Kuantum anahtar dağıtımı, iki uzak noktanın simetrik şifreleme anahtarlarını kuantum fiziğinin özelliklerinden yararlanarak paylaşmasını sağlar. Ancak günümüzde ticari olarak kullanılabilen QKD sistemlerinin mesafesi ve gizli anahtar üretim hızı sınırlıdır. Çok uzak kullanıcılar arasında kuantum anahtarı oluşturulmak istendiğinde anahtarın birden fazla güvenilen ara düğüm üzerinden aktarılması gerekir. Her ara düğümde yapılan şifreleme, çözme ve anahtar yönetimi işlemleri hizmetin başlamasını geciktirebilir.

Bu çalışmada araştırmacılar, kuantumla güvenli bir hizmet talebi gelmeden önce belirli düğüm çiftleri için anahtar hazırlayan proaktif bir kuantum anahtarı aktarma algoritması önermektedir. Algoritma; aktarma yolunun uzunluğunu, düğümler arasında bulunan anahtar sayısını ve mevcut anahtarların kalan kullanım ömrünü birlikte değerlendirmektedir. İşlem iki aşamada yürütülmektedir: Önce kullanıcı ağında birbirine komşu hizmet noktaları için 1-hop anahtarları, ardından daha uzak noktalar için n-hop anahtarları hazırlanmaktadır.

Yöntem, NSFNET ve COST 266 topolojilerinden türetilen iki kuantum anahtar dağıtım ağı üzerinde simüle edilmiştir. NSFNET tabanlı senaryoda geleneksel talep üzerine aktarımın ortalama anahtar yanıt gecikmesi 607,7 milisaniyeyken, yalnızca 1-hop proaktif aktarımda 91,3 milisaniyeye ve 1-hop ile n-hop aşamalarının birlikte kullanılmasında 65,6 milisaniyeye düşmüştür. Bu son değer geleneksel yönteme göre yaklaşık %89,2 daha düşük gecikmeye karşılık gelmektedir. Aynı koşulda kuantumla güvenli biçimde karşılanan hizmet sayısı 31.665’ten 27.911’e düşmüş; toplam göreli kayıp yaklaşık %11,9 olmuştur.

COST 266 tabanlı senaryoda gecikme 505,4 milisaniyeden 109,1 milisaniyeye düşerek yaklaşık %78,4 azalmıştır. Buna karşılık karşılanan hizmet sayısı 33.533’ten 28.156’ya gerilemiş ve yaklaşık %16 kayıp oluşmuştur. Sonuçlar, anahtarların önceden hazırlanmasının hizmeti hızlandırabildiğini; ancak talep gelmeden tüketilen ve kullanım ömrü dolan anahtarların toplam hizmet kapasitesini azaltabildiğini göstermektedir.

Çalışma fiziksel bir QKD test ortamı kullanmamaktadır. Gecikmeler sabit düğüm işlem sürelerinden hesaplanmış, anahtar üretimi olasılıksal bir modelle temsil edilmiş ve simülasyon yalnızca bir saniyeye karşılık gelen 1000 zaman dilimi boyunca yürütülmüştür. Bu nedenle önerilen yöntem, gerçek ağlara aktarılmadan önce fiziksel QKD cihazları, gerçek trafik ve daha uzun süreli deneylerle doğrulanmalıdır.

Kuantum anahtar dağıtımı neyi güvence altına alır?

Kuantum anahtar dağıtımı veya QKD, iki taraf arasında simetrik şifrelemede kullanılacak gizli anahtarların paylaşılmasını amaçlar. Kuantum durumlarının ölçüm sırasında bozulması nedeniyle kuantum kanalına yapılan bir dinleme girişimi ilke olarak tespit edilebilir.

QKD doğrudan bütün kullanıcı verisini kuantum kanalı üzerinden taşımaz. Sistem önce iki uç arasında ortak bir gizli anahtar üretir. Bu anahtar daha sonra tek kullanımlık şifreleme veya AES gibi simetrik kriptografik yöntemlerde kullanılabilir. Haberleşmenin güvenliği yalnızca QKD protokolüne değil; uç cihazların, kimlik doğrulamanın, anahtar yöneticilerinin, klasik iletişim kanalının ve aktarma düğümlerinin güvenliğine de bağlıdır.

Çalışmada kullanılan katmanlı ağ mimarisi

Sayfa 2’deki Şekil 1, ITU-T tarafından tanımlanan kuantumla güvenli ağ mimarisini dört katmanda göstermektedir:

Çalışmada aynı konumda bulunan anahtar yöneticisi ile ona bağlı QKD modülü birlikte “QKD düğümü” olarak adlandırılmaktadır. Kullanıcı uygulamasının bulunduğu her noktada bir QKD düğümü vardır; ancak uzun mesafeli bağlantılarda bunların arasına yalnızca anahtar aktarmak için kullanılan ek QKD düğümleri yerleştirilmektedir.

Güvenilen aktarma düğümü neden gereklidir?

