肖孚安 蔣志鳳 李小武 黃堂森
基于AI的6G網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)分析
肖孚安a蔣志鳳b李小武b黃堂森a
(湖南科技學(xué)院 a.信息工程學(xué)院;b.智能制造學(xué)院,湖南 永州 425199)
雖然5G以基于微服務(wù)架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)云化而聞名,6G網(wǎng)絡(luò)將與智能網(wǎng)絡(luò)緊密結(jié)合,因此人工智能(artificial intelligence, AI)在6G網(wǎng)絡(luò)中為各種機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)推動(dòng)的創(chuàng)新和商業(yè)模式創(chuàng)造新的機(jī)遇。未來(lái)端到端的網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化需要系統(tǒng)主動(dòng)發(fā)現(xiàn)威脅,應(yīng)用智能緩解技術(shù),并確保實(shí)現(xiàn)6G網(wǎng)絡(luò)的自我維持。不過(guò)6G與AI的結(jié)盟也可能是雙刃劍,在許多情況下AI可以分別用來(lái)保護(hù)或者侵犯安全與隱私。因此為了了解人工智能在6G網(wǎng)絡(luò)安全方面的作用,分析6G網(wǎng)絡(luò)中由于AI導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)安全方面可能遇到的挑戰(zhàn),提出解決方案。
人工智能;6G;網(wǎng)絡(luò)安全
自2019年5G元年開啟 5G建設(shè)以來(lái),已超過(guò)71.8萬(wàn)座5G基站大規(guī)模商用。站在5G的巨人肩膀上,全球業(yè)界已開啟對(duì)下一代移動(dòng)通信6G的探索研究。未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的端到端自動(dòng)化需要6G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)擁有主動(dòng)發(fā)現(xiàn)威脅、智能緩解技術(shù)和自我維持技術(shù)。因此,使用AI技術(shù)進(jìn)行安全設(shè)計(jì)對(duì)于基于網(wǎng)絡(luò)異常而非加密方法的潛在威脅的自主識(shí)別和響應(yīng)非常重要。
5G中的軟件定義網(wǎng)絡(luò)(software-defined networking,SDN)、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(network function virtualization,NFV)、多接入邊緣計(jì)算(multi-access edge computing,MEC)和網(wǎng)絡(luò)切片等技術(shù),仍然適用于6G系統(tǒng),因此它們的安全問(wèn)題也將被6G繼承。與SDN相關(guān)的安全問(wèn)題包括對(duì)SDN控制器的攻擊、對(duì)北向和南向接口的攻擊,以及攻擊部署SDN控制器平臺(tái)的固有漏洞[1]。與NFV相關(guān)的安全問(wèn)題是針對(duì)虛擬機(jī)(virtual machines,VM)、虛擬網(wǎng)絡(luò)功能(virtual network functions,VNF)、虛擬機(jī)監(jiān)控程序、VNF管理器、NFV編排器的攻擊[2]。由于6G系統(tǒng)的大規(guī)模分布式特性,6G中的MEC容易受到物理安全攻擊、分布式拒絕服務(wù)(distributed denial of service,DDoS)攻擊。對(duì)網(wǎng)絡(luò)軟件化技術(shù)的攻擊使6G網(wǎng)絡(luò)很難實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)性和全自動(dòng)化。
6G蜂窩網(wǎng)絡(luò)將從小型蜂窩縮小為微型蜂窩,更密集的蜂窩部署、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)、多連接和設(shè)備對(duì)設(shè)備(device-to-device,D2D)通信將成為常態(tài)。分布式網(wǎng)絡(luò)更容易受到惡意方的攻擊,因?yàn)槊總€(gè)設(shè)備都具有網(wǎng)狀連接,從而增加被攻擊風(fēng)險(xiǎn)。無(wú)線接入網(wǎng)(radio access network,RAN)核心融合使高層RAN功能更加集中,并與分布式核心功能共存,如用戶平面微服務(wù)(user plane micro services, UPMS)和控制平面微服務(wù)(control plane micro service, CPMS)[3]。攻擊者可以針對(duì) UPMS 和 CPMS,影響由微服務(wù)提供服務(wù)的多個(gè)無(wú)線電單元。
