面向多業(yè)務(wù)場(chǎng)景的端到端網(wǎng)絡(luò)切片安全部署算法

趙季紅 馮 晴 王 智 何曉媛

①(西安郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院 西安 710121)

②(西安交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院 西安 710049)

1 引言

隨著5G通信技術(shù)的發(fā)展，智能家居、自動(dòng)駕駛、遠(yuǎn)程醫(yī)療會(huì)診等來(lái)自垂直行業(yè)的多樣化業(yè)務(wù)逐步實(shí)現(xiàn)[1]。增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶eMBB、海量機(jī)器類通信mMTC、高可靠低時(shí)延通信uRLLC三大業(yè)務(wù)場(chǎng)景在提供支撐的同時(shí)也需要不同的通信方式。5G網(wǎng)絡(luò)切片[2]的引入極大地增加了網(wǎng)絡(luò)的靈活性，通過(guò)將底層物理網(wǎng)絡(luò)切分成多個(gè)相互獨(dú)立的邏輯網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同的業(yè)務(wù)場(chǎng)景提供按需服務(wù)。

網(wǎng)絡(luò)切片的安全是目前研究的熱點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)切片的安全威脅包括切片間由于保密機(jī)制故障出現(xiàn)信息泄露；由于資源分配不均而引發(fā)的DoS攻擊[3,4]；頻繁通信導(dǎo)致切片間攻擊以及虛擬網(wǎng)絡(luò)中VNF(Virtual Network Function)的非法訪問(wèn)、篡改等問(wèn)題，這些問(wèn)題都會(huì)破壞切片環(huán)境的安全性和機(jī)密性，影響網(wǎng)絡(luò)切片的正常工作。因此，新的5G網(wǎng)絡(luò)切片安全部署策略尤為重要。

5G網(wǎng)絡(luò)切片的安全部署需考慮切片類型和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境兩個(gè)因素。現(xiàn)有文獻(xiàn)主要是研究在核心網(wǎng)的環(huán)境下進(jìn)行切片的部署設(shè)計(jì)，對(duì)于多域環(huán)境下端到端網(wǎng)絡(luò)切片的安全部署問(wèn)題研究較少。文獻(xiàn)[5]利用HW(Holt-Winters)算法預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)切片的流量需求，從而避免網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的頻繁變化給切片動(dòng)態(tài)部署帶來(lái)的安全隱患。文獻(xiàn)[6]提出一種啟發(fā)式算法來(lái)實(shí)現(xiàn)切片部署，該算法通過(guò)減少VNF的遷移次數(shù)來(lái)減小對(duì)其他切片的影響。文獻(xiàn)[7]提出一種對(duì)于多資源切片降低復(fù)雜度的在線算法，有效地解決當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)切片算法的高復(fù)雜度、隱私泄露和離線設(shè)置等安全問(wèn)題。文獻(xiàn)[8]利用一種啟發(fā)式算法，研究端到端切片的最優(yōu)選擇，在確保用戶服務(wù)質(zhì)量的同時(shí)，提高資源的有效利用率。綜上所述，目前關(guān)于網(wǎng)絡(luò)切片的研究部署方案相對(duì)較多，但針對(duì)多業(yè)務(wù)類型的網(wǎng)絡(luò)切片安全部署研究相對(duì)較少。

2 問(wèn)題描述與數(shù)學(xué)模型

2.1 安全部署問(wèn)題描述

5G網(wǎng)絡(luò)切片部署中，不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景的切片對(duì)底層物理網(wǎng)絡(luò)的資源需求不同，網(wǎng)絡(luò)切片在部署的結(jié)構(gòu)上也存在差異。端到端網(wǎng)絡(luò)切片部署示意圖如圖1所示，3種類型網(wǎng)絡(luò)切片部署在接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)和核心網(wǎng)組成的底層物理網(wǎng)絡(luò)上，切片之間相互連接，彼此協(xié)作。