Ticari BB84 tabanlı QKD sistemlerinde tek bir kuantum bağlantısının erişebileceği mesafe sınırlıdır. İki uygulama düğümü doğrudan QKD anahtarı üretemeyecek kadar uzaksa araya güvenilen düğümler konulur.

Sayfa 5’teki Şekil 2 iki aktarma yöntemini göstermektedir. İlk yöntemde komşu iki QKD düğümü arasında üretilen anahtarlardan biri uzak uçlar için hizmet anahtarı olarak taşınır. İkinci yöntemde başlangıç düğümü kuantum rastgele sayı üretecinden bağımsız bir rastgele anahtar oluşturur ve bu anahtarı her bağlantıdaki QKD anahtarıyla XOR işlemi kullanarak ara düğümler üzerinden iletir.

Örneğin a, b ve c düğümleri için a ile c arasında doğrudan QKD bağlantısı yoksa a–b anahtarı \(k_{a,b}\), b–c anahtarı ise \(k_{b,c}\) olarak gösterilebilir. Rastgele hizmet anahtarı \(k_r\), a düğümünde önce \(k_{a,b}\) ile şifrelenir. b düğümü bu anahtarı çözer, ardından \(k_{b,c}\) ile tekrar şifreleyerek c düğümüne gönderir.

Bu yöntemin kritik güvenlik koşulu, b düğümünün güvenilir olmasıdır. Ara düğüm hizmet anahtarının açık hâline erişebildiği için ele geçirilmesi uçtan uca gizliliği bozabilir. Çalışma, ölçüm cihazından bağımsız veya cihazdan bağımsız QKD yaklaşımlarının bu varsayımı azaltabileceğini belirtmekle birlikte önerilen simülasyonda ticari BB84 ve güvenilen düğüm modeli kullanılmaktadır.

Anahtar yaşam süresi neden önemlidir?

Anahtar yöneticisi her kuantum anahtarına belirli bir kullanım ömrü atamaktadır. Ömrü dolan anahtar, kullanılmamış olsa bile havuzdan çıkarılır. Birden fazla anahtar tüketilerek uzak iki düğüm arasında yeni anahtar oluşturulduğunda, yeni anahtarın kalan ömrü kullanılan anahtarların en kısa kalan ömrüne eşitlenmektedir.

Örneğin \(k_{a,b}\), \(k_{b,c}\) ve \(k_r\) anahtarlarının kalan ömürleri sırasıyla \(l_{a,b}\), \(l_{b,c}\) ve \(l_r\) ise aktarma sonunda oluşan anahtarın kalan ömrü:

\[ l_{\mathrm{yeni}}=\min(l_{a,b},l_{b,c},l_r) \]

olarak belirlenmektedir. Bu kural, önceden oluşturulan uzun mesafeli anahtarların hızlı biçimde süresinin dolabilmesine yol açar. Dolayısıyla proaktif aktarım gecikmeyi azaltırken henüz talep gelmeden kıt anahtar kaynaklarını tüketebilir.

Kuantum anahtarı yanıt gecikmesi nasıl tanımlanmıştır?

Sayfa 7’deki Şekil 3, ITU-T Y.3807 standardına dayanan beş aşamalı anahtar sağlama sürecini göstermektedir:

1. Uygulama düğümü a, a ile c arasındaki hizmet için QKDN’den anahtar ister.
2. QKDN, anahtarı ve anahtar kimliğini a düğümüne verir.
3. a uygulaması anahtar kimliğini c uygulamasına bildirir.
4. c uygulaması aynı kimlikle QKDN’den anahtarı ister.
5. QKDN, karşılık gelen anahtarı c uygulamasına sağlar.

Kuantum anahtarı yanıt gecikmesi veya KRD, birinci adımın başlangıcından beşinci adımın bitimine kadar geçen süre olarak tanımlanmaktadır:

\[ KRD(r_{sd}^{t,i})=\tau_{21}(r_{sd}^{t,i})+\tau_{32}(r_{sd}^{t,i})+\tau_{43}(r_{sd}^{t,i})+\tau_{54}(r_{sd}^{t,i}) \]

Burada \(r_{sd}^{t,i}\), t anında s ve d düğümleri arasında oluşan i’nci kuantumla güvenli hizmet isteğidir. \(\tau_{mn}\), anahtar sağlama işleminin ilgili adımları arasındaki süreyi temsil eder.

Talep üzerine çalışan geleneksel yöntemde anahtar aktarımı birinci ve ikinci adımlar arasında yapılır:

\[ \tau_{21}(r)=\tau_{21\setminus relay}(r)+t_{\mathrm{relay}}\{p(r)\} \]

\(\tau_{21\setminus relay}\), aktarma bulunmadığında geçen süreyi; \(t_{\mathrm{relay}}\{p(r)\}\) ise seçilen yol üzerindeki anahtar aktarma işlemlerinin toplam süresini gösterir.

