云計算虛擬資源增強型多點安全傳輸仿真

羅澤鵬，蔣運承，胡致杰

(1. 廣東理工學院，廣東 肇慶 526100；2. 華南師范大學，廣東 廣州 510000)

1 引言

在互聯網技術不斷發展的同時，對計算機的性能也是要求越來越高。為有效利用重要資源數據云計算應運而生。云計算是一種分布式計算，為保證用戶數據的完整性、隱私性和有效性，有必要建立云計算資源安全傳輸通道，保障云計算系統的安全性。在實際應用中，可以將虛擬云桌面與企業連接進而完成網絡操作，例如連接云桌面就可以進入企業內部的服務器，企業要在用戶注冊的時候做好認證工作，同時必須保證虛擬云桌面與服務器之間能夠安全的進行數據傳輸。

為提高虛擬資源傳輸的質量，相關專家已經得到了一些較好成果。秦鵬翔等人[1]提出一種基于SDR平臺的噪聲聚合物理層安全傳輸方案的設計方法。通過編碼設計和反饋控制，噪聲聚合物層充分利用無線鏈路中固有的噪聲資源，干擾竊聽者的信道質量，來提高通信系統的安全性能。利用軟件無線電平臺，設計集成噪聲聚合防竊聽功能的發射機，在此基礎上搭建包括源節點、目的節點和竊聽節點的防竊聽測試環境；黃開枝等人[2]提出一種基于異構攜能通信網絡的基于人工噪聲輔助的魯棒安全傳輸方案。依據接收用戶信息和接收能量、信息中斷的中斷和截獲的約束下，設計宏基站和微基站的下行信息介質和人體噪聲矩陣，干擾系統的監聽設備和功率吸收改進，使能量吸收系統的性能最大化。上述兩種方法側重于提高主通道的質量，以此加強傳輸安全性，但若基站與竊聽者間的間隔距離較近，上述傳統方法無法解決受到竊聽威脅。

為此本文提出云計算虛擬資源增強型多點安全傳輸方法。通過構建云計算虛擬資源平臺，有效儲存用戶數據信息。確定協作微基站，防止用戶以低接收功率訪問微基站，創建安全域，評估安全區域是否有監聽設備，多點協同傳輸可以通過微基站安全傳輸信息。實驗結果表明：本文方法能夠有效防止竊聽者帶來的干擾，保證安全傳輸性能。

2 云計算虛擬資源安全管理平臺設計

2.1 云計算虛擬資源平臺

云計算作為一種新的計算和存儲資源使用模式，為用戶提供了高性能的服務[3]。隨著云計算和大數據技術在網絡中的不斷發展，網絡終端數據通信資源量龐大，存儲和傳輸難度也較大。由于終端硬件和軟件存在多樣性，在網絡通信資源傳輸時，很容易被外界攻擊或者竊取，降低網絡資源安全性，導致存儲和傳輸的開銷升高。

虛擬化是對資源的抽象。不同的用戶根據自己的需要提出訪問請求并獲取資源，而不關注資源的具體位置。虛擬化將傳統的數據中心轉變為適合云計算的運行節點，為云環境提供統一、易用的資源組織和使用模式。可以提供和真實層一致或者近似的功能，更加方便上層系統在中間層的穩定運行。與其它分布式計算平臺不同的是云計算的核心之一是虛擬化。

利用虛擬化技術能夠為應用程序提供更強的計算能力和更大的靈活性，這種優勢非常符合云計算的需求和主要概念[4]。然而，虛擬化技術在提高云基礎設施效率的同時，也使傳統的安全保護方法失效。在虛擬化的實現中，需要對云計算環境的整體可靠性進行評估和驗證。具體內容如圖1所示。

圖1 云計算虛擬資源平臺

在云計算環境下，構建了虛擬資源平臺，其優勢是促使了虛擬技術的深入發展。云計算多源信息系統為提供者創造合適的網絡環境，使用戶和服務提供商可以直接或間接地進行交互以支持服務模式。

2.2 云計算虛擬資源管理框架

擴大云計算中心集群規模提高整個平臺的管理能力，充分利用系統資源，最大限度地發揮云計算的優勢。通過優秀的管理策略，使其性能達到高效利用[5]。云計算資源管理模塊如圖2所。

圖2 云計算資源管理模塊框架圖

圖2顯示了從客戶端應用程序到云計算結果的整個過程。資源管理服務器按照用戶端計算機的不同類型以及云計算資源服務器設備的實時運行狀況，獲取到最合適的云計算資源服務器為客戶端提供服務[6-7]。節點向每個節點發送信息，需要系統的工作參數；被動監控是指每個節點根據顯示器產生的系統負載，向中心節點發送信息進行報告，在大多數情況下，運用被動實時監控的方式，即被動監控采用實時監控方式進行資源管理。

客戶端會根據控制服務器與云計算服務器進行連接，當客戶端發送計算機應用程序，云計算服務器可以存儲一些與用戶相關的數據信息，所有操作完成后，資源管理服務器將計算結果發送給用戶的計算機。計算機客戶端將返回結果。從服務器計算數據源并等待下一個用戶請求[8]。

