具体实施方式

在下文中，本发明的示例性实施例将参照附图来详细描述。下面的实施例以举例的方式提供，以便充分传达本发明的精神给本发明所属领域的技术人员。因此，本发明不限于本文公开的实施例。

根据本发明，基于卫星中继的量子通信网络可以包括客户端、量子信息传输信道和经典信息传输信道，其中，经典信息传输信道与现有量子通信网络中的经典信息传输信道相同，因此本文中不再赘述。

在该量子通信网络中，客户端用于生成通信请求，并收发通信数据以开展通信业务。其中，通信请求可以至少包括用于通信业务的客户端信息，即通信本端的客户端信息和通信对端的客户端信息。

量子信息传输信道用于根据通信请求，利用量子光信号生成量子密钥，并利用量子密钥对通信数据进行加解密运算，以便安全地开展通信业务。

其中，本发明在量子信息传输信道中为量子光信号提供包括光纤传输信道和自由空间传输信道在内的多种信道选择，同时对网络链路状态进行监控，以便能够实时地根据网络链路状态从多种备选信道中选择合适的信道以用于量子光信号的传输，从而有效保障量子密钥的分发。

具体而言，量子信息传输信道可以包括量子加密应用设备、量子密钥管理设备、量子密钥收发设备、卫星及量子密钥管控中心。

在本发明的量子信息传输信道中，量子加密应用设备可以连接客户端，用于收发通信数据，并利用量子密钥对通信数据进行加解密运算。

例如，量子加密应用设备可以从通信本端的客户端处接收通信数据，并利用量子密钥对通信数据进行加密，从而允许能够以加密的方式将该通信数据发送给通信对端，以确保通信数据传输过程中的安全性。相应地，在通信对端处，量子加密应用设备可以利用共享的量子密钥，对接收到的加密的通信数据进行解密以生成通信数据的明文，并将其发送给客户端，由此以安全的方式实现一次单向通信过程。

优选地，量子加密应用设备可以采用一次一密的方式对通信数据进行加密。

量子密钥管理设备可以基于量子光信号传输信道的选择(例如光纤传输信道或自由空间传输信道)，实现量子光信号在量子密钥收发设备之间的传输路由控制，以及利用量子光信号的解码信息生成量子密钥，并对量子密钥进行输出管理。

优选地，量子密钥管理设备还可以生成和输出量子随机数，用于量子光信号的生成。

量子密钥收发设备可以利用量子随机数生成量子光信号，以及发射和接收量子光信号，并对量子光信号进行探测和解码以获得解码信息。其中，量子密钥收发设备可以借助自由空间和光纤信道，发射和接收量子光信号。

卫星可以向量子密钥收发设备发射量子光信号，以及从量子密钥收发设备处接收量子光信号，以实现量子光信号的发射和空间中继。

量子密钥管控中心可以根据通信请求对客户端进行身份认证和权限鉴定，监控各网络节点链路的运行状态，并根据链路运行状态对量子光信号的传输信道进行管理和选择。

如前所述，在本发明中，用于量子光信号的传输信道包括光纤传输信道和自由空间传输信道，因此，通过为量子光信号提供多信道选择功能并允许根据网络链路状态进行自适应选择，可以有效保证量子密钥分发过程中的信道顺畅，并能够极大提高抵抗DDoS攻击的能力，改善量子通信网络的通信性能。

图1示出了根据本发明的基于卫星中继的量子通信网络的一种具体实施方式，其中，该量子通信网络以在客户端A和B之间开展通信业务为例。

在图1所示的实施方式中，量子加密应用设备可以包括量子安全网关，其被设置成连接客户端，用于以明文的方式与客户端进行通信数据的交互，以及利用量子密钥对接收到的通信数据进行加密，对接收到的加密的通信数据进行解密。由此可见，在该量子安全网关中，利用量子密钥替换现有基于公钥算法分配的密钥，并基于预设算法对通信数据进行加密和解密运算，能够实现无条件安全的保密通信。