Çalışmada aktarma dışındaki bütün anahtar sağlama işlemleri için toplam 20 milisaniye kabul edilmiştir. Ara düğümdeki her aktarma işlemi 20 milisaniye, uygulama düğümüyle aynı konumdaki QKD düğümünde yapılan her aktarma işlemi ise 40 milisaniye olarak modellenmiştir:

\[ t_{\mathrm{relay}}\{p(r)\}=T_QN_Q\{p(r)\}+T_{QA}N_{QA}\{p(r)\} \]

\[ KRD(r)=20+20N_Q\{p(r)\}+40N_{QA}\{p(r)\} \]

• \(N_Q\): Yol üzerinde uygulama düğümü bulunmayan QKD düğümlerinin sayısıdır.
• \(N_{QA}\): Uygulama düğümüyle aynı konumdaki QKD düğümlerinin sayısıdır.
• \(T_Q=20\) ms ve \(T_{QA}=40\) ms olarak kabul edilmiştir.

Bu modelde gecikme, yol üzerindeki aktarma düğümü sayısıyla doğrusal biçimde artmaktadır. Proaktif yöntemin temel amacı, istek gelmeden aktarım yaparak istek anındaki \(N_Q\) ve \(N_{QA}\) değerlerini azaltmaktır.

Gecikme modelinin kapsamı

Denklemde uygulamalar arasındaki üçüncü mesajın iletim gecikmesi hesaba katılmamıştır. Araştırmacılar bu sürenin kullanılan kriptografik uygulamaya bağlı olduğunu ve QKDN’nin hizmet kalitesini doğrudan temsil etmediğini belirtmektedir.

Merkezi denetleyicinin ağ durumunu toplama, yol hesaplama ve kontrol mesajı gönderme süreleri de önceden gerçekleştirildiği varsayılarak KRD dışında bırakılmıştır. Böylece model esas olarak anahtar yöneticilerindeki aktarma işlem maliyetini ölçmektedir. Gerçek uçtan uca hizmet başlatma gecikmesi bundan daha yüksek olabilir.

Proaktif anahtar aktarımının temel fikri

Talep üzerine yöntemde uzun mesafeli anahtar, kullanıcı isteği geldikten sonra oluşturulur. Proaktif yöntemde ise ağın boş veya kaynak açısından uygun olduğu anda gelecekte kullanılabilecek anahtarlar hazırlanır.

Bu işlem bağlantı düzeyindeki anahtar havuzlarını, önceden aktarılmış çok atlamalı anahtar havuzlarına dönüştürmektedir. Kullanıcı talebi geldiğinde uygun bir önceden hazırlanmış anahtar bulunursa uzun aktarma zinciri yeniden çalıştırılmaz ve hizmet daha kısa sürede başlar.

Sayfa 10’daki Şekil 5, iki proaktif aşamayı ayırmaktadır:

• 1-hop proaktif aktarım: Kullanıcı ağında doğrudan komşu uygulama düğümlerine bağlı QKD düğümleri için önceden anahtar oluşturur.
• n-hop proaktif aktarım: Kullanıcı ağında birden fazla bağlantıyla ayrılan daha uzak uygulama düğümleri için anahtar oluşturur.

Buradaki “hop” ifadesi QKD ağındaki fiziksel aktarma düğümü sayısını değil, kullanıcı ağındaki uygulama düğümleri arasındaki uzaklığı göstermektedir. Kullanıcı ağında 1-hop olan bir çiftin QKDN yolunda çok sayıda ara QKD düğümü bulunabilir.

Her zaman dilimindeki işlem sırası

Sayfa 11’deki Şekil 6, bir zaman dilimindeki anahtar yönetimini şu sırayla göstermektedir:

1. Mevcut anahtarların kalan kullanım ömürlerinin azaltılması,
2. Süresi dolan anahtarların silinmesi,
3. QKD bağlantılarında yeni anahtarların üretilmesi,
4. 1-hop proaktif anahtar aktarımının çalıştırılması,
5. n-hop proaktif anahtar aktarımının çalıştırılması,
6. Kuantumla güvenli hizmet isteklerinin alınması,
7. İsteklere anahtar sağlanması.

Aynı zaman diliminde birden fazla hizmet isteği bulunursa istekler ilk giren ilk çıkar sırasıyla işlenmektedir. Uygun QKD anahtarı bulunamayan isteğin kuantumla güvenli hizmet olarak karşılanmadığı, bunun yerine kuantum sonrası kriptografi gibi başka bir koruma yöntemiyle ele alınabileceği varsayılmıştır.

1-hop proaktif anahtar algoritması

Sayfa 12’deki Algoritma 1, kullanıcı ağında doğrudan komşu olan bütün düğüm çiftlerini değerlendirmektedir. Her çift için QKDN üzerindeki en kısa yol belirlenmektedir.

Proaktif aktarımın yapılabilmesi için iki ana koşul uygulanmaktadır:

1. Yol üzerindeki her bağlantıda bulunan anahtar sayısı, hedef düğüm çifti arasında önceden hazırlanmış anahtar sayısından fazla olmalıdır.
2. Yol üzerinde kullanılacak anahtarların en uzun ve en kısa kalan ömürleri arasındaki fark \(th_1\) eşiğinden küçük olmalıdır.

