Тақсимоти калиди квантӣ ба ду нуқтаи дур имкон медиҳад, ки бо истифода аз хусусиятҳои физикаи квантӣ калидҳои рамзгузории симметриро мубодила кунанд. Аммо масофа ва суръати тавлиди калиди махфии системаҳои QKD, ки имрӯз ба таври тиҷоратӣ дастрасанд, маҳдуд мебошад. Вақте ки байни корбарони хеле дур калиди квантӣ сохта мешавад, калид бояд аз чанд гиреҳи миёнарави боэътимод гузаронда шавад. Амалҳои рамзгузорӣ, рамзкушоӣ ва идоракунии калид дар ҳар гиреҳи миёнарав метавонанд оғози хизматро ба таъхир андозанд.

Дар ин таҳқиқот муҳаққиқон алгоритми проактивии интиқоли калиди квантиро пешниҳод мекунанд, ки пеш аз омадани дархости хизматрасонии квантӣ-бехатар барои ҷуфтҳои муайяни гиреҳҳо калид омода мекунад. Алгоритм дарозии роҳи интиқол, шумораи калидҳои мавҷуд байни гиреҳҳо ва муҳлати боқимондаи истифодаи калидҳоро якҷоя арзёбӣ мекунад. Раванд дар ду марҳила иҷро мешавад: аввал барои нуқтаҳои хизматрасонии ҳамсоя дар шабакаи корбар калидҳои 1-hop, сипас барои нуқтаҳои дуртар калидҳои n-hop омода карда мешаванд.

Усул дар ду шабакаи тақсимоти калиди квантӣ, ки аз топологияҳои NSFNET ва COST 266 гирифта шудаанд, симулятсия шудааст. Дар сенарияи асосёфта ба NSFNET, миёнаи таъхири ҷавоби калид дар интиқоли анъанавии бо дархост 607,7 миллисония буд; танҳо бо интиқоли проактивии 1-hop он ба 91,3 миллисония ва ҳангоми истифодаи ҳамзамони марҳилаҳои 1-hop ва n-hop ба 65,6 миллисония коҳиш ёфт. Ин қимати охирин нисбат ба усули анъанавӣ тақрибан %89,2 таъхири камтарро ифода мекунад. Дар ҳамин шароит шумораи хизматҳои квантӣ-бехатар аз 31.665 то 27.911 кам шуда, талафоти нисбии умумӣ тақрибан %11,9 буд.

Дар сенарияи асосёфта ба COST 266 таъхир аз 505,4 миллисония то 109,1 миллисония коҳиш ёфта, тақрибан %78,4 кам шуд. Дар муқобил шумораи хизматҳои қонеъшуда аз 33.533 то 28.156 поён рафт ва тақрибан %16 талафот ба вуҷуд омад. Натиҷаҳо нишон медиҳанд, ки пешакӣ омода кардани калидҳо метавонад хизматро тезонад; аммо калидҳое, ки пеш аз омадани талабот сарф мешаванд ва муҳлати истифодаашон ба охир мерасад, метавонанд иқтидори умумии хизматро коҳиш диҳанд.

Таҳқиқот муҳити физикии озмоишии QKD-ро истифода намекунад. Таъхирҳо аз вақтҳои собити коркарди гиреҳ ҳисоб шудаанд, тавлиди калид бо модели эҳтимолӣ ифода шудааст ва симулятсия танҳо дар тӯли 1000 фосилаи вақт, ки ба як сония мувофиқ аст, иҷро шудааст. Аз ин рӯ, пеш аз интиқол ба шабакаҳои воқеӣ, усули пешниҳодшуда бояд бо дастгоҳҳои физикии QKD, трафики воқеӣ ва таҷрибаҳои дарозмуддат тасдиқ карда шавад.

Тақсимоти калиди квантӣ чиро таъмин мекунад?

Тақсимоти калиди квантӣ ё QKD барои мубодилаи калидҳои махфие истифода мешавад, ки дар рамзгузории симметрӣ байни ду тараф ба кор мераванд. Азбаски ҳолатҳои квантӣ ҳангоми андозагирӣ тағйир меёбанд, кӯшиши гӯш кардани канали квантӣ, дар асл, метавонад ошкор шавад.

QKD тамоми маълумоти корбарро бевосита аз канали квантӣ намегузаронад. Система аввал байни ду нуқта калиди махфии муштарак тавлид мекунад. Ин калид баъдан метавонад дар рамзгузории якдафъаина ё усулҳои симметрии криптографӣ мисли AES истифода шавад. Амнияти алоқа танҳо ба протоколи QKD вобаста нест; амнияти дастгоҳҳои нӯгӣ, аутентификатсия, идоракунандагони калид, канали классикии алоқа ва гиреҳҳои интиқол низ муҳим аст.