圖1 端到端切片部署示意圖

信任的概念最早出現(xiàn)在人際社會(huì)關(guān)系中，后被逐漸引入計(jì)算機(jī)領(lǐng)域[9]。本文通過(guò)引入節(jié)點(diǎn)的安全信任值[10]來(lái)反映網(wǎng)絡(luò)資源的安全性，該值介于0和1之間，隨著安全信任值的逐漸增大，網(wǎng)絡(luò)整體的安全性逐漸提高。

節(jié)點(diǎn)部署是網(wǎng)絡(luò)切片部署的重要環(huán)節(jié)，簡(jiǎn)化后的節(jié)點(diǎn)安全部署示例圖如圖2所示。左側(cè)為VNF部署請(qǐng)求，右側(cè)為網(wǎng)絡(luò)資源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。部署請(qǐng)求中的3個(gè)值依次為VNF部署的CPU資源值、VNF對(duì)資源的安全信任需求值以及VNF自身安全信任值；網(wǎng)絡(luò)資源拓?fù)渲械?個(gè)值依次為底層網(wǎng)絡(luò)可提供的CPU資源值、節(jié)點(diǎn)自身的安全信任需求以及節(jié)點(diǎn)自身安全信任值。

根據(jù)圖2的節(jié)點(diǎn)部署示例可知，切片在部署過(guò)程中應(yīng)該滿足節(jié)點(diǎn)的VNF部署請(qǐng)求上的每一個(gè)值都不低于網(wǎng)絡(luò)資源上相對(duì)應(yīng)的值，目的是保證節(jié)點(diǎn)得到充足的網(wǎng)絡(luò)資源的同時(shí)，使其能夠安全部署在底層物理網(wǎng)絡(luò)上且不受同駐攻擊影響。

圖2 節(jié)點(diǎn)安全部署示例

2.2 數(shù)學(xué)模型

底層物理網(wǎng)絡(luò)和映射后的虛擬網(wǎng)絡(luò)橫跨接入網(wǎng)域、傳輸網(wǎng)域和核心網(wǎng)域，在網(wǎng)絡(luò)切片請(qǐng)求部署時(shí)，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都與底層物理網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，每一條鏈路與連接節(jié)點(diǎn)位置的物理鏈路相對(duì)應(yīng)。

(1) 跨域基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)模型。在多域網(wǎng)絡(luò)中，底層物理網(wǎng)絡(luò)的資源分配和基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涫蔷W(wǎng)絡(luò)切片部署實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵因素。底層物理網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)資源包括接入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)(Access network Nodes, ANs)、傳輸網(wǎng)節(jié)點(diǎn)(Transmission network Nodes, TNs)、核心網(wǎng)節(jié)點(diǎn)(Core network Nodes, CNs)[11]。將網(wǎng)絡(luò)資源表示為由網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)間鏈路組成的無(wú)向圖GP=(NP,EP)，其中NP表示節(jié)點(diǎn)集合，EP表示鏈

3 端到端切片部署算法

網(wǎng)絡(luò)切片的部署涉及VNF的放置和相關(guān)鏈路的選擇[12]。VNF的放置是指在滿足網(wǎng)絡(luò)容量的條件下，網(wǎng)絡(luò)切片請(qǐng)求中的節(jié)點(diǎn)總能在物理網(wǎng)絡(luò)上找到相對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)來(lái)承載請(qǐng)求，而針對(duì)不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景的網(wǎng)絡(luò)切片在多域網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行部署時(shí)，高風(fēng)險(xiǎn)的節(jié)點(diǎn)會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片環(huán)境的安全和穩(wěn)定。因此可以通過(guò)節(jié)點(diǎn)的相關(guān)指標(biāo)對(duì)節(jié)點(diǎn)安全性進(jìn)行定量分析。

3.1 節(jié)點(diǎn)安全等級(jí)指標(biāo)

節(jié)點(diǎn)的介數(shù)中心性表示節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息傳播的控制能力，節(jié)點(diǎn)的介數(shù)中心性表示為