İkinci koşul:

\[ l_{\max}-l_{\min}

şeklindedir. Kalan ömürleri birbirine yakın anahtarların birlikte tüketilmesi, uzun ömürlü bir anahtarın çok kısa ömürlü bir anahtar yüzünden erken geçersiz hâle gelmesini azaltmayı amaçlamaktadır.

Koşullar sağlanırsa yol üzerindeki bağlantılardan birer anahtar çıkarılır ve hedef 1-hop düğüm çiftinin havuzuna yeni bir anahtar eklenir. Yeni anahtarın ömrü yol üzerinde tüketilen anahtarların en düşük kalan ömrüne eşitlenir.

n-hop proaktif anahtar algoritması

Sayfa 14’teki Algoritma 2, 1-hop aşamasının çıktısını kullanarak daha uzak düğüm çiftleri için anahtar hazırlar. Her uç çift için kullanıcı ağındaki en kısa bağlantı sayısı hesaplanmakta ve şu ağırlık kullanılmaktadır:

[ w(s,d)=K(s,d)\times dist(s,d) \]

• \(K(s,d)\), s ve d arasında hâlihazırda bulunan proaktif anahtar sayısıdır.
• \(dist(s,d)\), kullanıcı ağındaki en kısa yolun bağlantı sayısıdır.

Düğüm çiftleri ağırlığa göre küçükten büyüğe sıralanır. Böylece daha az anahtarı bulunan ve görece daha yakın olan çiftlere öncelik verilmesi amaçlanır.

1-hop havuzlarında hedef n-hop çiftinden daha fazla anahtar bulunması ve anahtar ömürleri arasındaki farkın \(th_n\) eşiğini aşmaması hâlinde aktarma gerçekleştirilir:

\[ l_{\max}-l_{\min}

n-hop anahtarı üretmek için birkaç 1-hop proaktif anahtar tüketildiğinden, süresi dolan bir n-hop anahtarının kaynak maliyeti daha yüksektir. Araştırmacılar bu nedenle:

[ th_n\leq th_1 \]

kuralını önermektedir.

Eşikler gecikme ile kapasite arasındaki dengeyi nasıl değiştirir?

\(th_1\) ve \(th_n\) yükseldikçe kalan ömürleri daha farklı anahtarların birlikte kullanılmasına izin verilir. Böylece proaktif aktarım daha sık çalışır ve daha fazla uzak uç anahtarı önceden hazırlanır.

Büyük eşik:

• İstek anındaki aktarma işlemlerini azaltır.
• Ortalama KRD’yi düşürür.
• Talep gelmeden daha fazla bağlantı anahtarı tüketir.
• Kullanılmadan süresi dolan anahtar sayısını artırabilir.
• Kuantumla güvenli hizmet sağlama oranını düşürebilir.

Küçük eşik ise anahtarları korur, ancak daha fazla isteğin talep üzerine uzun aktarma yollarından geçirilmesine neden olur.

Simülasyonda kullanılan ağlar

Sayfa 16’daki Şekil 7’de NSFNET ve COST 266 omurga topolojileri gösterilmektedir. Her kullanıcı ağı bağlantısına yaklaşık 100 kilometrede bir güvenilen QKD aktarma düğümü eklenmiştir.

NSFNET daha az kullanıcı düğümüne sahip olmakla birlikte bazı bağlantıları 2800 kilometreye ulaşan daha uzun yollar içermektedir. COST 266 daha fazla kullanıcı düğümü ve daha yoğun bir bağlantı yapısı sunmaktadır. Bu farklar algoritmanın ağ ölçeği ve bağlantı yoğunluğu karşısındaki davranışını karşılaştırmak için kullanılmıştır.

Simülasyon parametreleri

Normal dağılım negatif sonuç üretirse o zaman diliminde anahtar üretilmemiştir. Bununla birlikte kesirli sonuçların tam anahtar sayısına nasıl dönüştürüldüğü açıklanmamıştır.

Anahtar havuzunun 100.000 olarak belirlenmesine rağmen bir bağlantıda 20 zaman dilimlik ömür boyunca beklenen anahtar miktarı yaklaşık 200’dür. Bu nedenle bildirilen koşullarda havuz kapasitesi pratikte bağlayıcı bir sınır oluşturmamaktadır. Çalışma sabit havuz kapasitesini modele eklemiş olsa da sonuçlardaki temel kısıt anahtarın kısa yaşam süresidir.

1-hop algoritmasının gecikme sonuçları

Sayfa 18’deki Şekil 8, \(th_1\) değeri 0’dan 20’ye yükseldiğinde KRD’nin her iki topolojide de azaldığını göstermektedir. \(th_1=0\), proaktif aktarım yapılmayan geleneksel talep üzerine yönteme karşılık gelmektedir.

