Design and Implementation of a Software Defined Network for Quantum Key Distribution

Quantum Key Distribution is an emerging technology with the aim to provide information-theoretic security to data encrypted and transmitted over a communication channel. With the recent development in the field, QKD has become mature enough to be used for solutions more complex than the simple point-to-point key exchange. A challenge to the application of this technology in large networks is the cost of the infrastructure at the front. In optic fibre dense networks the cost can be reduced by sharing channels between classical and quantum communication, allowing for gradual integration of QKD systems as they are needed. In this context, Software Define Network management represents a method for making possible this network-aware QKD, optimising the resources between the two side of the communication. In this document we first present an introduction to the topic, explaining what are some of the challenges to overcome when introducing QKD devices into existing networks and some possible approaches to take. We then describe the standards currently developed for the definition of this kind of network, focusing on the QKD side and analysing some of the mismatches existing between them. The existing setup and the tools used for development are introduced and after this follows a description of work accomplished to port a two-point QKD setup into an SDN context according to the presented standards. An analysis of the Controller path-finding process is then conducted, testing its performances against possible existing deployment as a benchmark for future development. After that, we present the virtualisation setup built to create such networks in a completely simulated environment for possible testing. Finally, some considerations and possible future work is discussed.

La Quantum Key Distribution è una tecnologia emergente con l'obbiettivo di fornire sicurezza teorica dell'informazione ai dati crittati e trasmessi su un canale di comunicazione. Con i recenti sviluppi nel campo, la QKD è diventata abbastanza matura da essere utilizzata per soluzioni più complesse di un semplice scambio di chiavi punto punto. Una sfida all'applicazione di questa tecnologia in grandi reti è il costo a fronte delle infrastrutture. In reti dense di fibre ottiche, il costo può essere ridotto condividendo i canali tra comunicazioni classiche e quantistiche, permettendo una graduale integrazione dei sistemi QKD secondo quanto richiesto. In questo contesto la gestione tramite Software Defined Networking rappresenta un metodo per rendere possibile questa QKD consapevole della rete, ottimizzando le risorse tra i due tipi di comunicazione. In questo documento presentiamo per prima un'introduzione all'argomento, spiegando quali sono alcune delle sfide da superare quando si introducono dei dispositivi QKD all'interno di reti esistenti e alcuni possibili approcci da prendere. Successivamente descriviamo gli standard sviluppuati correntemente per la definizione di questo tipo di reti, concentrandoci sul lato QKD e analizzando alcune delle incongruenze esistenti tra loro. Si introducono poi il setup esistente e gli strumenti utilizzati durante lo sviluppo e a questo segue una descrizione del lavoro compiuto per rendere compatibile il setup QKD ad un contesto di SDN secondo gli standard presentati. Una analisi del processo di ricerca del percordo del Controller viene poi condotta, testando le sue performance contro dei possibili distribuzioni come riferimento per sviluppo futuro. Dopodichè presentiamo il setup per la virtualizzazione costruito per creare tali reti in un ambiente totalmente simulato per possibili test. Alla fine, alcune considerazioni e possibili sviluppi vengono discussi.