6G通信網(wǎng)絡(luò)將依靠人工智能實(shí)現(xiàn)完全自治的網(wǎng)絡(luò)。因此,對(duì)AI系統(tǒng),特別是機(jī)器學(xué)習(xí)(machine learning, ML)系統(tǒng)的攻擊將影響6G[4]。中毒攻擊、數(shù)據(jù)注入、數(shù)據(jù)操縱、邏輯損壞、模型規(guī)避、模型反轉(zhuǎn)、模型提取和成員推理攻擊是對(duì)ML系統(tǒng)的常用攻擊手段。由于用戶通常看不到數(shù)據(jù)處理過(guò)程,對(duì)收集的數(shù)據(jù)的攻擊以及對(duì)私人數(shù)據(jù)的非故意使用會(huì)導(dǎo)致隱私問(wèn)題。區(qū)塊鏈技術(shù)也是6G系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。區(qū)塊鏈適用于大規(guī)模分布式6G網(wǎng)絡(luò)中的分散資源管理、頻譜共享、服務(wù)管理。由于區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)公開存儲(chǔ)數(shù)據(jù),目前基于非對(duì)稱密鑰加密的安全機(jī)制容易受到他人的攻擊,增加隱私保護(hù)難度??梢姽馔ㄐ牛╲isible light communication,VLC)也是一種適用于室內(nèi)系統(tǒng)(如定位系統(tǒng))和室外系統(tǒng)(如車對(duì)車通信)的技術(shù)[5]。針對(duì)VLC系統(tǒng)的常見攻擊,如竊聽、干擾、節(jié)點(diǎn)泄露系統(tǒng),會(huì)妨礙VLC的安全使用。
6G網(wǎng)絡(luò)的安全問(wèn)題,主要包括通過(guò)Pre_6G解釋從5G繼承的安全問(wèn)題、因6G中使用新的架構(gòu)和新技術(shù)引入的安全問(wèn)題、6G網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)不同層可能受到的攻擊,如圖1所示。6G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)從底層至上層分別包括智能感知層、智能邊緣層、智能控制層、智能應(yīng)用層,其中每一層的功能與對(duì)應(yīng)的安全風(fēng)險(xiǎn)如圖2所示。
智能安全和隱私保護(hù)是AI在6G系統(tǒng)中角色的一部分。本文介紹AI在pre_6G安全、6G架構(gòu)安全、6G技術(shù)安全和6G隱私中的使用。
圖1 智能6G架構(gòu)以及6G安全和隱私問(wèn)題
圖2 6G安全問(wèn)題總覽
針對(duì)基于人工智能系統(tǒng)的三種主要攻擊:1)數(shù)據(jù)中毒是指在數(shù)據(jù)集中插入錯(cuò)誤的標(biāo)記數(shù)據(jù)或更改輸入對(duì)象以誤導(dǎo)機(jī)器學(xué)習(xí)算法;2)算法中毒通過(guò)在局部學(xué)習(xí)模型中上傳操縱權(quán)重來(lái)影響算法的分布式學(xué)習(xí)過(guò)程;3)模型中毒以惡意模型替換部署的模型。在以上三種攻擊類型中,數(shù)據(jù)中毒是主要挑戰(zhàn),因?yàn)槭彝猸h(huán)境中的大多數(shù)輸入對(duì)象都是可訪問(wèn)的,攻擊者可以輕松地進(jìn)行復(fù)雜的編輯,如圖3所示。
在支持SDN/NFV的網(wǎng)絡(luò)中,可以使用深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(deep neural networks,DNN)的多層入侵檢測(cè)和預(yù)防方法[6]。與幾種傳統(tǒng)方法相比,它們能有效抵御IP欺騙攻擊、流表過(guò)載攻擊、DDoS攻擊、控制平面飽和攻擊和主機(jī)位置劫持攻擊。決策樹和隨機(jī)森林等ML方法由于其處理時(shí)間短和準(zhǔn)確性高,在SDN環(huán)境中檢測(cè)DDoS攻擊也被證明是有用的。6G網(wǎng)絡(luò)期望按需動(dòng)態(tài)部署虛擬功能,于是基于ML的自適應(yīng)安全方法能有效抵御SDN/NFV攻擊。由于設(shè)備資源的限制,大規(guī)模異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中密鑰管理的困難,以及大量的設(shè)備生成海量數(shù)據(jù),使得傳統(tǒng)的“認(rèn)證/授權(quán)”系統(tǒng)不足以在大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)中提供足夠的安全保護(hù)。6G中的子網(wǎng)可被視為本地5G網(wǎng)絡(luò)在垂直域以外的擴(kuò)展,子網(wǎng)內(nèi)和不同子網(wǎng)之間擁有基于學(xué)習(xí)的安全技術(shù)[7]。部署在外圍的基于ML的算法可以捕獲其他子網(wǎng)的行為,并檢測(cè)來(lái)自這些子網(wǎng)的惡意流量。這些網(wǎng)絡(luò)通常是獨(dú)立運(yùn)行,所以從一個(gè)子網(wǎng)絡(luò)到另一個(gè)子網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸可能沒(méi)有用。為了提高通信效率,一個(gè)子網(wǎng)只能將學(xué)到的安全信息共享給另一個(gè)子網(wǎng)。第二個(gè)子網(wǎng)絡(luò)可以利用得到的安全信息,將其輸入其ML模型,確定其他網(wǎng)絡(luò)的惡意流量,并應(yīng)用動(dòng)態(tài)策略。