NSFNET’te %50 istek yükünde talep anında gereken ortalama aktarma işlemi 28,8’den 2,8’e düşmüştür. COST 266’da aynı yük altında değer 24,4’ten 5,5’e gerilemiştir. KRD denkleminde gecikme doğrudan aktarma sayısıyla bağlantılı olduğundan bu azalma sonuçlara yansımıştır.

Hizmet sağlama oranındaki kayıp

Proaktif aktarım anahtarları önceden tükettiği için \(th_1\) yükseldiğinde kuantumla güvenli biçimde karşılanan isteklerin oranı genellikle azalmıştır.

Örneğin NSFNET’in %50 yük senaryosunda KRD yaklaşık %85 azalırken sağlama oranı %70,0’tan %62,5’e düşmüştür. Bu değer 7,5 yüzde puan veya göreli olarak yaklaşık %10,7 kayıp anlamına gelir. Yüzde puan düşüşü ile başlangıç değerine göre göreli kayıp birbirinden ayrılmalıdır.

Proaktif anahtarların ne kadarı kullanılmadan sona ermiştir?

Sayfa 20’deki Şekil 9, COST 266 topolojisinde %10 istek yükü altında \(th_1\) yükseldikçe üretilen proaktif anahtar sayısının hızla arttığını göstermektedir.

\(th_1=20\) koşulunda:

• 4353 adet 1-hop proaktif anahtar oluşturulmuştur.
• Yaklaşık 3098 anahtar hizmetlerde kullanılmıştır.
• Yaklaşık 1249 anahtar kullanılmadan zaman aşımına uğramıştır.
• Tablo 5’e göre hizmette kullanım oranı %71, sona erme oranı %29’dur.

\(th_1=18\) değerinde sona erme oranı %9 iken \(th_1=20\) değerinde %29’a çıkmıştır. Bu sonuç, daha saldırgan proaktif aktarımın gecikmeyi azaltırken anahtar israfını hızla artırdığını göstermektedir.

n-hop aşamasının ek katkısı

Sayfa 22’deki Şekil 10’da n-hop aşamasının etkisi, \(th_1=15\) ve \(th_1=20\) için ayrı ayrı gösterilmiştir. \(th_1=15\) olduğunda yeterli sayıda 1-hop anahtarı hazırlanmadığı için n-hop eşiğinin artırılması KRD’yi çok az değiştirmiştir.

\(th_1=20\) olduğunda ise n-hop aşamasının kullanabileceği daha fazla 1-hop anahtarı bulunmaktadır:

NSFNET’te n-hop aşaması karşılanan hizmet sayısını 28.245’ten 27.911’e düşürmüş; ek kayıp yaklaşık %1,2 olmuştur. COST 266’da ise sayı 30.321’den 28.156’ya gerilemiş ve yaklaşık %7,1 ek kayıp oluşmuştur. Dolayısıyla n-hop aşamasının kapasite maliyeti topolojiye göre belirgin biçimde değişmektedir.

Geleneksel, 1-hop ve n-hop yöntemlerinin doğrudan karşılaştırması

Sayfa 24’teki Şekil 11 üç yöntemin seçilmiş koşullardaki karşılaştırmasını vermektedir.

NSFNET senaryosunda tam proaktif yöntemin gecikmesi geleneksel yönteme göre yaklaşık %89,2 azalmış, karşılanan hizmet sayısı yaklaşık %11,9 düşmüştür. COST 266 senaryosunda gecikme yaklaşık %78,4 azalırken hizmet sayısındaki kayıp yaklaşık %16 olmuştur.

Bu iki sonuç, “gecikmede yaklaşık %89 azalma” değerinin her topoloji için geçerli olmadığını göstermektedir. En yüksek kazanç seçilen NSFNET koşulunda elde edilmiştir.

n-hop anahtarların kullanım oranı

Sayfa 25’teki Şekil 12, COST 266 topolojisinde \(th_1=20\) ve %10 istek yükü için proaktif anahtarların kullanımını göstermektedir.

\(th_n=20\) olduğunda:

• 4351 adet 1-hop proaktif anahtar oluşturulmuştur.
• Bunların 2511’i n-hop anahtarı üretmek için tüketilmiştir.
• 1391’i doğrudan hizmet isteklerinde kullanılmıştır.
• 447’si süresi dolduğu için silinmiştir.
• 1155 adet n-hop anahtarı oluşturulmuştur.
• 810 n-hop anahtarı hizmetlerde kullanılmıştır.
• 345 n-hop anahtarı kullanılmadan sona ermiştir.

Tablo 7’ye göre \(th_n=20\) koşulunda n-hop anahtarlarının %70’i hizmette kullanılmış, %30’u süresi dolduğu için kaybedilmiştir. Proaktif anahtar oluşturma agresifleştiğinde kullanılan mutlak anahtar sayısı artsa da kayıp kaynak miktarı da büyümektedir.

