光接入網(wǎng)絡(luò)的安全性及其增強(qiáng)技術(shù)研究.pdf

1、互聯(lián)網(wǎng)是當(dāng)今信息社會(huì)最重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一。不斷出現(xiàn)的新技術(shù)，如大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)等，促進(jìn)了互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。然而隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及和廣泛應(yīng)用，互聯(lián)網(wǎng)安全事件不斷增多，給使用者帶來了巨大損失。光接入網(wǎng)絡(luò)是承載互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行的主要基礎(chǔ)設(shè)施，但下行信號(hào)廣播傳輸模式等安全隱患使其容易遭受來自非法用戶的竊聽和干擾攻擊。因此，研究光接入網(wǎng)絡(luò)的安全問題及其增強(qiáng)技術(shù)對(duì)保證互聯(lián)網(wǎng)安全具有重要意義。近年來，光接入網(wǎng)安全的增強(qiáng)技術(shù)備受關(guān)注，如混沌激光保密

2、通信、光量子密鑰分配與物理層安全技術(shù)等。物理層安全技術(shù)具有實(shí)施方式靈活、復(fù)雜度低、全信息保密等特點(diǎn)，是最具潛力應(yīng)用到光接入網(wǎng)絡(luò)的安全性增強(qiáng)技術(shù)之一。另外，光正交頻分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)(Orthogonal Frequency Division Multiplexing Passive Optical Network,OFDM-PON)具有對(duì)光纖色散耐受性強(qiáng)、資源分配靈活和成本低等優(yōu)勢，將是光接入網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)選方案之一。本論文在國家自然科學(xué)基金

3、項(xiàng)目資助下，以增強(qiáng)光接入網(wǎng)絡(luò)安全性為目標(biāo)，對(duì)OFDM-PON的安全性及物理層安全性增強(qiáng)技術(shù)展開研究。論文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　(1)提出了基于星座圖變換的物理層安全增強(qiáng)技術(shù)，包括混沌IQ加密、混沌星座圖變換和基于布朗運(yùn)動(dòng)的符號(hào)代換。這些技術(shù)相比已經(jīng)報(bào)道的類似技術(shù)最大優(yōu)點(diǎn)是在增強(qiáng)物理層安全性的同時(shí)不會(huì)降低加密信號(hào)的傳輸性能。研究結(jié)果表明這三個(gè)星座圖變換物理層安全技術(shù)都能有效增強(qiáng)光接入網(wǎng)絡(luò)的安全性，但擾亂星座圖的程度不同。符號(hào)

4、代換技術(shù)對(duì)星座圖變換最充分，擾亂信息熵最大，混沌IQ加密對(duì)星座圖變換信息熵最小?；诨煦鏘Q加密，提出了能同時(shí)增強(qiáng)安全性降低傳輸信號(hào)PAPR的混沌IQ加密-選擇映射技術(shù)(IQ-Selective Mapping,IQ-SLM)和混沌IQ加密-最優(yōu)幀傳輸技術(shù)(IQ-Optimal Frame Transmission,IQ-OFT)。
　　(2)提出了基于幀變換的物理層安全增強(qiáng)技術(shù)，包括混合混沌混亂代換、頻域時(shí)域混合交織和基于布朗運(yùn)

5、動(dòng)的幀交織?；旌匣煦缁靵y代換技術(shù)相比已報(bào)道的子載波擾亂技術(shù)能同時(shí)實(shí)現(xiàn)符號(hào)與子載波映射的混亂和符號(hào)本身的代換。頻域時(shí)域混合交織技術(shù)交織時(shí)不需要產(chǎn)生混沌置換序列，因此其能避免復(fù)雜度較高的置換序列產(chǎn)生過程。幀交織技術(shù)交織時(shí)不僅不需要產(chǎn)生混沌置換序列，而且交織過程的復(fù)雜度較低，因此其實(shí)施復(fù)雜度進(jìn)一步降低。研究結(jié)果表明幀變換安全性增強(qiáng)技術(shù)能有效阻止非法用戶對(duì)傳輸數(shù)據(jù)的竊聽。
　　(3)研究了目前光接入網(wǎng)絡(luò)安全性增強(qiáng)技術(shù)研究中忽略的物理層密鑰

6、管理。光接入網(wǎng)絡(luò)物理層密鑰管理適合采用靜態(tài)密鑰管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)過程可以分為密鑰預(yù)分享、密鑰更新、加密同步。提出了一個(gè)導(dǎo)頻協(xié)助安全密鑰協(xié)商技術(shù)，該技術(shù)利用信道估計(jì)所用導(dǎo)頻符號(hào)實(shí)現(xiàn)密鑰組在收發(fā)兩端安全協(xié)商。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明導(dǎo)頻協(xié)助安全密鑰協(xié)商技術(shù)能有效運(yùn)行，并具有較高的安全性和可接受的實(shí)施復(fù)雜度。
　　(4)從安全性、復(fù)雜性以及對(duì)傳輸信號(hào)影響三個(gè)角度對(duì)本文提出的物理層安全技術(shù)進(jìn)行評(píng)估。比較結(jié)果顯示符號(hào)代換技術(shù)與幀交織技術(shù)的密鑰空間最大，達(dá)到

7、2.7×1091。混沌映射的初始值和迭代參數(shù)的個(gè)數(shù)越多安全性增強(qiáng)技術(shù)的密鑰空間越大。本文提出的所有物理層安全性增強(qiáng)技術(shù)都能有效抵抗來自非法用戶的暴力破解攻擊?；煦缧亲鶊D變換技術(shù)的擾亂效果最好達(dá)到98.50％。頻域時(shí)域混合交織技術(shù)的時(shí)間復(fù)雜度最高為O(N2),而符號(hào)代換技術(shù)與幀交織技術(shù)的密鑰復(fù)雜度最大。本文提出的物理層安全性增強(qiáng)技術(shù)不會(huì)增加傳輸信號(hào)的峰均功率比(Peak-to-Average Power Ratio,PAPR)，IQ-SL