Università di Pisa — Dipartimento di Ingegneria dell'Informazione
Laurea in Ingegneria Informatica — A.A. 2024/2025
Tesi di Laurea
Implementation of an SDN-enhanced digital twin for QKD networks
Candidato: Andrea Doni | Relatori: Prof. Nicola Andriolli, Prof. Alessio Giorgetti
Le reti di comunicazione moderne basano la loro sicurezza su algoritmi crittografici a chiave asimmetrica (come RSA) la cui robustezza dipende dalla difficoltà computazionale di problemi matematici. L'avvento del calcolo quantistico mette concretamente a rischio questi schemi: algoritmi come quello di Shor sono in grado di fattorizzare grandi numeri interi in tempo polinomiale, riducendo i tempi di decrittazione da secoli a secondi.
La Quantum Key Distribution (QKD) risponde a questa minaccia distribuendo chiavi crittografiche sfruttando le proprietà della meccanica quantistica: qualsiasi tentativo di intercettazione disturba irreparabilmente il canale quantistico, rendendolo rilevabile.
Il protocollo di riferimento usato in questo progetto è il BB84, proposto da Bennett e Brassard nel 1984:
Figura 1 — Funzionamento del protocollo BB84
Per gestire reti QKD in modo flessibile e scalabile, si adotta il paradigma Software Defined Networking (SDN), che separa il piano di controllo dal piano dati, consentendo l'orchestrazione centralizzata dei nodi quantistici tramite un controller.
L'architettura complessiva integra un controller SDN (ONOS) con un Digital Twin della rete QKD, consentendo l'orchestrazione automatica della distribuzione delle chiavi senza intervento manuale.
Figura 2 — Architettura del Digital Twin SDN per reti QKD
Il sistema è composto da tre componenti principali, ciascuno contenuto nella propria directory del repository:
La directory ONOS/ contiene il controller ONOS (Open Network Operating System), containerizzato tramite Docker, con le estensioni sviluppate per la gestione di reti QKD.
ONOS è strutturato a livelli:
Figura 3 — Stack architetturale di ONOS
Le principali estensioni sviluppate includono:
quantum-app— applicazione ONOS che gestisce la topologia QKD e orchestra lo scambio di chiavi tra i nodi- Driver NETCONF — driver per la comunicazione southbound con gli Agent tramite il protocollo NETCONF
- Script di configurazione (
init_network.sh,avvia_scambio_chiavi.sh,configure-qkd-nodes.sh) — automazione della configurazione e attivazione dei link QKD
La directory AGENT/ implementa il server NETCONF che espone le interfacce standard ETSI GS 015 (SD-QKD) per la gestione dei nodi QKD via SDN.
Figura 4 — Architettura di riferimento ETSI GS 015 SD-QKD
L'Agent funge da interfaccia tra il controller ONOS e i nodi QKD emulati: riceve i comandi di configurazione dal controller e li traduce in operazioni sui moduli quantistici sottostanti.
Contenuto principale:
emulator-etsi-qkd/— emulatore del nodo QKD conforme allo standard ETSInetwork-scripts/enetwork/— script e configurazioni di rete
La directory Quditto/ contiene il Digital Twin della rete QKD, realizzato tramite contenitori Docker. Emula una topologia a tre nodi (A, B, C) interconnessi su una rete bridge, simulando il comportamento fisico dei dispositivi QKD.
Figura 5 — Struttura di una rete QKD con nodi e canali quantistici
Ogni nodo è un contenitore Docker che implementa lo stack QKD completo. La topologia è definita in docker-compose.yaml con i nodi A, B e C connessi sulla rete qkd-net.
- Docker e Docker Compose
- GitHub CLI (per clonare il repo)
- Sistema testato su Ubuntu 24.04.2 LTS (macchina virtuale)
# 1. Clona il repository
git clone https://github.com/Andryd22/SDN-QKD.git
cd SDN-QKD
# 2. Avvia il Digital Twin (Quditto)
cd Quditto
docker-compose up -d
# 3. Avvia il controller ONOS
cd ../ONOS
docker build -t onos-quancom .
# Segui le istruzioni in ONOS/README.md per la configurazione della rete
# 4. Configura i nodi QKD e avvia lo scambio di chiavi
bash init_network.sh
bash avvia_scambio_chiavi.shIl test finale ha validato l'intera catena di controllo: una singola richiesta applicativa di alto livello ha attivato correttamente il flusso ONOS → Agent SDN → Nodi QKD (Quditto), portando alla generazione automatica delle chiavi quantistiche senza alcun intervento manuale.
Attivazione dello scambio di chiavi tramite ONOS:
Figura 6 — Output dell'attivazione del link QKD tramite controller ONOS
Generazione e verifica delle chiavi su Quditto:
Figura 7 — Output del client Quditto: chiavi generate, verificate e corrispondenti tra nodi A e B
I risultati confermano che l'architettura SDN è in grado di astrarre la complessità hardware, permettendo l'orchestrazione di risorse di sicurezza quantistica tramite semplici chiamate software.