Sonuçların doğru yorumlanması

Çalışma, ağın bütün isteklerini hem daha hızlı hem de aynı başarı oranıyla karşılayan maliyetsiz bir yöntem göstermemektedir. Ortaya çıkan sonuç bir değiş tokuştur:

• Önceden anahtar hazırlanırsa başarıyla karşılanan istekler daha kısa bekler.
• Fazla anahtar hazırlanırsa bunların bir bölümü kullanılmadan sona erer.
• Anahtar havuzları gereksiz yere tüketilirse bazı yeni istekler QKD anahtarı bulamaz.
• Eşikler düşük tutulursa kaynak korunur fakat KRD yeniden yükselir.

Bu nedenle ağ işletmecisinin yalnızca en düşük KRD’yi hedeflemesi uygun değildir. Kabul edilebilir gecikme, istek engelleme oranı, anahtar üretim kapasitesi ve hizmet öncelikleri birlikte değerlendirilmelidir.

Çalışmanın güçlü yönleri

• KRD, ITU-T’nin beş aşamalı anahtar sağlama sürecine bağlanarak matematiksel biçimde tanımlanmıştır.
• Talep üzerine aktarım ile proaktif aktarım aynı simülasyon düzeninde karşılaştırılmıştır.
• Sonlu anahtar ömrü hesaba katılmış ve kullanılmadan sona eren anahtarlar izlenmiştir.
• Anahtar üretimi sabit değil, stokastik olarak modellenmiştir.
• Anahtar miktarı ile kalan anahtar ömrü aynı aktarım kararında kullanılmıştır.
• 1-hop ve n-hop aşamaları ayrı ayrı değerlendirilerek her aşamanın ek katkısı gösterilmiştir.
• Farklı büyüklük ve bağlantı yapısına sahip NSFNET ve COST 266 topolojileri kullanılmıştır.
• Gecikmenin yanında hizmet sağlama oranı ve anahtar kullanım verimliliği de raporlanmıştır.
• Proaktif aktarımın her koşulda yararlı olmadığı açıkça gösterilmiştir.

Başlıca sınırlılıklar

• Çalışma hakem değerlendirmesinden geçmemiş bir preprinttir.
• Fiziksel QKD cihazı, gerçek anahtar yöneticisi veya saha ağı kullanılmamıştır.
• Aktarma başına 20 ve 40 ms süreleri sabit kabul edilmiş; cihaz, işlemci ve uygulamaya göre değişim modellenmemiştir.
• Yayılım, kuyruk, ağ denetleyicisi, yol hesaplama ve kontrol sinyalleşmesi gecikmeleri KRD dışında bırakılmıştır.
• Simülasyon yalnızca 1000 ms sürmektedir; uzun süreli denge davranışı gösterilmemiştir.
• Bağımsız simülasyon tekrarları, rastgelelik tohumları, standart sapmalar ve güven aralıkları raporlanmamıştır.
• Her düğüm çiftinin her milisaniyede %10–%50 olasılıkla istek oluşturması gerçek bir hizmet trafiğiyle kalibre edilmemiştir.
• Her QKD bağlantısına aynı anahtar üretim dağılımı uygulanmış; bağlantı mesafesi, optik kayıp, hata oranı ve cihaz farklılığı hesaba katılmamıştır.
• Üretilen anahtarların bit uzunluğu belirtilmemiştir; “anahtar sayısı” gerçek gizli anahtar bit hızına bağlanmamıştır.
• Normal dağılımdan çıkan kesirli anahtar sayılarının nasıl tam sayıya çevrildiği açıklanmamıştır.
• 100.000 anahtarlık havuz, kısa anahtar ömrü nedeniyle simülasyonda etkin bir kısıt değildir.
• Ortalama KRD yalnızca başarıyla sağlanan isteklerden hesaplanmıştır; engellenen isteklerin gecikme maliyeti yok sayılmıştır.
• Ortalama değerler verilmiş; gecikmenin yüzde 95 veya yüzde 99 kuyruk değerleri raporlanmamıştır.
• Önerilen yöntem yalnızca geleneksel talep üzerine aktarımla karşılaştırılmış; güncel pre-relay ve anahtar pre-flooding yöntemleri deneysel temel yöntem olarak uygulanmamıştır.
• \(th_1\) ve \(th_n\) eşikleri taranmış, ancak trafik değişimine çevrim içi uyum sağlayan bir eşik denetleyicisi geliştirilmemiştir.
• Güvenilen aktarma düğümünün ele geçirilmesi, hizmet reddi saldırıları ve anahtar yönetim katmanı güvenliği incelenmemiştir.
• Sonuçlardaki “%88”, “%89” ve hesaplanan yaklaşık “%89,2” ifadeleri küçük bir raporlama tutarsızlığı oluşturmaktadır.
• Kod, simülasyon betikleri, üretilen olay akışları ve rastgelelik tohumları için açık erişim bağlantısı verilmemiştir.

Çalışma neyi desteklemektedir?

Sonuçlar, güvenilen aktarma düğümleri kullanan ve anahtar aktarma süresi düğüm sayısıyla büyüyen bir QKD ağında, bazı uç çiftleri için anahtarların önceden hazırlanmasının başarıyla karşılanan isteklerin ortalama yanıt gecikmesini belirgin biçimde azaltabileceğini desteklemektedir.

