基于零向量的抗污染攻击的高效网络编码方案研究与设计

摘要

网络编码允许结点对数据包进行编码操作。相较于传统存储转发机制,网络编码在吞吐量、数据机密性、数据流的不可追踪性、鲁棒性等方面有显著优势。因此该思想引起了学界的广泛关注。虽然引入网络编码能带来很多好处,但如果网络中有恶意结点发起污染攻击,那么,整个系统的各方面性能将会大大下降。Kehdi等人提出了基于零向量的方案。该方案能很好地抵抗污染攻击,而且还有诸如分布式特性好、检测计算开销小、系统简单易实现等优点。然而,该零向量方案中,如果恶意结点获得了源结点分发的零向量所构成的零向量空间,那么它们就可以轻易攻破整个系统,亦即方案的安全性较低。
　　本文针对上述问题,提出了全零向量空间的概念。该空间的特点是,没有污染包能通过它的检测。如果在上述基于零向量的方案中,源结点分发的零向量空间能构成全零向量空间,那么就可以有效提高方案的安全性。但这会给系统带来很大的开销。为了减少零向量带来的开销,我们推广了零向量的概念,提出了部分位置检测的思想,构造了长度比原来的零向量短的零向量。我们证明短零向量存在全零向量空间,并且证明在构成全零向量空间时,相比于原来的零向量,短零向量带来的开销会减少。随后,我们在前面的研究基础上给出了短的零向量存在全零向量空间的充分条件。接着,设计了基于短零向量的抗污染攻击网络编码方案,并通过严格的证明分析了方案的安全性,通过数值分析综合考虑方案的各种性能,确定了该方案中各个参数的取值。在这些参数设定下,短零向量方案的安全性高且计算开销、通信开销小,是一种高效的抗污染攻击网络编码方案。由于短零向量之间的检测位置不一定相同,使得在上述方案中源结点只能以逐个秘密分发的方式向网络中的各结点分发短零向量。这在网络规模很大或动态性很强时会大大增加源结点的负载,影响方案的分布式性能。为了解决该问题,我们构造了压缩短零向量,使零向量仍能以网络编码的形式传播。在此基础上,我们对压缩短零向量进行了优化,构造了新型压缩短零向量。我们证明压缩短零向量和新型压缩短零向量都存在全零向量空间,并且证明在构成全零向量空间时,相比于原来的零向量,这两种零向量带来的开销都会减少。然后,设计了基于新型压缩短零向量的方案。在该方案中,新型压缩短零向量以网络编码的形式传播。这使该方案保持了原有方案的分布式性能,解决了短零向量方案分布式性能差的问题。接着,我们通过严格的证明分析了新型压缩短零向量方案的安全性,证明当参数取值满足一定条件时,该方案的计算开销、通信开销、安全性都会优于原零向量方案。最后,我们通过实验数据说明该方案相对于同态哈希方案和原有的零向量方案的优势,是一种高效的抗污染攻击网络编码方案。

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第一章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 研究现状

1.3 本文主要工作

1.4 课题研究意义

1.5 论文组织结构

第二章 背景知识

2.1 数学基础

2.2 问题模型

2.3 网络编码

2.4 零向量基础

2.5 本章小结

第三章 基于短零向量的方案

3.1 原零向量方案分析

3.2 基于短零向量的方案设计

3.3 攻击方式

3.4 安全性分析与证明

3.5 性能分析与参数选定

3.6 本章小结

第四章 基于新型压缩短零向量的方案

4.1 基于零向量攻击

4.2 方案分析

4.3 新型压缩短零向量

4.4 基于新型压缩短零向量的方案设计

4.5 安全性分析与证明

4.6 方案的性能分析

4.7 实验仿真

4.8 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 本文总结

5.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间本人的研究成果

致谢