基于网络编码的抵抗被动攻击的安全单播策略的研究

论文摘要

利用网络编码(network coding NC)可以使通信网络的吞吐量达到网络容量的最大值,因此目前网络编码被认为是未来网络技术发展的一大方向。根据数据编码的方式不同,网络编码可分为线性网络编码(linear network coding)和非线性网络编码(nonlinear netowork coding)。由于编/解码方式简单,线性网络编码已经被广泛应用。然而依然存在很多问题和挑战需要去解决。信息安全显然是很重要的一个挑战。相关研究表明,线性网络编码不仅仅能够提高网络吞吐量,而且对于提供信息安全具有很大优势。因此设计满足各种安全条件且提供高效数据传输的线性网络编码策略是当前重要的研究课题。围绕如何利用线性网络编码提供安全高效的数据传输相关问题,将高效数据传输策略和安全线性编码设计策略相结合,解决了设计策略的关键问题,提出了传输拓扑构建算法和编码设计算法,并且进行深入的理论分析证明了算法的高效性。针对安全数据传输的两个方向开展了研究,即,数据机密性(confidentiality)和数据匿名性(anonymity)。其研究内容主要包括:(1)设计抵抗窃听攻击且满足弱安全需求的安全线性网络编码;(2)设计抵抗窃听攻击且满足信息论安全需求的安全线性网络编码;(3)设计抵抗流量分析攻击提供匿名数据传输的安全线性网络编码。主要贡献与创新之处如下:对于数据机密性,针对两种不同的安全需求,即,弱安全(weak security WS)和信息论安全(information theoretical security ITS)均做了研究。在多数据流通信模式下,设计了提供安全单播通信的线性网络编码。目标包括:(1)满足不同的安全需求;(2)最大化数据传输速率;(3)对于信息论安全要求,最小化随机信息使用量。将高效数据传输策略和安全线性编码设计策略相结合以最大化安全数据传输速率。首先证明了在不同安全需求下,针对安全单播的线性网络编码设计问题等价于带有约束的网络流问题。接着,基于这个结论,设计了多项式时间的高效算法寻找最优的单播拓扑。基于找到最优单播拓扑,设计了确定型线性网络编码,并且给出了构造确定型线性网络编码所需的有限域大小的上界。最后对随机网络编码进行了研究,并给出使用随机网络编码情况下,网络数据传输达到不同安全条件的概率的下界。对于数据匿名性,主要研究了提供匿名通信的线性网络编码设计问题。设计了一种新型,简单且高效的线性网络编码策略(ALNCode),该策略在多个单播数据流存在的通信网络中可以提供匿名通信。经过严格的理论分析,首先说明了在不需要对全局编码向量进行加密的前提下,能够设计线性网络编码(linearnetwork coding LNC)提供匿名通信。其主要思想是,在多个数据流存在的情况下,中间节点通过从多个数据流数据所关联的全局编码向量生成的向量空间的交集空间中产生下游(downstream)数据的全局编码向量以混合多个数据流达到隐藏每个数据信息流上下游数据相关联的全局编码向量之间的线性关系的目的。然后,设计了确定型的网络编码机制以实现匿名通信。在这种机制下,保证了所生成的每个节点的下游数据的全局编码向量能够混淆该向量本身和其他相关的上游数据的全局编码向量之间的线性关系。最后通过理论分析,得出了多个数据流数据所关联的全局编码向量生成的向量空间的交集空间含有非零向量的概率,分析了对线性网络编码策略ALNCode的实施效率有影响的相关参数以及算法复杂度。上述基于线性网络编码的安全数据传输的研究不仅为安全线性网络编码的设计提供了理论基础,而且对线性网络编码在信息安全领域的各种实际应用具有重要的参考意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 图目录
• 表目录
• 第一章 绪论
• 1.1 网络编码
• 1.1.1 线性网络编码
• 1.1.2 随机线性网络编码
• 1.1.3 非线性网络编码
• 1.2 安全网络编码
• 1.3 相关工作
• 1.4 本文研究内容及创新
• 1.5 本文组织结构
• 第二章 基于线性网络编码的多数据流弱安全单播最优策略
• 2.1 研究背景及问题动机
• 2.2 安全单播路由问题
• 2.2.1 符号及参数定义
• 2.2.2 网络模型
• 2.2.3 线性网络编码
• 2.2.4 攻击模型以及安全模型
• 2.2.5 问题描述
• 2.3 问题模型
• 2.4 安全单播路由算法
• 2.5 确定型网络编码设计
• 2.6 随机型线性网络编码设计
• 2.7 相关工作
• 2.8 本章小结
• 第三章 基于线性网络编码的多数据流信息论安全单播最优策略
• 3.1 研究背景及问题动机
• 3.2 问题模型
• 3.2.1 符号定义
• 3.2.2 网络模型
• 3.2.3 线性网络编码
• 3.2.4 攻击模型和安全条件
• 3.2.5 问题描述
• 3.3 问题模型
• 3.4 传输拓扑发现最优策略
• 3.4.1 最大化安全传输速率
• 3.4.2 最小化随机信息生成速率
• 3.4.3 传输拓扑发现最优策略
• 3.5 线性网络编码设计
• 3.5.1 确定型网络编码设计
• 3.5.2 随机型线性网络编码设计
• 3.6 相关工作
• 3.7 本章小结
• 第四章 基于线性网络编码的抵御流量分析攻击的匿名通信策略
• 4.1 研究背景及问题动机
• 4.2 基于线性网络编码的匿名通信策略
• 4.2.1 网络模型和线性网络编码
• 4.2.2 攻击模型
• 4.2.3 匿名通信的目标
• 4.3 抗流量分析的匿名线性网络编码：ALNCode
• 4.3.1 基本思想
• 4.3.2 确定型线性网络编码方案设计
• 4.4 匿名线性网络编码ALNCode 的效率分析
• 4.4.1 条件满足的概率
• 4.4.2 相关参变量对概率的影响
• 4.5 关于抵抗流量分析攻击的匿名通信讨论
• 4.6 相关工作
• 4.7 本章小结
• 第五章 总结
• 5.1 本文工作总结
• 5.2 下一步研究工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果