Меъмории шабакаи қабатноки истифодашуда дар таҳқиқот

Шакли 1 дар саҳифаи 2 меъмории шабакаи квантӣ-бехатарро, ки ITU-T муайян кардааст, дар чор қабат нишон медиҳад:

Дар таҳқиқот идоракунандаи калид ва модули QKD-и пайвастшуда, ки дар як ҷой мебошанд, якҷоя “гиреҳи QKD” номида мешаванд. Дар ҳар нуқтае, ки барномаи корбар қарор дорад, як гиреҳи QKD ҳаст; аммо барои пайвастҳои дур байни онҳо гиреҳҳои иловагии QKD ҷойгир карда мешаванд, ки танҳо барои интиқоли калид истифода мешаванд.

Чаро гиреҳи интиқоли боэътимод лозим аст?

Дар системаҳои тиҷоратии QKD-и асосёфта ба BB84 масофаи як пайванди квантӣ маҳдуд аст. Агар ду гиреҳи барнома аз ҳам чунон дур бошанд, ки мустақиман калиди QKD тавлид карда натавонанд, байни онҳо гиреҳҳои боэътимод ҷойгир карда мешаванд.

Шакли 2 дар саҳифаи 5 ду усули интиқолро нишон медиҳад. Дар усули аввал яке аз калидҳое, ки байни ду гиреҳи ҳамсояи QKD тавлид мешаванд, ҳамчун калиди хизмат барои нӯгҳои дур интиқол дода мешавад. Дар усули дуюм гиреҳи оғоз аз генератори тасодуфии рақами квантӣ калиди тасодуфии мустақил месозад ва онро бо амали XOR бо калиди QKD-и ҳар пайванд тавассути гиреҳҳои миёнарав мегузаронад.

Масалан, агар барои гиреҳҳои a, b ва c байни a ва c пайванди мустақими QKD набошад, калиди a–b метавонад ҳамчун \(k_{a,b}\), ва калиди b–c ҳамчун \(k_{b,c}\) нишон дода шавад. Калиди тасодуфии хизмат \(k_r\) дар гиреҳи a аввал бо \(k_{a,b}\) рамзгузорӣ мешавад. Гиреҳи b ин калидро рамзкушоӣ мекунад, сипас бо \(k_{b,c}\) дубора рамзгузорӣ карда ба гиреҳи c мефиристад.

Шарти муҳими амнияти ин усул боэътимод будани гиреҳи b мебошад. Азбаски гиреҳи миёнарав метавонад ба шакли кушодаи калиди хизмат дастрас шавад, тасарруфи он метавонад махфияти нӯг-ба-нӯгро вайрон кунад. Таҳқиқот қайд мекунад, ки равишҳои measurement-device-independent ё device-independent QKD метавонанд ин фарзро кам кунанд, аммо дар симулятсияи пешниҳодшуда модели тиҷоратии BB84 ва гиреҳи боэътимод истифода мешавад.

Чаро муҳлати зиндагии калид муҳим аст?

Идоракунандаи калид ба ҳар калиди квантӣ муҳлати муайяни истифода медиҳад. Калиде, ки муҳлаташ тамом мешавад, ҳатто агар истифода нашуда бошад ҳам, аз ҳавз хориҷ карда мешавад. Вақте чанд калид сарф шуда, байни ду гиреҳи дур калиди нав сохта мешавад, муҳлати боқимондаи калиди нав ба кӯтоҳтарин муҳлати боқимондаи калидҳои истифодашуда баробар карда мешавад.

Масалан, агар муҳлатҳои боқимондаи калидҳои \(k_{a,b}\), \(k_{b,c}\) ва \(k_r\) мутаносибан \(l_{a,b}\), \(l_{b,c}\) ва \(l_r\) бошанд, муҳлати боқимондаи калиди ҳосилшуда дар анҷоми интиқол:

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

муайян карда мешавад. Ин қоида метавонад боиси зуд ба охир расидани муҳлати калидҳои дурмасофаи пешакӣ сохташуда гардад. Аз ин рӯ, интиқоли проактивӣ ҳангоми коҳиши таъхир метавонад пеш аз омадани талабот захираҳои камёфти калидро сарф кунад.

Таъхири ҷавоби калиди квантӣ чӣ гуна муайян шудааст?

Шакли 3 дар саҳифаи 7 раванди панҷмарҳилаи таъмини калидро, ки ба стандарти ITU-T Y.3807 асос ёфтааст, нишон медиҳад:

1. Гиреҳи барномаи a барои хизмат байни a ва c аз QKDN калид мехоҳад.
2. QKDN калид ва идентификатори калидро ба гиреҳи a медиҳад.
3. Барномаи a идентификатори калидро ба барномаи c хабар медиҳад.
4. Барномаи c бо ҳамон идентификатор аз QKDN калидро талаб мекунад.
5. QKDN калиди мувофиқро ба барномаи c медиҳад.

Таъхири ҷавоби калиди квантӣ ё KRD ҳамчун вақт аз оғози қадами якум то анҷоми қадами панҷум муайян мешавад:

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

Дар ин ҷо \(r_{sd}^{t,i}\) дархости i-уми хизматрасонии квантӣ-бехатар аст, ки дар вақти t байни гиреҳҳои s ва d пайдо мешавад. \(\tau_{mn}\) вақти байни қадамҳои дахлдори раванди таъмини калидро ифода мекунад.