當(dāng)重要度越高的節(jié)點(diǎn)受到安全威脅時(shí)，對(duì)整體網(wǎng)絡(luò)的負(fù)面影響會(huì)越大，綜合全局考慮，在本實(shí)驗(yàn)中，對(duì)于該類節(jié)點(diǎn)應(yīng)給予更高的安全等級(jí)，并且進(jìn)行重點(diǎn)保護(hù)。

3.2 VNF部署和鏈路部署

基于節(jié)點(diǎn)安全等級(jí)指標(biāo)，本文采用廣度優(yōu)先搜索(Breadth First Search, BFS)算法[17]對(duì)虛擬節(jié)點(diǎn)進(jìn)行排序，然后按照表1算法輸出的排序后的節(jié)點(diǎn)順序，按照表2算法依次進(jìn)行節(jié)點(diǎn)映射，從而得到節(jié)點(diǎn)映射集合。

表1 虛擬節(jié)點(diǎn)安全等級(jí)排序算法

表2 切片請(qǐng)求中虛擬節(jié)點(diǎn)映射算法

在滿足鏈路帶寬要求的前提下，本文采用K最短路徑算法[18](K-Shortest Paths, KSP)進(jìn)行鏈路的映射，目的是找出映射后的節(jié)點(diǎn)之間的最短鏈路，避免在切片部署過(guò)程中因?yàn)楣?jié)點(diǎn)間的鏈路過(guò)長(zhǎng)或者鏈路的跳數(shù)過(guò)高引起的安全風(fēng)險(xiǎn)從而影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，按照表3算法依次進(jìn)行鏈路映射，從而得到鏈路映射集合。

表3 切片請(qǐng)求中虛擬鏈路映射算法

4 面向業(yè)務(wù)的端到端網(wǎng)絡(luò)切片部署

4.1 網(wǎng)絡(luò)切片部署的數(shù)學(xué)模型

其中，前一部分表示節(jié)點(diǎn)的部署成本，節(jié)點(diǎn)所需的CPU資源、內(nèi)存資源與節(jié)點(diǎn)的部署成本成正比，所需資源越多，安全信任值越大，部署成本越高。后一部分表示鏈路的部署成本，鏈路所需的資源與部署成本成正比，所需帶寬資源越大以及鏈路跳數(shù)越高，會(huì)導(dǎo)致部署的底層鏈路安全信任值越高，則部署成本會(huì)增大。表示由虛擬網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)安全和物理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)安全共同決定的節(jié)點(diǎn)安全性。后一部分表示鏈路的安全部署收益，鏈路的帶寬和底層鏈路的安全信任值決定了切片部署的鏈路安全收益，節(jié)點(diǎn)安全收益和鏈路安全收益之和為切片部署的安全收益。

4.2 優(yōu)化目標(biāo)和約束條件

式(12)—式(14)分別表示對(duì)于每個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片請(qǐng)求來(lái)說(shuō)，每一個(gè)虛擬AN, TN和CN僅能映射在對(duì)應(yīng)的一個(gè)物理AN, TN和CN上，且每一個(gè)物理AN,TN和CN僅能承載1個(gè)虛擬AN, TN和CN。

式(15)—式(17)表示節(jié)點(diǎn)部署的安全約束條件，式(18)表示鏈路部署的安全約束條件。在切片部署過(guò)程中，式(19)、式(20)表示底層網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)的參數(shù)應(yīng)該保持在底層網(wǎng)絡(luò)所能提供的資源范圍之內(nèi)，式(21)表示部署在底層網(wǎng)絡(luò)上的每一條鏈路，鏈路帶寬需求值不能超過(guò)底層物理網(wǎng)絡(luò)所能提供的帶寬范圍。

4.3 網(wǎng)絡(luò)切片的跨域安全部署

針對(duì)不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景的網(wǎng)絡(luò)切片對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的需求不同，提出針對(duì)性的部署目標(biāo)，在部署過(guò)程中，根據(jù)到達(dá)的切片請(qǐng)求類型來(lái)提供相對(duì)應(yīng)的安全部署服務(wù)。