例如，在图1的示例中，当客户端A要向客户端B发送通信数据时，量子加密应用设备A中的量子安全网关将接收由客户端A发出的通信数据，并利用量子密钥对其进行加密，以允许通信数据能够以加密的方式传输给通信对端的客户端B。量子加密应用设备B将接收加密的通信数据，并在量子安全网关中利用量子密钥对加密的通信数据进行解密，获得通信数据的明文并发送给客户端B，由此，实现客户端A与B之间无条件安全的保密通信。

为实现加密的通信数据在不同的量子加密应用设备之间传输，量子加密应用设备还可以包括交换机和VPN模块。

交换机用于实现多个量子加密应用设备之间的连接，以便能够允许例如通信数据在多个量子加密应用设备之间的传输。

VPN模块用于实现量子安全网关与交换机之间的数据交互。作为示例，VPN模块可以为IPsec VPN模块、TLS/SSL VPN模块等。因此，在量子加密应用设备中，可以在由量子安全网关生成加密的通信数据之后，再利用IPSec VPN或TLS/SSL VPN模块实现网络层连接传输出去。

在该实施方式中，量子密钥收发设备可以包括密钥分发终端和密钥生成终端。其中，密钥分发终端用于利用量子随机数生成量子光信号，并向外发射量子光信号。密钥生成终端用于接收并对量子光信号进行探测和解码，以生成解码信息。

在本发明中，为给量子光信号提供多信道选择，量子密钥收发设备还可以包括地面站系统，其被设置成对量子卫星进行跟踪，并关于量子卫星发送和接收量子光信号，用于在量子卫星之间为量子光信号建立自由空间传输信道，以实现例如量子光信号的空间中继或发射。

例如，在图1的示例中，当选择自由空间传输信道，以空间中继的方式实现量子光信号在量子密钥收发设备A和B之间的传输时，量子密钥收发设备A的密钥分发终端利用量子随机数(其由量子密钥管理设备A提供)生成量子光信号，地面站系统将量子光信号发射给量子卫星，量子卫星作为中继节点将接收到的量子光信号转发给量子密钥收发设备B的地面站系统，地面站系统再将量子光信号发送给量子密钥收发设备B的密钥生成终端，并在该密钥生成终端中对量子光信号进行探测和解码，生成解码信息。

在该实施方式中，量子密钥管理设备可以包括量子密钥管理机和量子路由器。

量子密钥管理机可以生成量子随机数，并输出给一个或多个量子密钥收发设备，用于例如量子光信号的生成。

此外，量子密钥管理机还可以利用由量子密钥收发设备生成的解码信息，例如根据QKD协议生成量子密钥并将其进行存储，以及向外输出量子密钥，例如向量子加密应用设备中的量子安全网关或者其他应用层软件/硬件输出量子密钥。

量子路由器可以控制量子光信号在量子密钥收发设备之间的传输路由。例如，当选择自由空间传输信道，以空间中继的方式实现量子光信号在量子密钥收发设备A和B之间的传输时，量子路由器可以根据量子密钥收发设备A和B之间的自由空间传输信道，规划量子光信号的传输路由，例如以量子卫星作为中继节点。

在该实施方式中，量子密钥管控中心可以包括量子密钥管控设备和量子网络管理设备。

量子密钥管控设备可以对量子通信网络中各网络节点的量子设备进行管理和监控，例如监控各网络节点链路的运行状态，以及网络故障快速定位。

量子网络管理设备可以根据各网络节点链路运行状态对量子光信号的传输信道进行管理和选择。例如，当光纤链路发生拥堵时，可以选择自由空间传输信道实现量子光信号在量子密钥收发设备之间的传输。

此外，量子网络管理设备还可以对客户端进行身份认证，计费审计、权限管理等。例如，当客户端A提出要与客户端B进行通信的通信请求时，量子网络管理设备可以分别对客户端A和B的身份进行认证，并在认证通过后向量子密钥管理设备发出密钥生成指令，以允许量子密钥管理设备根据该指令生成量子随机数并输出给量子密钥收发设备。