Дар усули анъанавии бо дархост коркунанда интиқоли калид байни қадамҳои якум ва дуюм иҷро мешавад:

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

\(\tau_{21\setminus relay}\) вақти бе интиқол ва \(t_{\mathrm{relay}}\{p(r)\}\) вақти умумии амалҳои интиқоли калидро дар роҳи интихобшуда нишон медиҳад.

Дар таҳқиқот барои ҳамаи амалҳои таъмини калид ғайр аз интиқол дар маҷмӯъ 20 миллисония қабул шудааст. Ҳар амали интиқол дар гиреҳи миёнарав 20 миллисония, ва ҳар амали интиқол дар гиреҳи QKD, ки бо гиреҳи барнома дар як ҷой аст, 40 миллисония модел шудааст:

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

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

• \(N_Q\): Шумораи гиреҳҳои QKD дар роҳ, ки гиреҳи барнома надоранд.
• \(N_{QA}\): Шумораи гиреҳҳои QKD дар ҳамон ҷой бо гиреҳи барнома.
• \(T_Q=20\) ms ва \(T_{QA}=40\) ms қабул шудаанд.

Дар ин модел таъхир бо шумораи гиреҳҳои интиқол дар роҳ ба таври хаттӣ меафзояд. Ҳадафи асосии усули проактивӣ коҳиш додани қиматҳои \(N_Q\) ва \(N_{QA}\) дар лаҳзаи дархост тавассути анҷом додани интиқол пеш аз омадани дархост мебошад.

Доираи модели таъхир

Дар муодила таъхири интиқоли паёми сеюм байни барномаҳо ба ҳисоб гирифта нашудааст. Муҳаққиқон мегӯянд, ки ин вақт ба барномаи криптографии истифодашаванда вобаста аст ва сифати хизмати QKDN-ро мустақиман ифода намекунад.

Вақтҳои ҷамъоварии ҳолати шабака, ҳисоб кардани роҳ ва фиристодани паёмҳои идоракунӣ аз ҷониби назоратгари марказӣ низ бо фарзияи пешакӣ анҷом шудан аз KRD хориҷ шудаанд. Ҳамин тавр модел асосан арзиши амали интиқолро дар идоракунандагони калид чен мекунад. Таъхири воқеии оғози хизмати нӯг-ба-нӯг метавонад аз ин баландтар бошад.

Ғояи асосии интиқоли проактивии калид

Дар усули бо дархост калиди дурмасофа пас аз омадани дархости корбар сохта мешавад. Дар усули проактивӣ бошад, ҳангоми холӣ ё мувофиқ будани шабака аз нигоҳи захира калидҳое омода мешаванд, ки метавонанд дар оянда истифода шаванд.

Ин амал ҳавзҳои калиди сатҳи пайвандро ба ҳавзҳои калиди бисёр-hop, ки пешакӣ интиқол дода шудаанд, табдил медиҳад. Вақте дархости корбар меояд ва калиди мувофиқи пешакӣ омодашуда мавҷуд аст, занҷири дарози интиқол дубора иҷро намешавад ва хизмат зудтар оғоз мешавад.

Шакли 5 дар саҳифаи 10 ду марҳилаи проактивиро ҷудо мекунад:

• Интиқоли проактивии 1-hop: Барои гиреҳҳои QKD, ки ба гиреҳҳои барномаи бевосита ҳамсоя дар шабакаи корбар пайвастанд, пешакӣ калид месозад.
• Интиқоли проактивии n-hop: Барои гиреҳҳои барномаи дуртар, ки дар шабакаи корбар бо чанд пайванд ҷудо шудаанд, калид месозад.

Ифодаи “hop” дар ин ҷо шумораи гиреҳҳои физикии интиқол дар QKD network-ро не, балки масофаи байни гиреҳҳои барнома дар шабакаи корбарро нишон медиҳад. Ҷуфте, ки дар шабакаи корбар 1-hop аст, метавонад дар роҳи QKDN бисёр гиреҳҳои миёнарави QKD дошта бошад.

Тартиби амалҳо дар ҳар фосилаи вақт

Шакли 6 дар саҳифаи 11 идоракунии калидро дар як фосилаи вақт бо тартиби зерин нишон медиҳад:

1. Коҳиш додани муҳлати боқимондаи калидҳои мавҷуд,
2. Ҳазф кардани калидҳои муҳлаташон гузашта,
3. Тавлид кардани калидҳои нав дар пайвандҳои QKD,
4. Иҷро кардани интиқоли проактивии калиди 1-hop,
5. Иҷро кардани интиқоли проактивии калиди n-hop,
6. Қабул кардани дархостҳои хизмати квантӣ-бехатар,
7. Таъмини калид барои дархостҳо.

Агар дар як фосилаи вақт чанд дархости хизмат мавҷуд бошад, дархостҳо бо тартиби аввал даромада, аввал баромада коркард мешаванд. Фарз карда шудааст, ки дархосте, ки калиди мувофиқи QKD надорад, ҳамчун хизмати квантӣ-бехатар қонеъ карда намешавад ва метавонад бо усули дигари муҳофизат, мисли post-quantum cryptography, баррасӣ шавад.