(1) 增強(qiáng)移動(dòng)寬帶eMBB。在eMBB場(chǎng)景下，5G網(wǎng)絡(luò)峰值速率和用戶使用速率比4G提升10倍以上[19]。該場(chǎng)景適用于固定區(qū)域內(nèi)的高流量用戶連接，在高密度用戶區(qū)域，用戶移動(dòng)性低，相對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)需求會(huì)增大，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全措施很難滿足這種超大流量的5G網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)需求，這種類型的網(wǎng)絡(luò)切片不需要保證低時(shí)延和高速率，所以按照表4算法在部署eMBB切片的過(guò)程中需要保證切片安全部署的同時(shí)，最少利用網(wǎng)絡(luò)資源，且保證高吞吐量。

表4 eMBB切片跨域部署實(shí)現(xiàn)算法

(2) 海量機(jī)器類通信mMTC。在mMTC應(yīng)用場(chǎng)景下，5G網(wǎng)絡(luò)的用戶連接密度從1×105臺(tái)/km2增大到1×106臺(tái)/km2[19]，設(shè)備數(shù)量的劇增使得mMTC切片在具備較高的數(shù)據(jù)計(jì)算和數(shù)據(jù)處理能力的同時(shí)，也因?yàn)榫蘖繑?shù)據(jù)的接入對(duì)通信系統(tǒng)帶來(lái)了更大的安全風(fēng)險(xiǎn)，特殊情況下會(huì)使網(wǎng)絡(luò)瞬間達(dá)到業(yè)務(wù)峰值，引發(fā)信令風(fēng)暴，對(duì)其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)施造成影響。因此mMTC切片的部署目標(biāo)是減小物理鏈路上的帶寬消耗，避免數(shù)據(jù)傳輸時(shí)發(fā)生擁塞現(xiàn)象，按照表5算法實(shí)現(xiàn)mMTC切片跨域部署。

表5 mMTC切片跨域部署實(shí)現(xiàn)算法

(3) 高可靠低時(shí)延通信uRLLC。在uRLLC場(chǎng)景下，切片通信要求端到端的時(shí)延從10 ms降到1 ms[19]，

其主要應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)和控制、遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)、自動(dòng)駕駛等對(duì)時(shí)延要求相對(duì)嚴(yán)苛的研究領(lǐng)域，同時(shí)也需要保證高效的服務(wù)質(zhì)量，所以該類切片的安全要求往往高于前兩種切片，且最容易遭受網(wǎng)絡(luò)攻擊。uRLLC切片的部署目標(biāo)是降低傳輸時(shí)延，即最小化虛擬鏈路對(duì)應(yīng)的物理路徑長(zhǎng)度，按照表6算法實(shí)現(xiàn)uRLLC切片跨域部署。

表6 uRLLC切片跨域部署實(shí)現(xiàn)算法

5 仿真驗(yàn)證與結(jié)果分析

本文以部署成本和安全收益作為檢驗(yàn)指標(biāo)來(lái)評(píng)估部署策略的可行性，對(duì)上述算法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，并與其他算法進(jìn)行對(duì)比，分析得出結(jié)論。

5.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)中為了方便觀察，對(duì)上述算法加入了相同的安全條件約束。本文所使用的對(duì)比方法有：基于模擬退火的SA(Simulated Annealing, SA)算法[21]，基于虛擬網(wǎng)絡(luò)嵌入的LAVA(Layered V-Fine algorithm, LAVA)算法[22]，以及基于虛擬網(wǎng)絡(luò)功能放置的GLL(Greedy Least Loaded, GLL)算法[23]。由于底層網(wǎng)絡(luò)資源的隨機(jī)性和參數(shù)不確定性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果取多次結(jié)果的均值。

