光接入網(wǎng)絡的安全性及其增強技術研究.pdf

1、互聯(lián)網(wǎng)是當今信息社會最重要的基礎設施之一。不斷出現(xiàn)的新技術，如大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實等，促進了互聯(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)絡是承載互聯(lián)網(wǎng)運行的主要基礎設施，但下行信號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)絡的安全問題及其增強技術對保證互聯(lián)網(wǎng)安全具有重要意義。近年來，光接入網(wǎng)安全的增強技術備受關注，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等。物理層安全技術具有實施方式靈活、復雜度低、全信息保密等特點，是最具潛力應用到光接入網(wǎng)絡的安全性增強技術之一。另外，光正交頻分復用無源光網(wǎng)絡(Orthogonal Frequency Division Multiplexing Passive Optical Network,OFDM-PON)具有對光纖色散耐受性強、資源分配靈活和成本低等優(yōu)勢，將是光接入網(wǎng)技術的優(yōu)選方案之一。本論文在國家自然科學基金

3、項目資助下，以增強光接入網(wǎng)絡安全性為目標，對OFDM-PON的安全性及物理層安全性增強技術展開研究。論文的主要工作和創(chuàng)新點如下：
　　(1)提出了基于星座圖變換的物理層安全增強技術，包括混沌IQ加密、混沌星座圖變換和基于布朗運動的符號代換。這些技術相比已經(jīng)報道的類似技術最大優(yōu)點是在增強物理層安全性的同時不會降低加密信號的傳輸性能。研究結(jié)果表明這三個星座圖變換物理層安全技術都能有效增強光接入網(wǎng)絡的安全性，但擾亂星座圖的程度不同。符號

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

5、動的幀交織。混合混沌混亂代換技術相比已報道的子載波擾亂技術能同時實現(xiàn)符號與子載波映射的混亂和符號本身的代換。頻域時域混合交織技術交織時不需要產(chǎn)生混沌置換序列，因此其能避免復雜度較高的置換序列產(chǎn)生過程。幀交織技術交織時不僅不需要產(chǎn)生混沌置換序列，而且交織過程的復雜度較低，因此其實施復雜度進一步降低。研究結(jié)果表明幀變換安全性增強技術能有效阻止非法用戶對傳輸數(shù)據(jù)的竊聽。
　　(3)研究了目前光接入網(wǎng)絡安全性增強技術研究中忽略的物理層密鑰

6、管理。光接入網(wǎng)絡物理層密鑰管理適合采用靜態(tài)密鑰管理技術，實現(xiàn)過程可以分為密鑰預分享、密鑰更新、加密同步。提出了一個導頻協(xié)助安全密鑰協(xié)商技術，該技術利用信道估計所用導頻符號實現(xiàn)密鑰組在收發(fā)兩端安全協(xié)商。實驗結(jié)果證明導頻協(xié)助安全密鑰協(xié)商技術能有效運行，并具有較高的安全性和可接受的實施復雜度。
　　(4)從安全性、復雜性以及對傳輸信號影響三個角度對本文提出的物理層安全技術進行評估。比較結(jié)果顯示符號代換技術與幀交織技術的密鑰空間最大，達到

7、2.7×1091。混沌映射的初始值和迭代參數(shù)的個數(shù)越多安全性增強技術的密鑰空間越大。本文提出的所有物理層安全性增強技術都能有效抵抗來自非法用戶的暴力破解攻擊。混沌星座圖變換技術的擾亂效果最好達到98.50％。頻域時域混合交織技術的時間復雜度最高為O(N2),而符號代換技術與幀交織技術的密鑰復雜度最大。本文提出的物理層安全性增強技術不會增加傳輸信號的峰均功率比(Peak-to-Average Power Ratio,PAPR)，IQ-SL