圖3 對(duì)基于機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)攻擊方法和潛在的防御方法
與目前基于云的集中式人工智能系統(tǒng)相比,6G將主要依靠邊緣智能。分布式特性使基于邊緣的聯(lián)合學(xué)習(xí)方法能夠在大規(guī)模設(shè)備和數(shù)據(jù)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全,確保通信效率。6G架構(gòu)設(shè)想互聯(lián)智能,并在不同網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)上使用AI。利用AI在最底層阻止微單元云服務(wù)器上的拒絕服務(wù)(denial of service,DoS)攻擊。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的多連通性允許多個(gè)基站使用AI分類算法評(píng)估設(shè)備的行為,并使用加權(quán)平均方案共同決定真實(shí)性。因?yàn)槲⑿托^(qū)和多址技術(shù)會(huì)導(dǎo)致頻繁的切換,利用基于行為的方案可以減少頻繁密鑰交換造成的開銷。通過(guò)聯(lián)合學(xué)習(xí),子網(wǎng)級(jí)和廣域網(wǎng)級(jí)可以實(shí)現(xiàn)不同級(jí)別的授權(quán)。只有在需要外部通信時(shí),才能把在子網(wǎng)內(nèi)學(xué)習(xí)到的信任分?jǐn)?shù)在外部共享。因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)邊緣已經(jīng)擁有智能服務(wù)提供的數(shù)據(jù),所以基于學(xué)習(xí)的入侵檢測(cè)方法可以很好地防止對(duì)CPM和UPM的攻擊。基于人工智能的零接觸網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)管理(zero-touch network and service management,ZSM)等框架配備了域分析和域智能服務(wù)。
使用AI的預(yù)測(cè)分析可以在攻擊發(fā)生之前預(yù)測(cè)到將要受到攻擊,例如部分區(qū)塊鏈攻擊?;趶?qiáng)化學(xué)習(xí)(RL)的智能波束形成技術(shù)為VLC系統(tǒng)中的竊聽攻擊提供了最優(yōu)的波束形成策略[8]。由于干擾與DoS攻擊方法相似,因此配備AI的基于異常的檢測(cè)系統(tǒng)是檢測(cè)干擾攻擊的可能解決方案。多連接性、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)和6G中的微型單元允許設(shè)備通過(guò)多個(gè)基站同時(shí)通信。隱私保護(hù)路由可以基于邊緣的ML模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè),對(duì)其進(jìn)行排名,并允許設(shè)備根據(jù)排名通過(guò)隱私保護(hù)路由傳輸數(shù)據(jù)。與基于云的集中式學(xué)習(xí)相比,聯(lián)合學(xué)習(xí)可以讓用戶容易感知自己的數(shù)據(jù),以增強(qiáng)數(shù)據(jù)隱私和位置隱私。6G子網(wǎng)級(jí)AI允許子網(wǎng)內(nèi)隱私保護(hù),并且只共享外部學(xué)習(xí)到的智能,以最大程度地降低隱私風(fēng)險(xiǎn)。
盡管人工智能在6G系統(tǒng)中很重要,但人工智能有其安全、隱私和道德問(wèn)題[9]。例如在無(wú)人駕駛應(yīng)用場(chǎng)景中,攻擊者使用無(wú)人機(jī)在道路橫幅上投射一個(gè)經(jīng)過(guò)操縱的交通燈圖像,以誤導(dǎo)自動(dòng)駕駛車輛中基于人工智能的駕駛控制,人工智能可以是發(fā)起智能攻擊的工具,如圖4所示。
圖4 人工智能發(fā)起智能攻擊示意圖
問(wèn)題:6G通過(guò)支持AI功能實(shí)現(xiàn)互聯(lián)智能,通常會(huì)配置機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)功能,但是ML系統(tǒng)容易受到安全威脅。病毒攻擊會(huì)影響ML系統(tǒng)的學(xué)習(xí)階段,導(dǎo)致模型學(xué)習(xí)不準(zhǔn)確。例如數(shù)據(jù)注入、數(shù)據(jù)操作、邏輯損壞等病毒攻擊。利用精心制作的對(duì)抗樣本躲避病毒攻擊對(duì)推斷階段的影響。模型提取、模型反轉(zhuǎn)和成員推斷是基于API的對(duì)ML模型的攻擊。
解決方案:對(duì)抗性機(jī)器學(xué)習(xí)和移動(dòng)目標(biāo)防御等潛在對(duì)策可以創(chuàng)建彈性AI系統(tǒng)。針對(duì)病毒攻擊的輸入驗(yàn)證和魯棒學(xué)習(xí)、針對(duì)規(guī)避攻擊的對(duì)抗性訓(xùn)練和防御凈化方法、針對(duì)基于API攻擊的差異隱私和同態(tài)加密以及其他防御機(jī)制。在這些防御機(jī)制中,防御的加強(qiáng)和系統(tǒng)總體性能下降之間的平衡是一個(gè)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。
