網絡編碼在無線網絡安全領域的研究

引言

　　2000年 Ah ls wede等首次提出了網絡編碼理論, 通過網絡編碼可以實現網絡流量的最大化, 2003年, L , i Yeung和Ca i證明了線性網絡編碼就可以實現網絡的最大流。隨后T. H o等提出了隨機網絡編碼理論,其思想是在網絡中參與傳輸的節點,其輸出信道上傳輸的數據是該點多條輸入信道上傳輸的數據的隨機線性組合,他們并且證明了接收節點能以很大的概率正確恢復出信源所發送的信息。

　　網絡編碼提高了網絡的吞吐量和可靠性, 但同時也帶來了不可忽視的安全問題,主要包括污染和竊聽兩類問題。T.H o等提出了一種能檢測污染攻擊是否存在的網絡編碼。

　　Jagg i等針對攻擊者能力的不同設計了一種適應性的安全網絡編碼。孫岳等考慮了網絡編碼下的多播網絡故障恢復問題。

　　1網絡編碼基本原理

　　1 . 1網絡編碼定義

　　網絡信息流的最大流最小割定理: 對于已知的網絡流圖,信源 S到信宿 T的流量的最大值 w 等于其最小割的容量,即 m ax fl ow ( S , T) = m in C ( S , T)。對于只有一個信宿的網絡,依靠路由就可以獲得最大流。

　　為了深刻的理解網絡編碼的理論基礎, 下面將以經典的蝴蝶網絡為例,來說明網絡編碼的使用可以使網絡通信達到最大流限。

　　圖 1
采用編碼的具有兩個目的節點的多播網絡.

　　圖 1是一個具有兩個目的節點的單位容量 (每條邊的容量為 1)多播網絡。假設各條鏈路無差錯和無時延。由最大流最小割定理,有 m axflo w ( s , R l) = 2 。這時信源節點到目的節點 R l和 R2的最大傳播速率不可能超過 2。如果不采用編碼,如圖 1( a)所示,鏈路 ( 3 , 4)就必須多發送一個比特,就超過該邊的容量了。

　　然而, 如果允許對進入節點的網絡流進行編碼時,如圖1( b),顯示了一種將 a和 b同時發送到目的節點 R 1和 R2的方案, 這里 + 為異或運算。這樣目的節點 R1 接收到 a和 a+ b , 將 a與 a+ b進行異或運算即可恢復出 b。同理, 目的節點 R2可恢復出 a和 b。這樣就可以使蝴蝶網絡獲得最大流限。

　　2網絡中網絡編碼的安全性研究

　　雖然網絡編碼的初衷在于提高網絡的吞吐量,但是隨著進一步研究發現, 它也是一種安全網絡傳輸的好方式。然而在實際的網絡通信中,依然存在安全隱患,其主要表現在數據轉發過程所受的包污染、 拜占庭攻擊是破壞數據安全傳輸的常見手段和方法。

　　2 . 1 網絡編碼的數據包污染

　　數據包污染的攻擊是安全領域普遍的研究對象也是最值得研究課題, 攻擊者損壞網絡節點并注入新的信息形成新的編碼數據包, 由于網絡編碼的每一個節點不僅具有路由功能而且有編碼功能, 其中受影響的誠實節點從一個損壞的數據包進一步影響其他誠實的節點,這種攻擊可以導致污染像瘟疫一樣在網絡上蔓延。顯而易見,即使是一些注入性的數據包, 攻擊者也可以降低其性能。目前, 抗數據包污染技術的一個解決方案是利用異步高效率線性校驗碼,但這種技術卻嚴重影響了吞吐量 。

　　惡意數據包。攻擊者假冒誠實節點把不正確的信息傳遞到鄰居節點, 這種攻擊導致原節點信息編碼不能被預期的下一跳節點解碼, 影響下游節點的正確解碼。惡意節點可能改變數據包攜帶的消息或者是包含在數據包包頭的信息導致包頭錯誤。在一個數據包中, 一些重要的信息 (例如在網絡編碼中的全局編碼核、 數據包產生的位置、 數據包的目的地等 )是記錄在包頭中的, 包頭任意錯誤可能引起傳輸的嚴重問題。如果全局編碼核改變,稱為是全局編碼核錯誤, 將影響接收節點的解碼;如果目的地的信息被改變, 可能引起接收節點的數據包丟失。而按 La m port等人的分類, 上面的大多數錯誤都可歸結到拜占庭錯誤中。