[论文解读] First Experimental Demonstration of Secure NFV Orchestration over an SDN-Controlled Optical Network with Time-Shared Quantum Key Distribution Resources

Alejandro Aguado, E. Hugues-Salas+11 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2016

Optical Network Technologies被引用 7

一句话总结

本论文首次通过时间共享的量子密钥分发（QKD）实现对软件定义网络（SDN）控制的光网络中安全网络功能虚拟化（NFV）编排的实验演示。通过将QKD与SDN和NFV集成，作者实现了基于动态分配的量子密钥的端到端加密，展示了通过QKD信道时分复用实现实用化密钥分发的可扩展、低成本解决方案，适用于未来光网络的安全保障。

ABSTRACT

We demonstrate, for the first time, a secure optical network architecture that combines NFV orchestration and SDN control with quantum key distribution (QKD) technology. A novel time-shared QKD network design is presented as a cost-effective solution for practical networks.

研究动机与目标

• 为下一代光网络中日益增长的安全、动态网络服务需求提供解决方案。
• 解决专用QKD链路在实际部署中成本高昂且可扩展性有限的问题。
• 将QKD与SDN和NFV集成，以实现网络服务的自动化、端到端加密。
• 演示一种时分复用方法，用于在多个用户或服务之间共享QKD资源。
• 验证基于量子安全密钥分发的可编程光网络架构的可行性与性能。

提出的方法

• 设计了一种时间共享的QKD网络架构，多个用户或服务通过时分复用共享单条QKD链路。
• SDN控制器负责网络配置并编排NFV功能，使用QKD生成的密钥实现安全通信。
• 基于BB84协议的量子密钥交换在100 km光纤链路上完成，各用户密钥速率动态分配。
• 系统将基于SDN的网络控制与NFV编排相结合，实现服务配置与密钥分发的自动化。
• 在真实光网络基础设施上构建了测试平台，QKD、SDN和NFV组件共置并互联。
• 密钥分发与网络服务配置同步进行，确保服务激活前密钥已准备就绪。

实验结果

研究问题

• RQ1 时间共享的QKD架构能否有效支持在共享光网络基础设施中多个网络服务的安全密钥分发？
• RQ2 SDN、NFV与QKD的集成如何实现动态、自动化且安全的网络服务配置？
• RQ3 在时分复用的QKD设置中，实际网络部署下可实现的性能与密钥速率如何？
• RQ4 如何在无专用链路的情况下，安全且高效地在多个用户或服务之间共享量子密钥？
• RQ5 在真实光网络中通过时间共享方式大规模部署QKD时，存在哪些实际限制与权衡？

主要发现

• 首次成功实现了基于QKD的SDN控制光网络中安全NFV编排的实验演示。
• 时间共享的QKD架构通过单条QKD链路实现了多用户间的动态密钥分发，显著降低了基础设施成本。
• 在时分复用配置下，每个用户的密钥速率最高达到1.5 kbps，足以保障控制平面通信的安全。
• SDN与NFV的集成实现了基于QKD生成密钥的加密网络服务自动化配置。
• 系统在端到端网络功能层面实现了安全保障，密钥在服务激活前即已配置，确保了机密性。
• 该方法在真实光网络测试平台上得到验证，证明了时间共享QKD在面向未来安全网络中的可扩展性与实用性。