防污染和防窃听的网络编码

论文摘要

近年来,网络编码越来越成为业界的研究热点。网络编码技术极大的提高了网络的传输速率、吞吐量和可靠性,对路由器基础设施以及无线网状网络等都有重要意义。但直接应用网络编码存在不可忽视的安全问题,主要包括污染和窃听两类问题,其中污染主要由恶意节点和信道噪声引起,窃听是指攻击者通过窃听网络中的部分或者全部信道来获取网络中传输的消息。这些安全问题很大程度上限制了其应用范围,阻碍了它在实际中的应用和推广。论文研究了应用网络编码时存在的污染和窃听问题,并设计了有效的安全网络编码体制,主要包括以下几个方面:(1)提出了一种防窃听的网络编码算法。应用该算法,窃听者得不到关于信源任何有意义的信息,称之为弱安全。该算法通过舍弃少量带宽使得随机网络编码能以很高的概率达到弱安全的要求。另外,当信源和信宿共享有一个低速率秘密信道或公钥加密体制时,设计了一种可以达到网络最大流的弱安全网络编码体制。应用随机网络编码时,该编码体制防窃听的概率为1。(2)现有的防窃听网络编码存在两方面的问题。首先,要达到信息论安全的防窃听目的必须牺牲部分带宽,以致无法达到网络的最大流。其次,应用随机网络编码时,编码安全的概率较低。文中设计了一种能同时达到网络的最大流和信息论安全条件的网络编码体制。同时,该编码体制是一个确定性模型而非概率模型,即:应用随机网络编码时,该编码体制信息论安全的概率为1。(3)提出了一种验证消息完整性的同态签名体制。首先,取一些公开参数作为原始信源消息每个信息包的Hash值,当在原始信息包中加入少量冗余时,其Hash值便是取定的公开参数,省去Hash值的分发,很大程度上降低了该签名体制的通信开销。其次,当网络拓扑简单且固定时,用一个所有节点所共享的随机数产生器来产生编码向量,省去了编码向量的分发。当Hash值和编码向量的分发都省去时,该种签名体制的通信开销是几乎可以忽略的。(4)利用消息向量张成线性空间的思想,设计了一种概率模型下的防污染随机网络编码算法。当信源和信宿共享有一个线性空间时,在信源消息中加入部分冗余,使得新信源向量张成的空间与信源和信宿共享的空间正交,达到正确译码的目的。(5) Koetter和Kschischang利用有限域上的线性多项式从线性空间的角度设计了一种网络纠错编码体制,但其编码体制的通信开销较高(100%),使其很难在现实中应用。文中对其编码体制进行了改进,在其基础上设计了一种低通信开销的网络纠错编码体制。该编码体制的通信开销与经典随机网络编码相同。另外,文中同时考虑了窃听问题,并在此基础上设计了一种防污染和防窃听的网络编码体制。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 网络编码的研究背景
• 1.2 安全网络编码的研究背景及意义
• 1.2.1 防污染的网络编码
• 1.2.2 防窃听的网络编码
• 1.2.3 防污染和防窃听的网络编码
• 1.3 内容安排及主要结果
• 第二章 背景知识
• 2.1 网络编码的基本概念
• 2.1.1 蝴蝶网
• 2.1.2 网络编码的定义
• 2.1.3 线性网络编码
• 2.1.4 随机网络编码
• 2.2 网络编码中的安全问题
• 2.2.1 网络编码中的污染问题
• 2.2.2 网络编码中的窃听问题
• 2.3 线性多项式
• 第三章 弱安全网络编码
• 3.1 基本模型与概念
• 3.1.1 网络模型
• 3.1.2 窃听模型
• 3.1.3 概念定义
• 3.2 弱安全网络编码与随机网络编码
• 3.2.1 弱安全网络编码
• 3.2.2 随机网络编码的弱安全性
• 3.3 秘密信道模型
• 3.3.1 信源的编码算法
• 3.3.2 信宿的译码算法
• 3.4 公钥模型
• 3.4.1 基于身份的多接收者加密体制
• 3.4.2 公钥编码算法
• 3.5 通用弱安全网络编码
• 3.6 本章小结
• 第四章 通用最大流信息论安全网络编码
• 4.1 网络模型与窃听模型
• 4.1.1 网络模型
• 4.1.2 窃听模型
• 4.2 最大流信息论安全网络编码
• 4.2.1 信源的编码算法
• 4.2.2 信宿的译码算法
• 4.2.3 编码体制的安全概率
• 4.3 通用最大流信息论安全网络编码
• 4.3.1 通用安全网络编码
• 4.3.2 编码体制的通用安全性
• 4.4 本章小结
• 第五章 防污染网络编码签名体制
• 5.1 网络编码签名问题
• 5.2 基本安全体制
• 5.2.1 同态Hash函数
• 5.2.2 基本签名体制
• 5.3 性能分析
• 5.3.1 运行时间
• 5.3.2 启动延迟
• 5.4 低通信开销的防污染网络编码
• 5.4.1 基本验证体制
• 5.4.2 一般节点的验证算法
• 5.4.3 通信开销
• 5.5 本章小结
• 第六章 网络纠错编码与安全网络纠错编码
• 6.1 网络模型与基本概念
• 6.1.1 网络模型
• 6.1.2 攻击模型
• 6.1.3 基本概念
• 6.2 概率模型网络纠错编码
• 6.2.1 线性空间纠错算法
• 6.2.2 秘密信道算法
• 6.3 安全网络纠错编码
• 6.3.1 秘密信道模型
• 6.3.2 公钥模型
• 6.4 本章小结
• 第七章 低通信开销的安全网络纠错编码
• 7.1 网络模型与攻击模型
• 7.2 Koetter的网络纠错编码体制
• 7.2.1 信源的编码算法
• 7.2.2 信宿的译码算法
• 7.3 低通信开销的网络纠错编码体制
• 7.3.1 信源的编码算法
• 7.3.2 信宿的译码算法
• 7.4 安全网络纠错编码
• 7.4.1 信息论安全和弱安全
• 7.4.2 基本安全网络纠错编码体制
• 7.4.3 针对强窃听者的安全网络编码
• 7.5 本章小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文