云計算資源管理的主要目標如下：

1)自動化目標：自動化技術是指在不需要任何人工操作的前提下，根據所需自動完成系統的多種不同服務功能、調整資源需求、監測系統運行狀態以及數傳輸需求；

2)優化資源目標：計算過程中，需要針對不同數據資源進行調整，以便于后續系統資源統籌調度，優化主要目標分別是數據傳輸通信、熱平衡以及網絡負載均衡；

3)簡便管理目標：為了能更好提升效率，減少計算量，針對系統資源進行簡便管理；

4)數據資源整合目標：在物理資源基礎上，通過虛擬化技術對虛擬資源進行傳輸。虛擬化技術可以讓服務器主機同時運行多個不同的傳輸系統，還不會發生異常干擾現象，因此對虛擬資源實現動態管理，便成為其中重要的步驟之一。

根據以上對本文構建的云計算平臺的詳細描述，獲得云計算系統具體框架，如圖3所示。用戶端依據網絡連接到管理服務器設備。管理服務器提供免費資源，便于客戶讀取數據信息。

圖3 云計算系統框架圖

3 安全保護域的增強型多點協作傳輸機制

圖4 安全增強型虛擬磁盤系統模型

在傳輸加密和解密模型中，此操作在虛擬磁盤驅動器中進行。虛擬磁盤驅動程序與磁盤驅動程序和USB驅動程序處于同一級別，負責與下面的設備進行通信。基于這個模型，本文添加了一個文件系統過濾器驅動層(如圖4所示)。文件系統過濾器驅動層攔截來自I/O管理器的IRP請求包，這使得在卸載虛擬磁盤時攔截USB操作、對機密文件的審計操作以及清除緩存成為可能。文件系統過濾器驅動層安裝在微軟文件系統框架中實現的文件系統驅動層上。文件系統驅動層下是設備驅動層，包括微軟公司實現的USB驅動程序和用戶實現的虛擬磁盤驅動程序。只有在虛擬磁盤驅動程序中才能實現數據的加密和解密。

運用安全保護域增強型多點傳輸機制，建立多點協作傳輸模型，具體內容如圖5所示。

圖5 多點協作傳輸模型

2)建立安全域。根據安全保護域的中心思想，將微基站作為中心，d作為半徑，構建出安全保護域，衡量其中是否有竊聽者的存在[9]。

3)多點協同傳輸。如果在安全保護域中有竊聽者，利用疊加編碼理論，微基站與kPS協同發送信息，并發送一個與(1-k)PS相結合的消息AN，其中k是有用的在沒有竊聽器的情況下，微基站與功率PS協同發送信息。

它通過向偵聽器發送AN干擾來加強用戶安全性[10]。此外，多點協同傳輸可作為有用信息信號的功率分配比系數k=1的特殊情況。

典型宏站用υ0戶在訪問宏站u0時接收到的信號的信干比SIR(Signal to Interference Ratio)的表達式如下

SIRm=

(1)

(2)

竊聽器能夠同時對兩種類型的協作微基站進行竊聽，并獲得較大的SIR作為竊聽器。竊聽節點e1竊聽1型微基站的SIR公式如下

(3)

竊聽節點e2從第1類微基站u2內竊聽到的信號SIR其表達式為

(4)

可獲得竊聽者從微基站內所監聽到的信號SIR，公式為

(5)

在加強安全域保護基礎上，減少云計算虛擬資源增強型多點傳輸過程中靠近協作微基站的竊聽者所造成安全性能損失，確保傳輸安全性能。

4 實驗結果分析

為驗證所提出的云計算虛擬資源增強型多點安全傳輸方法的有效性，設計以下仿真。仿真處理器采用Geleron 3.33GHz，內存為512MB，操作系統為Windows10系統[12]。

通過實驗測試了在云計算虛擬資源環境下的數據傳輸速度(MB·s-1)。實驗結果如圖6所示。

圖6 節點傳輸速度

從圖6可以看出，隨著傳輸路徑數量的增多，所提方法的節點傳輸速度最快，主要是因為該方法通過在安全保護域內發送AN干擾竊聽者，可以有效地防止偵聽器獲得傳輸發送方的準確碼流，加快數據傳輸速度，獲得了較好的安全傳輸效果。

測試了該方法的數據傳輸吞吐量(kbit·s-1)與文獻[1]和文獻[2]方法比較結果如圖7所示。

圖7 不同方法控制下吞吐率對比圖

圖7的實驗結果表明，三種方法的吞吐量隨著數據傳輸的增加而增加。相比之下，所提方法的吞吐量是文獻[1]方法的兩倍。當數據傳輸量較大時，任務長度需要在不受此限制的情況下進行調整，從而大大提高了傳輸的安全性。本文方法能夠保證用戶的數據在網絡傳輸過程中被嚴格加密而不被盜。

為進一步驗證該方法的安全控制性能，對不同方法安全傳輸性能進行對比，如表1所示。

表1 不同方法安全控制性能對比

通過表1可知，本文方法相比其它兩種方法可靠性、寬利用率較高、網絡要求低，能夠保證傳輸時的安全性能。

5 結論

為保證數據傳輸的安全性，本文提出云計算虛擬資源增強型多點安全傳輸仿真。

在云計算虛擬資源環境下數據傳輸速度較高，通過在安全保護域內發送AN干擾竊聽者，有效防止監聽方傳輸發生精確碼流的獲取，提升系統的安全性。為了避免長期的統計分析，有必要進一步提高傳輸信道的性能，提高數據跨域傳輸的安全性。