Çalışma ayrıca proaktif aktarımın anahtar ömrü dikkate alındığında ücretsiz olmadığını göstermektedir. Anahtarların talep oluşmadan tüketilmesi ve yeni anahtarın en kısa kalan ömrü devralması, kullanılmadan sona eren kaynak miktarını artırabilmektedir.

İki aşamalı yapı, kısa mesafeli çiftler için hazırlanan anahtarların daha uzak çiftlerin anahtar üretiminde kullanılabileceğini göstermektedir. Ancak n-hop aşamasının ek yararı, yeterli miktarda 1-hop anahtarı hazırlanmasına bağlıdır.

Çalışma neyi kanıtlamamaktadır?

Araştırma, gerçek bir ulusal QKD ağında gecikmenin kesin olarak %88 veya %89 azalacağını kanıtlamamaktadır. Bildirilen oranlar seçilen topolojiler, sabit işlem süreleri, 20 milisaniyelik anahtar ömrü ve belirli trafik modelleri altında elde edilmiştir.

Çalışma proaktif yöntemin güvenliği artırdığını da göstermemektedir. Yöntem anahtar sağlama gecikmesini yönetmektedir; QKD protokolünün güvenlik kanıtını, güvenilen aktarma düğümü varsayımını veya uygulama katmanındaki şifreleme güvenliğini değiştirmemektedir.

Ayrıca en büyük eşiklerin her ağ için en iyi işletme politikası olduğu söylenemez. En yüksek eşikler KRD’yi düşürürken bazı senaryolarda karşılanan hizmet sayısını %16’ya varan oranda azaltmıştır.

Türkiye açısından olası önemi

Çalışmanın yaklaşımı; Türkiye’de kuantum haberleşmesi, kritik altyapı bağlantıları, kamu veri merkezleri, savunma haberleşmesi, finansal ağlar ve operatör omurgaları için gelecekte geliştirilebilecek QKD ağlarında uygulanabilir bir kaynak yönetimi sorusunu ele almaktadır.

Türkiye gibi geniş coğrafyaya yayılan bir ağda doğrudan QKD bağlantılarının mesafe sınırı nedeniyle güvenilen aktarma düğümleri gerekebilir. Böyle bir yapıda yalnızca kuantum optik donanımın anahtar üretim hızı değil, anahtar yöneticilerinin uzun yollar boyunca oluşturduğu işlem gecikmesi de hizmet kalitesini etkileyebilir.

Yöntemin Türkiye’de kullanılabilmesi için ulusal fiber güzergâhları ve gerçek bağlantı kayıplarıyla yeni bir topoloji oluşturulmalı; QKD cihazlarının ölçülen gizli anahtar bit hızları, anahtar saklama politikaları, farklı hizmet sınıfları ve güvenilen merkezlerin fiziksel güvenliği modele eklenmelidir.

Kamu, savunma veya finans gibi kritik alanlarda tek bir eşik yerine hizmet önceliğine göre farklı politikalar kullanılabilir. Düşük gecikmeli kritik bağlantılar için daha saldırgan proaktif hazırlık, daha düşük öncelikli hizmetler için ise kaynak koruyan talep üzerine aktarım tercih edilebilir.

Çalışmanın Yöntemi ve Bulguları

En önemli sayısal sonuçlar

• NSFNET’te geleneksel yöntemin KRD değeri seçilmiş koşulda 607,7 ms’dir.
• Yalnızca 1-hop proaktif aktarım bu değeri 91,3 ms’ye düşürmüştür.
• n-hop aşamasının eklenmesi KRD’yi 65,6 ms’ye indirmiştir.
• NSFNET’te toplam gecikme azalması yaklaşık %89,2’dir.
• Aynı senaryoda karşılanan hizmet sayısı 31.665’ten 27.911’e düşmüştür.
• NSFNET’te toplam hizmet kaybı yaklaşık %11,9’dur.
• COST 266’da KRD 505,4 ms’den 109,1 ms’ye düşmüştür.
• COST 266’daki toplam gecikme azalması yaklaşık %78,4’tür.
• COST 266’da hizmet sayısı 33.533’ten 28.156’ya gerilemiştir.
• COST 266’daki toplam hizmet kaybı yaklaşık %16’dır.
• \(th_1=20\) koşulundaki 1-hop proaktif anahtarların %29’u kullanılmadan sona ermiştir.
• \(th_n=20\) koşulundaki n-hop proaktif anahtarların %30’u kullanılmadan sona ermiştir.