Алгоритми проактивии калиди 1-hop

Алгоритми 1 дар саҳифаи 12 ҳамаи ҷуфтҳои гиреҳҳоро, ки дар шабакаи корбар бевосита ҳамсояанд, арзёбӣ мекунад. Барои ҳар ҷуфт shortest path дар QKDN муайян карда мешавад.

Барои анҷом додани интиқоли проактивӣ ду шарти асосӣ истифода мешавад:

1. Шумораи калидҳои мавҷуд дар ҳар пайванд дар роҳ бояд аз шумораи калидҳои пешакӣ омодашуда байни ҷуфти гиреҳи ҳадаф бештар бошад.
2. Фарқи байни дарозтарин ва кӯтоҳтарин муҳлати боқимондаи калидҳои истифодашаванда дар роҳ бояд аз остонаи \(th_1\) хурд бошад.

Шарти дуюм:

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

мебошад. Якҷоя сарф кардани калидҳое, ки муҳлати боқимондаашон ба ҳам наздик аст, барои кам кардани ҳолате нигаронда шудааст, ки калиди дарозумр аз сабаби калиди хеле кӯтоҳумр барвақт беэътибор шавад.

Агар шартҳо иҷро шаванд, аз ҳар пайванди роҳ як калид гирифта шуда, ба ҳавзи ҷуфти 1-hop-и ҳадаф калиди нав илова мешавад. Муҳлати калиди нав ба хурдтарин муҳлати боқимондаи калидҳои сарфшуда дар роҳ баробар карда мешавад.

Алгоритми проактивии калиди n-hop

Алгоритми 2 дар саҳифаи 14 аз натиҷаи марҳилаи 1-hop истифода карда, барои ҷуфтҳои гиреҳи дуртар калид омода мекунад. Барои ҳар ҷуфти нӯг shortest number of links дар шабакаи корбар ҳисоб шуда, вазни зерин истифода мешавад:

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

• \(K(s,d)\), шумораи калидҳои проактивии ҳозир мавҷуд байни s ва d.
• \(dist(s,d)\), шумораи пайвандҳои shortest path дар шабакаи корбар.

Ҷуфтҳои гиреҳ аз рӯи вазн аз хурд ба калон ҷобаҷо мешаванд. Бо ин роҳ ҳадаф ин аст, ки ба ҷуфтҳои дорои калиди камтар ва нисбатан наздик афзалият дода шавад.

Агар дар ҳавзҳои 1-hop нисбат ба ҷуфти ҳадафи n-hop калидҳои бештар мавҷуд бошанд ва фарқи муҳлати калидҳо аз остонаи \(th_n\) зиёд набошад, интиқол анҷом дода мешавад:

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

Азбаски барои сохтани калиди n-hop чанд калиди проактивии 1-hop сарф мешавад, арзиши захиравии калиди n-hop, ки муҳлаташ тамом мешавад, баландтар аст. Аз ин рӯ муҳаққиқон қоидаи:

[ th_n\leq th_1 \]

ро пешниҳод мекунанд.

Остонаҳо мувозинати байни таъхир ва иқтидорро чӣ гуна тағйир медиҳанд?

Ҳар қадар \(th_1\) ва \(th_n\) баланд шаванд, ҳамон қадар иҷозат дода мешавад, ки калидҳои дорои муҳлати боқимондаи бештар фарқкунанда якҷоя истифода шаванд. Ҳамин тавр интиқоли проактивӣ бештар кор мекунад ва барои нӯгҳои дур калидҳои бештар пешакӣ омода мешаванд.

Остонаи калон:

• Амалҳои интиқолро дар вақти дархост кам мекунад.
• Миёнаи KRD-ро коҳиш медиҳад.
• Пеш аз омадани талабот калидҳои пайванди бештарро сарф мекунад.
• Метавонад шумораи калидҳои бе истифода муҳлаташон гузаштаистодаро зиёд кунад.
• Метавонад сатҳи таъмини хизматрасонии квантӣ-бехатарро кам кунад.

Остонаи хурд бошад калидҳоро ҳифз мекунад, аммо боиси он мешавад, ки дархостҳои бештар аз роҳҳои дарози интиқоли бо дархост гузаранд.

Шабакаҳои истифодашуда дар симулятсия

Шакли 7 дар саҳифаи 16 топологияҳои backbone-и NSFNET ва COST 266-ро нишон медиҳад. Ба ҳар пайванди шабакаи корбар тақрибан дар ҳар 100 километр як гиреҳи боэътимоди интиқоли QKD илова шудааст.

NSFNET гарчанде гиреҳҳои корбари камтар дорад, баъзе пайвандҳояш роҳҳои дарозтареро дар бар мегиранд, ки то 2800 километр мерасанд. COST 266 гиреҳҳои корбари бештар ва сохтори пайвастии зичтар дорад. Ин фарқиятҳо барои муқоисаи рафтори алгоритм дар баробари миқёси шабака ва зичии пайвастҳо истифода шудаанд.