問(wèn)題:由于人工智能具有大規(guī)模數(shù)據(jù)分析能力,再加上未來(lái)計(jì)算機(jī)的處理速度和未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)化需求,人工智能很容易泄露隱私。6G需要通過(guò)數(shù)十億臺(tái)設(shè)備收集大量用戶數(shù)據(jù),而用戶不能感知外部系統(tǒng)如何處理他們的數(shù)據(jù)。例如,所提出的智能認(rèn)證系統(tǒng)依賴于物理屬性,可能使用用戶的私有數(shù)據(jù)。向人工智能系統(tǒng)提供個(gè)人數(shù)據(jù)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備是數(shù)據(jù)盜竊的潛在目標(biāo),例如低功耗傳感器。對(duì)ML進(jìn)行模型反轉(zhuǎn)攻擊以檢索訓(xùn)練數(shù)據(jù)也可能是侵犯隱私的來(lái)源。
解決方案:基于邊緣的聯(lián)合學(xué)習(xí)通過(guò)實(shí)施物理控制來(lái)維護(hù)更接近用戶的數(shù)據(jù),從而保護(hù)數(shù)據(jù)隱私。同態(tài)加密允許在不解密數(shù)據(jù)的情況下執(zhí)行數(shù)學(xué)運(yùn)算,對(duì)隱私保護(hù)實(shí)施技術(shù)控制。需要對(duì)同態(tài)加密進(jìn)行進(jìn)一步研究,以確保加密數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)與普通數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)產(chǎn)生相同的輸出。差異隱私技術(shù)可以在訓(xùn)練數(shù)據(jù)中加入隨機(jī)噪聲,防止私人信息向?qū)W習(xí)模型泄露。
問(wèn)題:機(jī)器學(xué)習(xí)的方式不同于人類感知事物的方式,機(jī)器也不像人類那樣考慮道德問(wèn)題。人工智能系統(tǒng)的行為方式取決于它們的教學(xué)和培訓(xùn)方式,然而它們不能像人類那樣在異常情況下違背邏輯行事。
解決方案:“設(shè)計(jì)倫理”方法在人工智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初級(jí)階段引發(fā)了關(guān)于倫理含義的爭(zhēng)論。在智能6G系統(tǒng)中,在早期階段考慮道德規(guī)范可能很有用。指南、法律和法規(guī)是在6G環(huán)境下解決數(shù)據(jù)道德和所有權(quán)問(wèn)題的可能措施,以實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)和收益之間的平衡。
問(wèn)題:AI能夠利用基于邊緣的分布式體系結(jié)構(gòu)做出智能決策,AI本身可以在不同的時(shí)間發(fā)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)中的模式級(jí)別(智能無(wú)線電、邊緣和云)。因此AI本身可以在不同的時(shí)間發(fā)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)中的模式級(jí)別(智能無(wú)線電、邊緣和云)。因此,基于人工智能的機(jī)制有可能發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的漏洞。例如,AI可以掌握網(wǎng)絡(luò)中最脆弱的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備,將其轉(zhuǎn)化為機(jī)器人,并對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)發(fā)起DDoS攻擊。
解決方案:基于AI的智能攻擊的應(yīng)對(duì)措施是實(shí)施更智能的防御系統(tǒng),它們可以通過(guò)人工智能本身使用分布式智力。針對(duì)算法中毒攻擊的簡(jiǎn)單防御方法,通過(guò)比較原始數(shù)據(jù)輸入和壓縮數(shù)據(jù)輸入上的模型預(yù)測(cè),可以檢測(cè)到對(duì)抗性模型,如果兩個(gè)預(yù)測(cè)的結(jié)果相差很大,則原始輸入似乎受到了污染(對(duì)抗性樣本)。為了保護(hù)輸出完整性(在部署階段),可以使用許多方法,例如輸出模糊處理和預(yù)測(cè)凈化,如圖5所示。6G網(wǎng)絡(luò)的潛在應(yīng)用包括多傳感器擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)、連接機(jī)器人和自治系統(tǒng)、無(wú)線腦機(jī)交互、智能電網(wǎng)2.0、工業(yè)5.0等,為了提高6G應(yīng)用的安全性,對(duì)不同的應(yīng)用采用不同級(jí)別人工智能安全算法,例如基于異常的入侵檢測(cè)、用于身份驗(yàn)證和授權(quán)的機(jī)器學(xué)習(xí)、使用AI面向服務(wù)的隱私保護(hù)、對(duì)抗性ML、差別隱私、基于ML的同態(tài)加密、AI區(qū)塊鏈等,而攻擊者根據(jù)不用的應(yīng)用場(chǎng)景,也會(huì)對(duì)AL/ML模型采用不同的病毒攻擊方法,例如表1列出了基于AI的安全/隱私解決方案的重要性和針對(duì)不同6G應(yīng)用程序的攻擊。
