Implementación de un módulo de simulación de redes cuánticas para NS-3

Abstract

[Resumen]: La criptografía cuántica es de gran interés para el campo de la seguridad informática. Los recientes avances en Distribución de Claves Cuánticas (QKD) prometen revolucionar la estructura de las redes de comunicaciones, pero en la actualidad el coste de su implementación es demasiado elevado. Por ello surgen simuladores para poder realizar pruebas en redes cuánticas sin necesidad de usar ordenadores cuánticos reales. Uno de ellos es el módulo QKDNetSim de NS-3. Sin embargo, el funcionamiento de este software no representa de forma fiel el comportamiento de una red cuántica real. El objetivo de este trabajo es hacer que el comportamiento de QKDNetSim se asemeje a una red cuántica real. Por ello analizaremos el módulo para comprender su funcionamiento. Después mejoraremos la comunicación de los nodos haciendo que compartan claves cuánticas a través de la aplicación de carga. Estas claves serán almacenadas por los nodos, y se utilizarán para cifrar los mensajes que se intercambien a través de canales clásicos. También permitiremos comunicaciones cifradas entre nodos que no estén directamente conectados. Por último, implementaremos la opción de utilizar el Generador Cuántico de Números Aleatorios de ”ID Quantique” para generar las claves, de forma que se produzcan claves más aleatorias que con un generador clásico. Con todos los cambios, los nodos son capaces de comunicarse con todos los nodos de la red. En resumen, los cambios en QKDNetSim permiten simular ahora en NS-3 un escenario de redes cuánticas más real. Al igual que el módulo original, nuestra implementación es de código abierto y está disponible para el público.

[Abstract]: Quantum cryptography is of great interest in the field of computer security. Recent advances in Quantum Key Distribution (QKD) promise to revolutionize the structure of communication networks, but currently, the cost of implementation is prohibitively high. As a result, simulators have emerged to conduct tests on quantum networks without the need for actual quantum computers. One such simulator is the QKDNetSim module of NS-3. However, the operation of this software does not accurately reflect the behavior of a real quantum network. The objective of this work is to make the behavior of QKDNetSim resemble that of a real quantum network. Therefore, we will analyze the module to understand its operation. Then, we will enhance the communication between nodes by enabling them to share quantum keys through charging application. These keys will be stored by the nodes and used to encrypt messages exchanged through classical channels. We will also allow encrypted communications between nodes that are not directly connected. Lastly, we will implement the option to use the Quantum Random Number Generator from ”ID Quantique” to generate the keys, ensuring a higher level of randomness compared to a classical generator. With all these changes, the nodes are capable of communicating with all the nodes in the network. In summary, the changes in QKDNetSim now allow for simulating a more realistic scenario of quantum networks in NS-3. Similar to the original module, our implementation is open source and available to the public.