Параметрҳои симулятсия

Агар тақсимоти normal натиҷаи манфӣ диҳад, дар ҳамон фосилаи вақт калид тавлид нашудааст. Аммо шарҳ дода нашудааст, ки натиҷаҳои касрӣ чӣ гуна ба шумораи бутуни калидҳо табдил дода шудаанд.

Гарчанде иқтидори ҳавзи калид 100.000 муайян шудааст, миқдори интизории калид дар як пайванд дар тӯли муҳлати 20 фосилаи вақт тақрибан 200 мебошад. Аз ин рӯ дар шароити гузоришшуда иқтидори ҳавз дар амал маҳдудияти басташаванда нест. Гарчанде study иқтидори собити ҳавзро ба модел дохил кардааст, маҳдудияти асосӣ дар натиҷаҳо муҳлати кӯтоҳи зиндагии калид аст.

Натиҷаҳои таъхири алгоритми 1-hop

Шакли 8 дар саҳифаи 18 нишон медиҳад, ки ҳангоми зиёд шудани \(th_1\) аз 0 то 20 KRD дар ҳар ду топология коҳиш ёфт. \(th_1=0\) ба усули анъанавии бо дархост, ки интиқоли проактивӣ надорад, мувофиқ аст.

Дар NSFNET дар сарбории %50 миёнаи амалҳои интиқоли лозим дар вақти дархост аз 28,8 то 2,8 коҳиш ёфт. Дар COST 266 дар ҳамон сарборӣ қимат аз 24,4 то 5,5 поён рафт. Азбаски дар муодилаи KRD таъхир мустақиман ба шумораи интиқолҳо вобаста аст, ин коҳиш дар натиҷаҳо инъикос шудааст.

Талафот дар сатҳи таъмини хизмат

Азбаски интиқоли проактивӣ калидҳоро пешакӣ сарф мекунад, бо баланд шудани \(th_1\) сатҳи дархостҳои квантӣ-бехатар, ки қонеъ мешаванд, одатан коҳиш ёфт.

Масалан, дар сенарияи сарбории %50-и NSFNET, дар ҳоле ки KRD тақрибан %85 коҳиш ёфт, сатҳи таъминот аз %70,0 то %62,5 поён рафт. Ин қимат 7,5 банди фоизӣ ё нисбат ба қимати ибтидоӣ тақрибан %10,7 талафоти нисбиро ифода мекунад. Коҳиши банди фоизӣ ва талафоти нисбӣ нисбат ба қимати оғоз бояд аз ҳам ҷудо карда шаванд.

Чанд қисми калидҳои проактивӣ бе истифода ба охир расид?

Шакли 9 дар саҳифаи 20 нишон медиҳад, ки дар топологияи COST 266 зери сарбории %10-и дархост бо баланд шудани \(th_1\) шумораи калидҳои проактивии тавлидшуда зуд зиёд шуд.

Дар шароити \(th_1=20\):

• 4353 калиди проактивии 1-hop сохта шуд.
• Тақрибан 3098 калид дар хизматҳо истифода шуд.
• Тақрибан 1249 калид бе истифода timeout шуд.
• Мувофиқи Ҷадвали 5, сатҳи истифода дар хизмат %71 ва сатҳи анҷоми муҳлат %29 буд.

Дар \(th_1=18\) сатҳи анҷоми муҳлат %9 буд, дар \(th_1=20\) ба %29 расид. Ин натиҷа нишон медиҳад, ки интиқоли проактивии агрессивтар ҳангоми коҳиши таъхир исрофи калидро зуд зиёд мекунад.

Саҳми иловагии марҳилаи n-hop

Дар Шакли 10 дар саҳифаи 22 таъсири марҳилаи n-hop барои \(th_1=15\) ва \(th_1=20\) алоҳида нишон дода шудааст. Вақте \(th_1=15\) буд, азбаски шумораи кофии калидҳои 1-hop омода нашуда буд, зиёд кардани остонаи n-hop KRD-ро хеле кам тағйир дод.

Вақте \(th_1=20\) буд, калидҳои 1-hop-и бештаре мавҷуд буданд, ки марҳилаи n-hop метавонист истифода кунад:

Дар NSFNET марҳилаи n-hop шумораи хизматҳои қонеъшударо аз 28.245 то 27.911 кам кард; талафоти иловагӣ тақрибан %1,2 буд. Дар COST 266 бошад шумора аз 30.321 то 28.156 поён рафт ва тақрибан %7,1 талафоти иловагӣ ба вуҷуд омад. Аз ин рӯ арзиши иқтидории марҳилаи n-hop вобаста ба топология ба таври назаррас фарқ мекунад.

Муқоисаи мустақими усулҳои анъанавӣ, 1-hop ва n-hop

Шакли 11 дар саҳифаи 24 муқоисаи се усулро дар шароити интихобшуда медиҳад.