圖5 算法中毒攻擊的簡(jiǎn)單防御方法
表1 基于AI的安全/隱私解決方案的重要性和針對(duì)不同6G應(yīng)用程序的攻擊
注:H代表高優(yōu)先級(jí);M代表中優(yōu)先級(jí);L代表低優(yōu)先級(jí)。
AI是下一代6G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù),確保安全性是實(shí)現(xiàn)6G這一目標(biāo)的關(guān)鍵因素。支持AI的6G必須為系統(tǒng)安全提供智能、強(qiáng)健的安全解決方案。本文概述了智能安全和隱私保護(hù)作為AI在6G系統(tǒng)中角色的一部分所面臨的眾多機(jī)遇和挑戰(zhàn)。此外還通過(guò)討論基于人工智能的安全和隱私保護(hù)方面的挑戰(zhàn)來(lái)確定未來(lái)的研究方向,并提出可行的解決方案。
[1]HUANG X L, CHENG S, CAO K, et al.A survey of deployment solutions and optimization strategies for hybrid SDN networks[J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 2019, 21(2):1483-1507.
[2]NENCIONI G, GARROPPO R G, GONZALEZ A J, et al. Orchestration and control in software-defined 5G networks:Research challenges[J]. Wireless Communications and Mobile Computing, 2018, 2018:1-18.
[3]ZIEGLER V, VISWANATHAN H, FLINCK H, et al. 6G architecture to connect the worlds[J]. IEEE Access,2020,8: 173508-173520.
[4]WANG T, WANG S W, ZHOU Z H. Machine learning for 5G and beyond:From model-based to data-driven mobile wireless networks[J]. China Communications, 2019, 16(1): 165-175.
[5]BLINOWSKI G. Security of Visible Light Communication systems—A survey[J]. Physical Communication, 2019, 34: 246-260.
[6]SAMUEL N, DISKIN T, WIESEL A. Deep MIMO detection[C] //2017 IEEE 18th International Workshop on Signal Processing Advances in Wireless Communications (SPAWC). July 3-6, 2017, Sapporo, Japan. IEEE, 2017:1-5.
[7]AFOLABI I, TALEB T, SAMDANIS K, et al. Network slicing and softwarization:A survey on principles,enabling technologies,and solutions[J].IEEE Communications Surve- ys & Tutorials, 2018, 20(3):2429-2453.
[8]Ma X, Gao J N, Yang F, et al. Integrated power line and visible light communication system compatible with multi-service transmission[J]. IET Communications, 2017, 11(1):104-111.
[9]You X H, Wang C X, Huang J, et al. Towards 6G wireless communication networks:Vision, enabling technologies, and new paradigm shifts[J]. Science China Information Sciences, 2020, 64(1):1-74.
TN918.91
A
1673-2219(2021)05-0062-04
2021-07-18
湖南科技學(xué)院科學(xué)研究項(xiàng)目(20XKY052;20XKY056);湖南科技學(xué)院教改項(xiàng)目(XKYJ2019006)。
肖孚安(1986-),男,湖南邵陽(yáng)人,碩士,助教,研究方向?yàn)榉钦欢嘀方尤?、網(wǎng)絡(luò)安全。
(責(zé)任編校:宮彥軍)