5.2 仿真結(jié)果分析

(1) 網(wǎng)絡(luò)切片平均部署成本。圖3為3種業(yè)務(wù)類型的網(wǎng)絡(luò)切片平均部署成本的變化趨勢(shì)。由圖中可以看出，所提部署策略NSR在平均部署成本上都要明顯優(yōu)于對(duì)比算法。主要原因在于該算法能夠依據(jù)不同業(yè)務(wù)類型切片對(duì)不同域的資源需求差異來(lái)合理分配資源，提供特定的部署方案，所以平均部署成本相對(duì)較低。SA算法需要花費(fèi)大量時(shí)間尋找局部最優(yōu)解和相應(yīng)的虛擬鏈路[24]，在此過(guò)程中可能會(huì)造成節(jié)點(diǎn)和鏈路的重合，導(dǎo)致部署成本相對(duì)較高。LAVA算法是基于虛擬網(wǎng)絡(luò)嵌入所提出的算法，在部署過(guò)程中需要根據(jù)每次到達(dá)的切片設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的切片請(qǐng)求拓?fù)洌瑥亩鴮?dǎo)致底層部分資源剩余，造成部署成本增大。GLL算法由于優(yōu)先選取容量最大的節(jié)點(diǎn)部署，連續(xù)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)切換導(dǎo)致某些鏈路的跳數(shù)過(guò)大而導(dǎo)致最終部署成本較高。

圖3 網(wǎng)絡(luò)切片平均部署成本

(2) 網(wǎng)絡(luò)切片平均安全收益。圖4為3種業(yè)務(wù)類型的網(wǎng)絡(luò)切片部署安全收益的變化趨勢(shì)。由圖中可以看出，所提部署策略的安全收益在整體趨勢(shì)上優(yōu)于其他3種對(duì)比算法，NSR部署策略由于考慮了切片請(qǐng)求的拓?fù)涮匦?，在合理的安全約束條件下，選取適當(dāng)?shù)墓?jié)點(diǎn)和鏈路進(jìn)行部署，從而獲得較高的安全收益。SA算法在尋找局部最優(yōu)節(jié)點(diǎn)和鏈路的同時(shí)，忽略了部分節(jié)點(diǎn)的安全等級(jí)，會(huì)導(dǎo)致部分低等級(jí)節(jié)點(diǎn)與高等級(jí)節(jié)點(diǎn)資源共享，導(dǎo)致整體的收益較低。LAVA算法在部署過(guò)程中會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)資源的浪費(fèi)，全局的安全性考慮不夠，導(dǎo)致部署的切片整體安全收益偏低。GLL算法只能考慮到局部的節(jié)點(diǎn)安全性，同時(shí)忽略了節(jié)點(diǎn)和鏈路之間的協(xié)調(diào)性，導(dǎo)致部署安全收益降低。

圖4 網(wǎng)絡(luò)切片平均安全收益

6 結(jié)束語(yǔ)

網(wǎng)絡(luò)切片作為5G中討論最多的問(wèn)題，對(duì)未來(lái)5G的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用，但虛擬化技術(shù)的引入，帶來(lái)了大量的安全隱患，本文利用切片部署中節(jié)點(diǎn)的安全信任值來(lái)量化切片部署的安全性。該方法通過(guò)對(duì)底層物理網(wǎng)絡(luò)資源的分析和虛擬網(wǎng)絡(luò)的映射，實(shí)現(xiàn)多業(yè)務(wù)場(chǎng)景的網(wǎng)絡(luò)切片在多域網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的部署，提高網(wǎng)絡(luò)切片部署的安全性。為了評(píng)估所提策略的性能，進(jìn)行了大量仿真，結(jié)果表明，提出的部署策略可以實(shí)現(xiàn)不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景的網(wǎng)絡(luò)切片進(jìn)行按需部署，并且在減小部署成本的同時(shí)獲得較高的安全部署收益。后續(xù)可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)切片在實(shí)際商用過(guò)程中面臨的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)估并分析，加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)切片的細(xì)粒度管理措施，保障整個(gè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的安全可靠。