Дар сенарияи NSFNET таъхири усули пурраи проактивӣ нисбат ба усули анъанавӣ тақрибан %89,2 кам шуда, шумораи хизматҳои қонеъшуда тақрибан %11,9 поён рафт. Дар сенарияи COST 266 таъхир тақрибан %78,4 коҳиш ёфт, дар ҳоле ки талафоти шумораи хизматҳо тақрибан %16 буд.

Ин ду натиҷа нишон медиҳанд, ки қимати “тақрибан %89 коҳиши таъхир” барои ҳар топология дуруст нест. Бузургтарин фоида дар шароити интихобшудаи NSFNET гирифта шудааст.

Сатҳи истифодаи калидҳои n-hop

Шакли 12 дар саҳифаи 25 истифодаи калидҳои проактивиро барои \(th_1=20\) ва сарбории %10 дар топологияи COST 266 нишон медиҳад.

Вақте \(th_n=20\):

• 4351 калиди проактивии 1-hop сохта шуд.
• Аз онҳо 2511 барои тавлиди калиди n-hop сарф шуд.
• 1391 мустақиман дар дархостҳои хизмат истифода шуд.
• 447 аз сабаби анҷоми муҳлат ҳазф шуд.
• 1155 калиди n-hop сохта шуд.
• 810 калиди n-hop дар хизматҳо истифода шуд.
• 345 калиди n-hop бе истифода ба охир расид.

Мувофиқи Ҷадвали 7, дар шароити \(th_n=20\) %70-и калидҳои n-hop дар хизмат истифода шуданд ва %30 аз сабаби анҷоми муҳлат аз даст рафтанд. Гарчанде бо агрессивтар шудани сохтани калиди проактивӣ шумораи мутлақи калидҳои истифодашуда меафзояд, миқдори захираи талафёфта низ зиёд мешавад.

Тафсири дурусти натиҷаҳо

Таҳқиқот усули ройгонеро нишон намедиҳад, ки ҳамаи дархостҳои шабакаро ҳам тезтар ва ҳам бо ҳамон сатҳи муваффақият қонеъ кунад. Натиҷа як trade-off аст:

• Агар калидҳо пешакӣ омода шаванд, дархостҳои муваффақ камтар интизор мешаванд.
• Агар калидҳои зиёдатӣ омода шаванд, як қисми онҳо бе истифода муҳлаташон ба охир мерасад.
• Агар ҳавзҳои калид беҳуда сарф шаванд, баъзе дархостҳои нав калиди QKD пайдо карда наметавонанд.
• Агар остонаҳо паст нигоҳ дошта шаванд, захира ҳифз мешавад, аммо KRD дубора баланд мешавад.

Аз ин рӯ барои оператори шабака ҳадаф гирифтани танҳо пасттарин KRD мувофиқ нест. Таъхири қобили қабул, сатҳи басташавии дархост, иқтидори тавлиди калид ва афзалиятҳои хизмат бояд якҷоя арзёбӣ шаванд.

Ҷиҳатҳои қавии таҳқиқот

• KRD бо раванди панҷмарҳилаи таъмини калиди ITU-T пайваст шуда, ба таври математикӣ муайян шудааст.
• Интиқоли бо дархост ва интиқоли проактивӣ дар як тарҳи симулятсия муқоиса шудаанд.
• Муҳлати маҳдуди калид ба ҳисоб гирифта шуда, калидҳои бе истифода ба охиррасида пайгирӣ шудаанд.
• Тавлиди калид собит не, балки stochastic модел шудааст.
• Шумораи калид ва муҳлати боқимонда дар як қарори интиқол якҷоя истифода шудаанд.
• Марҳилаҳои 1-hop ва n-hop алоҳида арзёбӣ шуда, саҳми иловагии ҳар марҳила нишон дода шудааст.
• Топологияҳои NSFNET ва COST 266 бо андоза ва сохтори пайвастии гуногун истифода шудаанд.
• Ғайр аз таъхир, сатҳи таъмини хизмат ва самаранокии истифодаи калид низ гузориш шудаанд.
• Равшан нишон дода шудааст, ки интиқоли проактивӣ дар ҳар шароит фоидаовар нест.