为进一步理解本发明的基于卫星中继的量子通信网络的原理，下面将继续结合图1描述量子通信网络的组网方法。

在根据本发明的基于卫星中继的量子通信网络的组网方法中，可以包括通信请求步骤、身份认证步骤、量子密钥生成步骤和保密通信步骤。

在通信请求步骤中，由客户端A向量子密钥管控中心提出通信请求，其包括用于通信业务的客户端信息，例如通信本端的客户端信息和通信对端的客户端信息。

在身份认证步骤中，量子密钥管控中心(例如其中的量子网络管理设备)根据通信请求，对客户端A和B进行权限鉴定和身份认证。

在量子密钥生成步骤中，量子密钥管控中心将在认证通过后，向量子密钥管理设备发送密钥生成指令。

量子密钥管理设备A(例如其中的量子密钥管理机)将生成(和存储)量子随机数，并将该量子随机数路由至最优的量子密钥收发设备A。

同时，量子密钥管控中心(例如其中的量子网络管理设备)将根据当前各网络节点链路状态为量子光信号选择光纤传输信道或者自由空间传输信道。

当选择光纤传输信道时，将由量子密钥管理设备(例如其中的量子路由器)规划合适的光纤传输路由，以允许量子密钥收发设备A发射的量子光信号经光纤信道发送给量子密钥收发设备B。

当选择自由空间传输信道时，同样基于量子密钥管理设备规划的传输路由，量子密钥收发设备A将借助其地面站系统将量子光信号发送给量子卫星，由量子卫星中继转发给量子密钥收发设备B中的地面站系统，实现量子光信号在量子密钥收发设备A与B之间的传输。

量子密钥收发设备B(例如其中的密钥生成终端)将对量子光信号进行探测和解码以生成解码信息，并将解码信息传输给量子密钥管理设备B(例如其中的量子密钥管理机)，以允许量子密钥管理设备B(例如其中的量子密钥管理机)通过经典信道与量子密钥管理设备A(例如其中的量子密钥管理机)协商出共享的量子密钥密钥并存储，以作为通信两端的对称密钥使用。

随后，量子密钥管理设备A、B(例如其中的量子密钥管理机)根据量子密钥管控中心的指令分别向量子加密应用设备A、B(例如其中的量子安全网关)注入共享的量子密钥。

在保密通信步骤中，可以借助与客户端连接的量子加密应用设备(例如其中的量子安全网关)对通信数据进行加解密，以实现两端之间的安全通信。

例如，量子安全网关A可以利用共享的量子密钥将客户端A发出的通信数据进行加密，再借助经典信道将加密的通信数据发送给量子安全网关B，量子安全网关B利用共享的量子密钥将加密的通信数据解密后再将通信数据的明文提供给客户端B。

可选地，在量子密钥生成步骤中，还可以由量子卫星生成量子随机数，并分别发送给客户端A和B以协商出共享的量子密钥。

基于上文可知，在本发明所提出的基于卫星中继的量子通信网络及其组网方法中，相对于传统的组网方式，由于采用了量子密钥对通信数据进行加密，可以凭借量子力学基本原理确保通信数据在传输过程中的无条件安全；相对于光纤传输的量子加密组网方式，由于采用了卫星中继分发的自由空间组网模式，能够克服地理条件和通信距离的限制，降低量子网络的部署成本；借助量子密钥管控中心的管理模式，可以实现对各网络节点中的量子设备运行状态实时监控，提高网络运行的稳定性和故障排查的效率，同时还能实现身份认证、计费审计、网络认证等功能；更重要的是，通过将量子密钥管控中心设置成实时监控各网络节点链路运行状态，以及在通信网络中同时设置自由空间传输信道和光纤传输信道，提供根据网络链路运行状态在多信道中选择合适传输信道的功能，从而极大提升量子通信网络的运行稳定性，提高其抗DDoS攻击的能力，使其能够适应各种复杂的实际应用环境，扩展其应用范围。

尽管前面结合附图通过具体实施例对本发明进行了说明，但是，本领域技术人员容易认识到，上述实施例仅仅是示例性的，用于说明本发明的原理，其并不会对本发明的范围造成限制，本领域技术人员可以对上述实施例进行各种组合、修改和等同替换，而不脱离本发明的精神和范围。