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摘要网络编码的思想得到了广泛的关注,网络编码的各种应用问题相继提出,其中网络编码中的安全是网络编码的重要应用领域。安全网络编码大体上分为两方面,反篡改数据和反窃听数据。反篡改数据也就是网络纠错,反窃听数据就是防搭线窃听的安全网络编码。文章论述了防窃听的安全网络编码的模型、理论、构造、发展,对抗搭线窃听的安全网络编码进行了重点分析。
关键词安全网络编码;容量;编码安全
中图分类号TN919文献标识码A文章编号1673-9671-(2009)121-0015-01
1网络编码技术背景
1.1网络编码技术研究意义及背景
在1956年,信息论的创立者Shannon在其发表的一篇重要论文“A Note on the Maximum Flow Through a Network”中明确指出:通信网络端对端的最大信息流,是由网络有向图模型的最小割决定。但由于传统路由器的存储转发模式难以实现多播的最大流容量,使得Shannon提出的这一理论上限在很长时间里显得遥不可及。R. Ahlswede、蔡宁(西电教授)、李硕彦(香港中文大学教授,北邮“111”基地海外学术大师)和杨伟豪(香港中文大学教授,北邮兼职教授)等在2000年发表的论文“Network Information Flow”中创造性地提出了“网络编码”新概念。网络编码理论的划时代意义在于,推翻了独立的比特不能再被压缩的经典结论,指出网络信息流可以被压缩。由此,一种新的编码算法----网络编码技术诞生了,不需要特殊的支持设备与系统,在现有的设备上(诸如路由器、无线系统或者专用的网络编码器等)即可进行网络编码技术的操作和执行,并且它的网络吞吐量可以在现有技术基础上翻一倍,在网络的安全性能方面也大大提高。
1.2网络编码技术国内外研究现状及动态分析
目前,国内网络编码的研究还很局限,成果不突出。停留在理论方面。华中科技大学黄佳庆教授等以“网络编码理论研究进展”为题,对网络编码研究中的主要理论进展进行了综述:归纳了网络编码的优点和缺点;对无环网络中的线性网络编码和有环网络中的卷积网络编码的相关性质进行了介绍;论述了多种网络编码构造算法(包括集中式多项式复杂度算法(线性网络流LIF算法)、分布式多项式复杂度算法(随机网络编码)、多速率码构造算法等);展望了网络编码的若干发展方向和公开问题。
惠普公司认为多播就是网络编码未来趋势所在。所谓多播,就是同时把信息传送给一组目标节点,按照和传统路由架构同样的方式,网络编码就能大大改善网络的效率。传统路由必须生成多份拷贝,用这些拷贝去连接多个目标节点来传送信息才能实现多播,而网络编码的多播则非常轻松,它可以通过xor痕迹处理,大大减轻多份传输的压力。麻省理工学院的研究表明,网络编码可以在无线网络的吞吐量上获得“数倍的提升”。
而在麻省理工学院一幢三层建筑内的34个节点环境中,利用UDP流量进行的一次测试更是出现了4倍的流量增加。
在无线系统中应用网络编码技术的代表是英特尔公司,在竞争日趋激烈的世界通迅产品市场上希望籍此提高其无线产品的地位和优势。在这方面的研究中,多跳中继(Multiho relay)-由WiMAX基站和中继基站完成,可以从网络编码获得益处。在此应用中,网络编码要比简单的双向中继增加25%到50%的吞吐量。
2网络编码技术及原理
为了解决大容量文件传输和多媒体的广泛应用等这样的问题,提出对网络上传输的数据增加可管理的能力——进行二次编码,即网络编码(network coding)。通过对数据的编码,文件被分成一定大小的文件单元--信息包。当需要接收该信息包时,先接收到该文件的所有信息包的编码数据,信息包编码数据包括该文件的分割的有关信息(如每个信息包的大小、信息包的数量、每个信息包的数据源列表)。当完成接收所有的文件信息包时,再按照原来的顺序重新组装成原文件以供本地使用,只要该节点不脱离链接,就可以提供全部的文件信息包的服务。这就是利用网络编码来传输文件的对等式网路(Peer-to-Peer)的系统架构,提供以转送为基础的实时性分布式的服务方式,以降低资料传输的带宽需求和影音播放较低的延迟性。
网络编码便可有效地允许目标节点接收多个信息而不必增加它所能接收数据包的数量。
