高效的网络编码容错与安全机制分析.docx

南京邮电大学博士研究生学位论文摘要
摘要
网络编码作为一种新的数据传输方式,与传统路由相比已被证实能够有效地提高网络吞吐量、改善负载均衡、增强网络的鲁棒性、能以较小的复杂度实现分布式网络及拥有潜在的安全优势等。正是由于网络编码所具有的这些特性,使得其受到越来越多研究团体的关注。
本文针对当前网络编码研究方案在吞吐量、解码复杂度、能耗等系统性能及窃听攻击、差错控制、节点自私性等安全容错性方面存在的突出问题,以性能保持为基础,结合信息论与博弈论解决网络编码中的容错与安全性问题。
本文的主要研究成果包括如下几个方面: 1)提出结合激励融合机制的安全网络编码方案,该方案运用博弈理论解决了基于网络编
码环境下节点的自私性问题并能够有效预防节点的共谋私利攻击;同时,通过运用相应的编/ 解码理论和在源节点处加入有限的冗余包,从宏观角度解决了网络编码中有限的污染和丢包攻击问题;再者,通过整合多路径路由和优化的编码包分配算法降低了数据被攻击者重构的风险,实现了网络系统安全与性能良好的平衡;最后,相关仿真数据评价和安全分析证实了上述理论分析结果的正确性。
2)提出压缩的网络编码错误与擦除纠错方案,通过在目的节点建立一个高效的检测与删除线性相关包算法,显著地降低了目的节点解码端的计算开销;在解码过程中将目的节点接
收矩阵】,简化为乓(】,)形式而不是E(】,),降低了对节点处硬件执行能力的要求;当至多只有
,个源包进行了线性组合操作时,构造了一个编码向量压缩码,在保证目的节点正确解码的基础上(即解决错误与擦除问题)将数据包的有效载荷从M一后提高到M-O(rlog。k),并且并没有因为压缩码的引入而增加整个网络系统的解码复杂度;最后,数字结果和相关分析进一
步证实了本方案所具有的安全与性能优势。
3)提出抗恶意攻击者的秘密与可靠网络编码方案,解决了基于网络编码网络在遭受Z个污染包、∥个窃听攻击和P个包擦除情况下数据传输的秘密与可靠性问题;在保证传输信息
能被目的节点正确解码并且信息理论安全于攻击者情况下,当满足2z+p+∥<k≤2z+2p约束条件时,通信网络能完成最大k一∥一Z—P(该类环境下理论上数据传输率的上限)的数据
传输率,并且不需要要求数据包长度达到无限大;最后,数字结果和安全分析证实了本方案的相关特性。
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南京邮电大学博士研究生学位论文 摘要
4)提出秘密与可靠的非相干多源网络编码方案,解决了多源网络场景下网络编码面临的 z个污染包、∥个窃听攻击和P个包擦除问题;在保证目的节点能够正确并且秘密解码的基
础上,完成了接近于k一2z—P一3∥的数据传输率,与单源的场景相类似,本研究方案也没有要求数据包长度需要达到无限大;此外,中间节点只执行随机的线性组合操作,对网络中采
用的其它编/解码技术与方法毫无意识。
关键词:网络编码;容错性;安全性;窃听攻击;污染攻击;错误与擦除纠正;秩度量码; 压缩码;博弈论;多源(多个源节点)
II
南京邮电大学博士研究生学位论文
Abstract
Network coding is a novel data transmission paring with traditional routing methods which has been proven that Can work throughput,improve load equilibrium, enhance robustness work,be done in a work with plexity and
potentially possess security of these advantageous characteristics,recently, network coding catches significant attention from more and more munities.
Aiming at the prominent problems work performance(such as throughput,decoding
complexity and energy overhead),security and fault tolerance(such as eavesdropping attack,error control and node selfishness)exist in work coding research schemes,based on the reasonable performance,the objective of this dissertation is to address the fau