对抗全局窃听的安全网络编码算法研究

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随着社会的发展,人类已经进入一个信息化的时代。每一天都有大量的信息需要通过网络进行传输。如何快速安全的传输信息变得越来越重要。网络编码很好的满足了快速安全传输信息的要求。当使用网络编码传输信息时,节点会混合从输入链路接收到的信息,并将结果通过输出链路发送出去。因此网络编码的传输速率能够达到最大流最小割定理指定的上限。此外,由于数据在中间节点进行了混合,窃听者无法直接得到原始的数据。所以网络编码比路由传输更加安全。然而窃听攻击仍然可能会造成信息泄露。所以研究对抗窃听攻击的安全网络编码是十分必要的。文献中已有一些能够实现信息论安全的安全网络编码方案被提出,然而这些方案限制了被窃听的信道数目,并且由于使用了额外的随机符号所以牺牲了部分带宽。当窃听者能够窃听网络中的所有信道时,这些方案就会泄露部分信源消息,因此这些方案无法对抗全局窃听攻击。本文通过对现有抗全局窃听方案的研究,提出了两种对抗全局窃听的安全网络编码方案。首先,提出了一种加密信源消息的对抗全局窃听安全网络编码方案。对于编码域大小为q的网络编码,该方案生成两个长度为q的置换序列。然后利用置换序列对信源消息进行混合和替换,从而实现对抗全局窃听攻击。该方案只需在信源节点对信源消息进行加密,在中间节点不需做任何改变。由于该方案加密算法简单并且不需要预编码操作,因此该方案没有引入额外的带宽开销且具有较高的实际编码效率。其次,提出了一种隐藏预编码矩阵的对抗全局窃听安全网络编码方案。对多播容量为m的网络,该方案利用m行n列信源消息矩阵的第1列生成类范德蒙矩阵。对类范德蒙矩阵的每一行进行置换操作来生成预编码矩阵。信源消息矩阵的第1列用AES算法进行加密然后和已经与预编码矩阵相乘过的其余n-l列一同传输。该方案的加密数据量仅为m。该方案的预编码矩阵可进一步改造为稀疏矩阵,因此预编码复杂度由O(m2n)被减至O(mn)。仿真结果表明,新的低复杂度方案的实际编码效率较高。
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