【摘 要】
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万物互联时代,新兴移动服务在带宽、时延、安全传输等方面呈现多样化发展趋势。这促使作为关键基础承载设施之一的光与无线融合接入网朝着大容量、低时延、灵活可定制的方向不断演进,其开放性与兼容性正不断增强。但在网络攻击威胁日益复杂多样化的背景下,随之产生的安全漏洞使光与无线融合接入网的安全防护技术面临巨大挑战。主要体现在以下两方面:首先在光纤传输层面,现有安全防护技术难以高速率、低开销地抵御外部窃听威胁;
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万物互联时代,新兴移动服务在带宽、时延、安全传输等方面呈现多样化发展趋势。这促使作为关键基础承载设施之一的光与无线融合接入网朝着大容量、低时延、灵活可定制的方向不断演进,其开放性与兼容性正不断增强。但在网络攻击威胁日益复杂多样化的背景下,随之产生的安全漏洞使光与无线融合接入网的安全防护技术面临巨大挑战。主要体现在以下两方面:首先在光纤传输层面,现有安全防护技术难以高速率、低开销地抵御外部窃听威胁;其次在无线功能处理层面,缺乏适用于分布式虚拟化环境下,抵御跨虚拟机攻击威胁的安全防护技术,以实现光与无线融合接入网定制化切片的灵活性与安全性之间的权衡。针对上述两个层面的安全防护技术问题,本文从光纤传输层面的攻防交互模型构建、高速低开销的内置安全防护,以及无线功能处理层面的虚拟无线功能安全高效部署三个方面展开研究,旨在实现光与无线融合接入网整体全面的安全防护。本文的主要研究内容和创新点包括:(1)构建一种基于主从博弈的光纤主动窃听与安全防护交互模型。针对光纤窃听由“被动”模式转向“主动”模式情况下,物理层安全防护性能潜在的不确定性问题,本文提出一种基于主从博弈框架的光纤传输层主动窃听与安全防护交互模型。首先对光纤传输上的主动窃听攻击方式进行具体分析;其次,在上述主动窃听攻击方式分析基础之上,利用主从博弈框架构建合法传输方与窃听方之间的攻防交互过程,并获取双方对应的博弈均衡策略。最后依据博弈均衡输出,分析物理层信息论安全防护性能。仿真结果表明主动窃听相对被动窃听能多抑制0.6 bits/Hz的安全容量;在几种典型的信道编码长度条件下,主动窃听成功率最高能达到0.01。这表明现有的物理层信息论安全防护技术尚存在一定不足。该模型可为后续的光纤传输层安全防护技术研究奠定一定基础。(2)提出一种面向高速低开销传送的光与无线融合接入网内置安全防护方法。针对高速率、低开销传送需求下的光与无线融合接入网高安全性防护问题,本文提出一种基于FlexE over WDM承载的内置安全防护方法。FlexE over WDM作为光与无线融合接入网传送的一项关键技术,具有灵活高速低时延等特性。该内置安全防护方法利用FlexE数据到PHY接口的映射机制,采用全域哈希算法实现FlexE数据到不同PHY接口的随机映射,形成数据置换操作。然后进一步结合光层路由与多光纤并行传输方法,将其映射到不同波长,最终实现信息隐藏。仿真结果表明在保证资源有效性的同时,采用全域哈希映射的内置安全传送机制的安全性指标高达1022,相对采用轮询映射的First-Fit传送机制提升了 103。(3)提出一种基于虚拟无线功能部署的光与无线融合接入网切片安全隔离策略。在为多样化边缘业务提供定制化承载的背景下,针对光与无线融合接入网端到端切片安全隔离与灵活部署之间的权衡问题,本文提出了基于虚拟无线功能部署的光与无线融合接入网切片安全隔离策略。首先在考虑带宽、时延以及安全防护性能等约束下,建立了面向安全隔离与资源有效性的多目标网络切片整数线性规划模型,以探究安全隔离与网络资源利用率之间权衡的最优性能。为适配实际网络中的实时处理需求,进一步提出基于深度强化学习的光与无线融合接入网安全高效切片策略,通过自主学习,实现趋近最优的虚拟无线功能安全部署与路由结果。仿真结果表明基于深度强化学习算法的切片安全隔离策略与最优数学模型具有近似性能,目标值偏差最大仅为6%,较贪心启发式算法性能提升了 14.5%。综上,本文主要研究了光与无线融合接入网安全防护技术,以抵御光纤传输层与无线功能处理层面临的安全威胁为目标,从光纤传输层的攻防交互模型,高速低开销的内置安全传送方法,以及光与无线融合接入网切片安全隔离策略三个方面展开研究。在安全防护技术研究中,充分考虑光纤传输特性、移动服务多样性以及传输时延带宽等限制,以较低的网络资源消耗保证光与无线融合接入网的信息安全承载。通过大量仿真验证本文所提出的安全防护技术可以使光与无线融合接入网形成多方面的抵御外部安全威胁的能力。
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