Маҳдудиятҳои асосӣ

• Таҳқиқот preprint аст ва аз peer review нагузаштааст.
• Дастгоҳи физикии QKD, идоракунандаи воқеии калид ё field network истифода нашудааст.
• Вақтҳои 20 ва 40 ms барои ҳар relay собит қабул шудаанд; variation вобаста ба device, processor ва application модел нашудааст.
• Propagation, queue, network controller, path computation ва control-signaling delays аз KRD хориҷ шудаанд.
• Симулятсия танҳо 1000 ms давом мекунад; long-term equilibrium behavior нишон дода нашудааст.
• Independent simulation repeats, randomness seeds, standard deviations ва confidence intervals гузориш нашудаанд.
• Эҳтимоли %10–%50 дар ҳар millisecond барои ҳар node pair бо real service traffic calibrate нашудааст.
• Ба ҳар QKD link ҳамон key-generation distribution татбиқ шудааст; link distance, optical loss, error rate ва device differences ба ҳисоб гирифта нашудаанд.
• Bit length-и калидҳои тавлидшуда нишон дода нашудааст; “шумораи калид” ба real secret-key bit rate пайваст нашудааст.
• Шарҳ дода нашудааст, ки fractional key counts аз normal distribution чӣ гуна ба integer табдил шудаанд.
• Ҳавзи 100.000-калидӣ аз сабаби short key lifetime дар симулятсия effective constraint нест.
• Average KRD танҳо аз successfully served requests ҳисоб шудааст; delay cost-и blocked requests нодида гирифта шудааст.
• Mean values дода шудаанд; 95th ё 99th percentile latency tail values гузориш нашудаанд.
• Proposed method танҳо бо conventional on-demand relay муқоиса шудааст; current pre-relay ва key pre-flooding methods ҳамчун experimental baselines татбиқ нашудаанд.
• \(th_1\) ва \(th_n\) thresholds scan шудаанд, аммо online adaptive threshold controller барои traffic changes таҳия нашудааст.
• Compromise-и trusted relay node, denial-of-service attacks ва security-и key-management layer омӯхта нашудаанд.
• Ифодаҳои “%88”, “%89” ва calculated approximate “%89,2” дар results reporting inconsistency-и хурд ташкил медиҳанд.
• Open-access link барои code, simulation scripts, generated event streams ва randomness seeds дода нашудааст.

Таҳқиқот чиро дастгирӣ мекунад?

Натиҷаҳо дастгирӣ мекунанд, ки дар QKD network бо trusted relay nodes, ки key-relay time бо node count зиёд мешавад, пешакӣ омода кардани калид барои баъзе end pairs метавонад average response latency-и successfully served requests-ро ба таври назаррас кам кунад.

Таҳқиқот ҳамчунин нишон медиҳад, ки ҳангоми ба ҳисоб гирифтани key lifetime, proactive relay ройгон нест. Сарф шудани калидҳо пеш аз пайдо шудани талабот ва ба мерос гирифтани shortest remaining lifetime аз ҷониби калиди нав метавонад amount of resources-и бе истифода ба охиррасидаро зиёд кунад.

Two-stage structure нишон медиҳад, ки калидҳои барои short-distance pairs омодашуда метавонанд барои key generation-и farther pairs истифода шаванд. Аммо additional benefit-и n-hop stage ба омода шудани sufficient amount of 1-hop keys вобаста аст.

Таҳқиқот чиро исбот намекунад?

Research исбот намекунад, ки дар real national QKD network delay аниқ %88 ё %89 кам мешавад. Reported ratios зери selected topologies, fixed processing times, 20-millisecond key lifetime ва specific traffic models гирифта шудаанд.

Study ҳамчунин нишон намедиҳад, ки proactive method security-ро зиёд мекунад. Method key-provisioning latency-ро идора мекунад; security proof-и QKD protocol, trusted-relay assumption ё encryption security дар application layer-ро тағйир намедиҳад.

Илова бар ин, гуфта намешавад, ки largest thresholds барои ҳар network best operating policy мебошанд. Highest thresholds KRD-ро коҳиш медиҳанд, вале дар баъзе scenarios number of served services-ро то %16 кам кардаанд.

Аҳамияти эҳтимолӣ барои Туркия

Равиши study масъалаи идоракунии захираро баррасӣ мекунад, ки метавонад дар QKD networks-и оянда барои quantum communications, critical-infrastructure links, public data centers, defense communications, financial networks ва operator backbones дар Türkiye татбиқ шавад.

Дар network-и паҳншуда дар geography-и васеъ мисли Türkiye, аз сабаби distance limit-и direct QKD links trusted relay nodes лозим шуда метавонанд. Дар чунин сохтор на танҳо key-generation rate-и quantum-optical hardware, балки processing delay-и key managers дар long paths ҳам ба service quality таъсир мекунад.

Барои истифодаи method дар Türkiye бояд new topology бо national fiber routes ва real link losses сохта шавад; measured secret-key bit rates-и QKD devices, key-storage policies, different service classes ва physical security-и trusted centers ба model илова шаванд.

Дар critical areas мисли public, defense ё finance, ба ҷойи single threshold policies-и гуногун мувофиқи service priority истифода шуда метавонанд. Барои low-latency critical links proactive preparation-и aggressive-тар, барои lower-priority services resource-preserving on-demand relay интихоб шуда метавонад.

Усул ва бозёфтҳои таҳқиқот

Муҳимтарин натиҷаҳои ададӣ

• Дар NSFNET KRD-и усули анъанавӣ дар шароити интихобшуда 607,7 ms мебошад.
• Танҳо 1-hop proactive relay ин қиматро то 91,3 ms коҳиш дод.
• Илова кардани n-hop stage KRD-ро то 65,6 ms паст кард.
• Total latency reduction дар NSFNET тақрибан %89,2 мебошад.
• Дар same scenario number of served services аз 31.665 то 27.911 кам шуд.
• Total service loss дар NSFNET тақрибан %11,9 мебошад.
• Дар COST 266 KRD аз 505,4 ms то 109,1 ms кам шуд.
• Total latency reduction дар COST 266 тақрибан %78,4 мебошад.
• Number of services дар COST 266 аз 33.533 то 28.156 поён рафт.
• Total service loss дар COST 266 тақрибан %16 мебошад.
• %29-и 1-hop proactive keys дар шароити \(th_1=20\) бе истифода expired шуданд.
• %30-и n-hop proactive keys дар шароити \(th_n=20\) бе истифода expired шуданд.