在一个大的分布式对等系统中,设计将信息包的网络编码达到使客户减到最少下载时间的方案是非常困难。 但是不可能依赖中央调度程序来完成,这就要求节点来根据实际的网络链接情况提供可链接的数据源表。并对于自己每个信息包的实际下载过程做标记,即该增加一个链接的网络开销值。根据下载速度对链接分级,转化为对接收到的该信息包链接的网络开销值进行运算。
3编码效率
网络编码方案可分为线性和非线性两种,其中线性方法的编码和解码都相对简单。在有向网络中,如果一个网络编码问题有解,则一定有线性解。
相关的研究人员如Medard、Effro和Yeung等人已经在建立网络编码的数学描述方法等方面作了大量的工作,得到了有线网络中利用网络编码实现最大流传输的若干判定定理。但无论是理论上还是实践上,网络编码技术在无线领域的应用都有待于创新,网络编码在无线网络中的应用还必须面对很多问题,这是无线网络自身的特性决定的。
4网络编码信息安全
信息传输的过程中可能遭到窃听,导致通信双方的隐私泄露。所以,在保障可靠传输的基础上,还需要考虑如何利用网络编码来保护消息传输的安全。
网络编码不仅可以提高节点间传输效率和网络吞吐量,在网络的安全性能上也有很大的作用,这也是它倍受关注且快速发展的更深层的原因。由于网络编码具有信息的分散性的特点,使其被集中破译的可能性大大减少,同时其本身的编译码特性也增加了信息破译难度,在安全性能上就比传统程序有了很大的提高;对确定性编码算法来说,由于传输过程中将涉及较多的节点数目,数据安全性时刻受到威胁。因此编码算法的设计中也需要考虑系统的安全性能,安全性能优良的信息编码技术可以大大减轻传输过程中各节点、中继系统的安全性压力。因此针对不同的系统应选用合适的编码算法,以提高网络的整体安全性能,这对于无线通信更具有非常重要的意义。
5结语
网络编码作为一种全新的数字技术,其研究已经取得了可喜的成绩。在算法理论上和应用技术上都有了很大的进步,对比传统的网络中继技术具有明显的优势和良好的发展前景,但在无线领域的发展还有待提高。同时对网络系统的安全设计,网络编码技术更应该发挥其本身优势,使网络系统数据传输更快捷、有效和安全。
参考文献
[1]网络编码理论与技术(代数交换与网络编码).
[2]陶少国,黄佳庆,杨宗凯,等.网络编码研究综述[J].小型微型计算机系统,2008,4.
[3]杨林,郑刚,胡晓惠.网络编码的研究进展[J].计算机研究与发展,2008,3.
[4]付琳,付志雄.网络编码理论与研究方向[J].通信与信息技术,2007,1.
关键词安全网络编码;容量;编码安全
中图分类号TN919文献标识码A文章编号1673-9671-(2009)121-0015-01
1网络编码技术背景
1.1网络编码技术研究意义及背景
在1956年,信息论的创立者Shannon在其发表的一篇重要论文“A Note on the Maximum Flow Through a Network”中明确指出:通信网络端对端的最大信息流,是由网络有向图模型的最小割决定。但由于传统路由器的存储转发模式难以实现多播的最大流容量,使得Shannon提出的这一理论上限在很长时间里显得遥不可及。R. Ahlswede、蔡宁(西电教授)、李硕彦(香港中文大学教授,北邮“111”基地海外学术大师)和杨伟豪(香港中文大学教授,北邮兼职教授)等在2000年发表的论文“Network Information Flow”中创造性地提出了“网络编码”新概念。网络编码理论的划时代意义在于,推翻了独立的比特不能再被压缩的经典结论,指出网络信息流可以被压缩。由此,一种新的编码算法----网络编码技术诞生了,不需要特殊的支持设备与系统,在现有的设备上(诸如路由器、无线系统或者专用的网络编码器等)即可进行网络编码技术的操作和执行,并且它的网络吞吐量可以在现有技术基础上翻一倍,在网络的安全性能方面也大大提高。
1.2网络编码技术国内外研究现状及动态分析
目前,国内网络编码的研究还很局限,成果不突出。停留在理论方面。华中科技大学黄佳庆教授等以“网络编码理论研究进展”为题,对网络编码研究中的主要理论进展进行了综述:归纳了网络编码的优点和缺点;对无环网络中的线性网络编码和有环网络中的卷积网络编码的相关性质进行了介绍;论述了多种网络编码构造算法(包括集中式多项式复杂度算法(线性网络流LIF算法)、分布式多项式复杂度算法(随机网络编码)、多速率码构造算法等);展望了网络编码的若干发展方向和公开问题。
