下光量子交换机和量子加密交换机。光量子加密交换机主要是为了实现QKD网络中，建立点对点量子信道的，比如发送端是Alice一个，但是接收端是Bob1和Bob2，场景为上午Alice跟Bob1协商量子密钥，下午为Alice跟Bob2协商密钥，这就是所谓的时分复用，这种场景下的信道切换就采用光量子交换机实现；而量子加密交换机是在传统和数据加解密交换机的基础上，将加密密钥采用量子密钥。简而言之，光量子交换机是产生密钥过程中用的设备，而量子加密交换机是使用量子密钥的应用层设备。

2.光量子交换机的用途与用法

下图为一个含有光量子交换机的量子密钥分发网络架构示意图。在该通信架构中，密钥管理服务器（Key Management Server，KMS）可经由光量子交换机实现量子信道的切换，网络管理服务器（Network Management Server，NMS）可经由光量子交换机访问连接的各个QKD设备的运行状态。

博主为交换机的英文“Switch”表达的意思很贴切。从用途上来讲，光量子交换机和经典交换机的用途是一致的，都是负责信道切换。本质上光量子交换机就是实现传输平面的功能，相当于交换网络，为量子设备提供量子信道，采用光开关，实现对量子信息的交换，即对光信息的交换。

总结，光量子交换机在量子密钥分发网络中负责量子信道切换，具体来说是由KMS进行控制，实现QKD设备之间的量子信道联通。

关于光量子交换机的使用方法，我们结合下图分析，下图为包含光量子交换机的量子密钥分发系统，该网络中包含QKD发射机和QKD接收机、光量子交换机、管理服务器等。在实施过程中，通过光量子交换机通过保偏光纤与QKD设备的光口进行连接，通过经典网络与QKD设备的网口进行连接，控制口与服务器连接，从而实现量子信道交换功能。

3.光量子交换机实现原理

从流程上来说，光量子交换机工作就是由KMS下发要进行协商的QKD终端指令，由交换控制模块下发指令给光交叉连接驱动模块，最终由光开关部分完成光量子通道的切换。

下图为来包含量子交换机的量子密钥分发网络架构示意图。其中交换机主要包含三部分，分别为控制模块、交换网络以及输入输出接口。其中控制模块是为了完成量子通信网络网络中控制平面的功能，包括呼叫连接的建立、链路资源的管理、路由的建立和维护、管理平面和控制平面的连接、管理平面和传输平面的连接等功能并且为量子通信提供了TCP/IP网络作为辅助信道。交换网络和输入输出接口则实现了传输平面以及接口的功能它为量子通信提供了量子信道。

基于上述交换机三部分具体功能，下图为量子交换机实现结构图。该交换机从结构上来说分为光路和电路两部分。其中光路部分，其中下层光路为光交叉连接模块。上层电路为交换控制和光交叉连接控制模块。

3.1交换控制模块

光量子交换机的交换控制模块需要实现控制层面和传输层面的连接，主要实现的功能有：

支持多个Ethernet和MAC标准接口，以便用户拓展和接入；
支持TCP/IP网络接入，为密钥分发系统经典信道联通提供支持；
对用户呼叫连接进行管理，负责建立、维持和拆除连接；
路由实时运算及维护；
提供量子信道接入并对网络资源进行管理；
可实现远程控制，可分布式协同组网；

本文提供一种基于嵌入式系统的实现方案，下图为控制模块的设计方案。采用分层设计，对于底层的硬件平台，针对现实中网络数据的处理需求我们选用了嵌入式网络处理器来实现所需功能，并基于此搭建了由该处理器直接控制的硬件平台，而对于中层的嵌入式操作系统，我们采用嵌入式 linux操作系统因其具有体积小、稳定性好并且源码开放制作使用成本低，同时也具有良好的可扩展和移植性，它自带的TCP/IP协议栈以及函数库也可以为上层平台提供标准的socket编程接口，实现了应用程序和底层硬件的隔离。而顶层的交换控制应用程序，路由协议采用了一种内部网关协议RIP，呼叫连接处理以及链路资源管理的程序仍基于socket 网络接口和多线程库来完成。

3.2光交叉连接及其驱动模块

光交叉连接控制模块的作用是为量子通信提供量子信道，在实际工程中可以使用机械式光开关完成此项功能。光开关分为机械式和非机械式，非机械式利用了光电效应、磁光效应及热光效应等改变波导介质的折射率，进而改变光路完成开关功能。机械式光开关包括移动光纤、移动套管、移动准直器、移动反光镜、移动棱镜和移动耦合器。下图为一个1*4机械光开关原理图以及实物图。我们以移动式光纤光开关为例，其内部通常由一根活动光纤，两根固定光纤构成。类似于传统的电开关它可以通过控制电信号产生磁场吸附活动光纤上下移动，进而可以让它分别和两根固定的光纤接合来实现光路的切换。
在实际工程中，机械式光开关的插入损耗较低、光路间的隔离度高、不受偏振和波长的影响的优点，因此目前多采用机械式光开关，本文第一节展示的国盾的光量子交换机就是采用机械式光开关。

光交叉连接模块驱动电路设计包含硬件电路设计和软件设计，工作时通过 D0-D3 上加的控制信号来选择不同的通路。本文中引用的光开关模块有9个控制管脚，各个管脚的功能分别为：

D[0-3]：位二进制数如数据位，其中 D0 为低位，D3 位高位，通过这四位的电平选通相应的光路。如：0000b为接通一号光路；0001b接通二号光路，依次类推；
/RESET：控制光开关复位，高电平有效；
/READY：光开关指示准备就绪可以接受控制数据，低电平有效；
ERROR：光开关工作故障标志位，高电平有效；
直流 5V 电源及 GND 管脚。

4.写在最后

光量子交换机是量子密钥分发网络中一种重要的组网设备。在实际应用中，光量子交换机直接关系到量子密钥的生成，除了保证其可通信性，还要保证其安全性。从实现的功能角度来说，光量子交换机的功能还是比较基础，通过本文希望大家直观的看到光量子交换机的用途和技术原理，后期如果遇到，对光量子交换机的基础知识就有所储备了。

本文如有谬误，还请大家不吝指出。