Корҳои лозим пеш аз татбиқ дар шабакаи воқеӣ

1. Сохтани physical testbed бо real QKD devices ва key managers.
2. Чен кардани actual hardware latency-и relay operations.
3. Истифодаи key-generation rates вобаста ба distance, fiber loss, quantum bit error rate ва device type.
4. Такрори simulation бо traffic traces-и чандсоата ё чандрӯза.
5. Гузориш кардани confidence intervals барои multiple randomness seeds ва independent repeats.
6. Омӯзиши 95th ва 99th percentile latencies дар баробари mean KRD.
7. Таҳияи joint latency–capacity cost function, ки blocked services-ро ҳам ба ҳисоб мегирад.
8. Online ва automatic adjustment-и thresholds based on traffic load.
9. Comparison бо demand prediction ё reinforcement-learning methods.
10. Татбиқи current pre-relay ва key pre-flooding algorithms ҳамчун baselines зери same conditions.
11. Озмоиши trusted-node failure, attack ва denial-of-service scenarios.
12. Open publication-и code, parameter files ва simulation event logs.

Ёддошти манбаъ ва усул

Номи аслии таҳқиқот: Proactive Quantum Key Relay for Short-latency Quantum-secured Networking

Муаллифон ва тартиби дуруст: Chankyun Lee, Hyunkyo Lim, Jubong Kim, Wonhyuk Lee.

Equal contribution ва joint first authorship: Chankyun Lee ва Hyunkyo Lim саҳми баробар гузоштаанд.

Муаллифи масъул: Chankyun Lee.

Пайванди муассисавӣ: Korea Institute of Science and Technology Information (KISTI), 245 Daehak-ro, Yuseong-gu, Daejeon 34141, Кореяи Ҷанубӣ.

DOI:10.2139/ssrn.7022019

Саҳифаи расмии таҳқиқот:Қайди расмии SSRN

Платформаи нашр: SSRN.

Оператори платформа: Платформаи SSRN дар таркиби Elsevier.

Соли нашр: 2026.

Санаи дақиқи боргузорӣ: Дар version-и uploaded exact SSRN upload day нишон дода нашудааст.

Journal: Peer-reviewed journal publication ё accepted final journal version тасдиқ нашудааст.

Peer-review status: Дар ҳар саҳифаи study warning-и preprint мавҷуд аст, ки peer reviewed нашудааст.

Source type: Computational communications-engineering preprint бо mathematical latency model, two-stage heuristic resource-management algorithm ва comparative network simulations барои quantum-key-distribution networks.

Funding: Research аз ҷониби Korea Institute of Science and Technology Information зери support number K26L1M3C5 ва Institute of Information & Communications Technology Planning & Evaluation grants, funded by Ministry of Science and ICT-и ҳукумати Кореяи Ҷанубӣ, бо рақамҳои RS-2025-02263666 ва RS-2026-25530181 дастгирӣ шудааст.

Conflict of interest: Дар uploaded version explicit conflict-of-interest statement нест.

Use of generative AI: Дар study statement оид ба generative-AI use вуҷуд надорад.

Data ва code access: Open repository link барои simulation code, randomness seeds, event logs ва complete result files дода нашудааст.

Ин шарҳи тоҷикӣ бо баррасии text-и study, two algorithms, mathematical equations, seven tables, network-architecture drawings, NSFNET ва COST 266 topologies ва ҳамаи latency ва key-utilization graphs омода шудааст. Ба scientific results аз external sources finding-и нав илова нашудааст. External verification танҳо барои bibliographic check-и title, authors, DOI, platform ва official study link истифода шудааст.

Дар abstract-и study highest KRD reduction ҳамчун %88, дар contributions section ҳамчун %89 навишта шудааст. Коҳише, ки аз values-и 607,7 ms ва 65,6 ms дар Figure 11 ҳисоб мешавад, тақрибан %89,2 мебошад. Аз ин рӯ result бояд ҳамчун “тақрибан %89 дар selected NSFNET simulation” баён шавад.

Reported delays real end-to-end field measurements нестанд. Онҳо model results мебошанд, ки аз fixed node-processing times ва selected simulation assumptions ҳисоб шудаанд. Пеш аз истифодаи proposed algorithm дар real telecommunications ё critical-infrastructure network, он бояд бо physical QKD devices, under real traffic ва security tests validated шавад.

Meta тегҳо

тақсимоти калиди квантӣ, интиқоли проактивии калид, шабакаҳои квантӣ-бехатар, таъхири QKD, алоқаи квантӣ