惠普公司认为多播就是网络编码未来趋势所在。所谓多播,就是同时把信息传送给一组目标节点,按照和传统路由架构同样的方式,网络编码就能大大改善网络的效率。传统路由必须生成多份拷贝,用这些拷贝去连接多个目标节点来传送信息才能实现多播,而网络编码的多播则非常轻松,它可以通过xor痕迹处理,大大减轻多份传输的压力。麻省理工学院的研究表明,网络编码可以在无线网络的吞吐量上获得“数倍的提升”。
而在麻省理工学院一幢三层建筑内的34个节点环境中,利用UDP流量进行的一次测试更是出现了4倍的流量增加。
在无线系统中应用网络编码技术的代表是英特尔公司,在竞争日趋激烈的世界通迅产品市场上希望籍此提高其无线产品的地位和优势。在这方面的研究中,多跳中继(Multiho relay)-由WiMAX基站和中继基站完成,可以从网络编码获得益处。在此应用中,网络编码要比简单的双向中继增加25%到50%的吞吐量。
2网络编码技术及原理
为了解决大容量文件传输和多媒体的广泛应用等这样的问题,提出对网络上传输的数据增加可管理的能力——进行二次编码,即网络编码(network coding)。通过对数据的编码,文件被分成一定大小的文件单元--信息包。当需要接收该信息包时,先接收到该文件的所有信息包的编码数据,信息包编码数据包括该文件的分割的有关信息(如每个信息包的大小、信息包的数量、每个信息包的数据源列表)。当完成接收所有的文件信息包时,再按照原来的顺序重新组装成原文件以供本地使用,只要该节点不脱离链接,就可以提供全部的文件信息包的服务。这就是利用网络编码来传输文件的对等式网路(Peer-to-Peer)的系统架构,提供以转送为基础的实时性分布式的服务方式,以降低资料传输的带宽需求和影音播放较低的延迟性。
网络编码便可有效地允许目标节点接收多个信息而不必增加它所能接收数据包的数量。
在一个大的分布式对等系统中,设计将信息包的网络编码达到使客户减到最少下载时间的方案是非常困难。 但是不可能依赖中央调度程序来完成,这就要求节点来根据实际的网络链接情况提供可链接的数据源表。并对于自己每个信息包的实际下载过程做标记,即该增加一个链接的网络开销值。根据下载速度对链接分级,转化为对接收到的该信息包链接的网络开销值进行运算。
3编码效率
网络编码方案可分为线性和非线性两种,其中线性方法的编码和解码都相对简单。在有向网络中,如果一个网络编码问题有解,则一定有线性解。
相关的研究人员如Medard、Effro和Yeung等人已经在建立网络编码的数学描述方法等方面作了大量的工作,得到了有线网络中利用网络编码实现最大流传输的若干判定定理。但无论是理论上还是实践上,网络编码技术在无线领域的应用都有待于创新,网络编码在无线网络中的应用还必须面对很多问题,这是无线网络自身的特性决定的。
4网络编码信息安全
信息传输的过程中可能遭到窃听,导致通信双方的隐私泄露。所以,在保障可靠传输的基础上,还需要考虑如何利用网络编码来保护消息传输的安全。
网络编码不仅可以提高节点间传输效率和网络吞吐量,在网络的安全性能上也有很大的作用,这也是它倍受关注且快速发展的更深层的原因。由于网络编码具有信息的分散性的特点,使其被集中破译的可能性大大减少,同时其本身的编译码特性也增加了信息破译难度,在安全性能上就比传统程序有了很大的提高;对确定性编码算法来说,由于传输过程中将涉及较多的节点数目,数据安全性时刻受到威胁。因此编码算法的设计中也需要考虑系统的安全性能,安全性能优良的信息编码技术可以大大减轻传输过程中各节点、中继系统的安全性压力。因此针对不同的系统应选用合适的编码算法,以提高网络的整体安全性能,这对于无线通信更具有非常重要的意义。
5结语
网络编码作为一种全新的数字技术,其研究已经取得了可喜的成绩。在算法理论上和应用技术上都有了很大的进步,对比传统的网络中继技术具有明显的优势和良好的发展前景,但在无线领域的发展还有待提高。同时对网络系统的安全设计,网络编码技术更应该发挥其本身优势,使网络系统数据传输更快捷、有效和安全。
参考文献
[1]网络编码理论与技术(代数交换与网络编码).
[2]陶少国,黄佳庆,杨宗凯,等.网络编码研究综述[J].小型微型计算机系统,2008,4.
[3]杨林,郑刚,胡晓惠.网络编码的研究进展[J].计算机研究与发展,2008,3.
[4]付琳,付志雄.网络编码理论与研究方向[J].通信与信息技术,2007,1.