Gerçek ağ uygulamasından önce gereken çalışmalar

1. Gerçek QKD cihazları ve anahtar yöneticileriyle fiziksel test ortamı kurulması.
2. Aktarma işlemlerinin gerçek donanım gecikmesinin ölçülmesi.
3. Mesafe, fiber kaybı, kuantum bit hata oranı ve cihaz türüne bağlı anahtar üretim hızlarının kullanılması.
4. Simülasyonun saatler veya günler süren trafik izleriyle tekrarlanması.
5. Birden fazla rastgelelik tohumu ve bağımsız tekrar için güven aralıklarının raporlanması.
6. Ortalama KRD’nin yanında yüzde 95 ve yüzde 99 gecikmelerin incelenmesi.
7. Engellenen hizmetleri de hesaba katan birleşik gecikme–kapasite maliyet fonksiyonu geliştirilmesi.
8. Eşiklerin trafik yüküne göre çevrim içi ve otomatik ayarlanması.
9. Talep tahmini veya pekiştirmeli öğrenme yöntemleriyle karşılaştırma yapılması.
10. Güncel pre-relay ve key pre-flooding algoritmalarının aynı koşullarda temel yöntem olarak uygulanması.
11. Güvenilen düğüm arızası, saldırı ve hizmet reddi senaryolarının sınanması.
12. Kod, parametre dosyaları ve simülasyon olay kayıtlarının açık biçimde yayımlanması.

Kaynak ve Yöntem Notu

Çalışmanın özgün adı: Proactive Quantum Key Relay for Short-latency Quantum-secured Networking

Yazarlar ve doğru sıralama: Chankyun Lee, Hyunkyo Lim, Jubong Kim, Wonhyuk Lee.

Eş katkı ve ortak ilk yazarlık: Chankyun Lee ile Hyunkyo Lim eşit katkı sunmuştur.

Sorumlu yazar: Chankyun Lee.

Kurumsal bağlantı: Korea Institute of Science and Technology Information (KISTI), 245 Daehak-ro, Yuseong-gu, Daejeon 34141, Güney Kore.

DOI:10.2139/ssrn.7022019

Resmî çalışma sayfası:SSRN resmî kaydı

Yayın platformu: SSRN.

Platform işletmecisi: Elsevier bünyesindeki SSRN platformu.

Yayın yılı: 2026.

Kesin yüklenme tarihi: Yüklenen sürümde kesin SSRN yükleme günü belirtilmemektedir.

Dergi: Hakemli bir dergi yayını veya kabul edilmiş nihai dergi sürümü doğrulanamamıştır.

Hakemlik durumu: Çalışmanın her sayfasında hakem değerlendirmesinden geçmediğine ilişkin preprint uyarısı bulunmaktadır.

Kaynak türü: Kuantum anahtar dağıtım ağları için matematiksel gecikme modeli, iki aşamalı sezgisel kaynak yönetimi algoritması ve karşılaştırmalı ağ simülasyonları içeren hesaplamalı haberleşme mühendisliği preprinti.

Finansman: Araştırma, Korea Institute of Science and Technology Information tarafından K26L1M3C5 numaralı destek kapsamında ve Güney Kore hükümetinin Ministry of Science and ICT tarafından finanse edilen Institute of Information & Communications Technology Planning & Evaluation hibeleri kapsamında RS-2025-02263666 ve RS-2026-25530181 numaralarıyla desteklenmiştir.

Çıkar çatışması: Yüklenen sürümde açık bir çıkar çatışması beyanı bulunmamaktadır.

Üretken yapay zekâ kullanımı: Çalışmada üretken yapay zekâ kullanımına ilişkin bir beyan yer almamaktadır.

Veri ve kod erişimi: Simülasyon kodu, rastgelelik tohumları, olay kayıtları ve tam sonuç dosyaları için açık bir depo bağlantısı verilmemiştir.

Bu Türkçe açıklama, çalışmanın metni, iki algoritması, matematiksel denklemleri, yedi tablosu, ağ mimarisi çizimleri, NSFNET ve COST 266 topolojileri ile gecikme ve anahtar kullanım grafiklerinin tamamı incelenerek hazırlanmıştır. Bilimsel sonuçlara dış kaynaklardan yeni bulgu eklenmemiştir. Dış doğrulama yalnızca başlık, yazarlar, DOI, platform ve resmî çalışma bağlantısının bibliyografik kontrolü amacıyla kullanılmıştır.

Çalışmada özet bölümünde en yüksek KRD azalması %88, katkılar bölümünde %89 olarak yazılmıştır. Şekil 11’de verilen 607,7 ms ve 65,6 ms değerlerinden hesaplanan azalma yaklaşık %89,2’dir. Bu nedenle sonuç, “seçilen NSFNET simülasyonunda yaklaşık %89” biçiminde aktarılmalıdır.

Bildirilen gecikmeler gerçek uçtan uca saha ölçümleri değildir. Sabit düğüm işlem süreleri ve seçilen simülasyon varsayımlarından hesaplanan model sonuçlarıdır. Önerilen algoritma gerçek telekomünikasyon veya kritik altyapı ağında kullanılmadan önce fiziksel QKD cihazlarıyla, gerçek trafik altında ve güvenlik testleriyle doğrulanmalıdır.

Meta Etiketler

kuantum anahtar dağıtımı, proaktif anahtar aktarımı, kuantum güvenli ağlar, QKD gecikmesi, kuantum haberleşmesi