網(wǎng)絡(luò)編碼基礎(chǔ)技術(shù)及發(fā)展前景

摘要網(wǎng)絡(luò)編碼的思想得到了廣泛的關(guān)注，網(wǎng)絡(luò)編碼的各種應(yīng)用問題相繼提出，其中網(wǎng)絡(luò)編碼中的安全是網(wǎng)絡(luò)編碼的重要應(yīng)用領(lǐng)域。安全網(wǎng)絡(luò)編碼大體上分為兩方面，反篡改數(shù)據(jù)和反竊聽數(shù)據(jù)。反篡改數(shù)據(jù)也就是網(wǎng)絡(luò)糾錯，反竊聽數(shù)據(jù)就是防搭線竊聽的安全網(wǎng)絡(luò)編碼。文章論述了防竊聽的安全網(wǎng)絡(luò)編碼的模型、理論、構(gòu)造、發(fā)展，對抗搭線竊聽的安全網(wǎng)絡(luò)編碼進行了重點分析。

關(guān)鍵詞安全網(wǎng)絡(luò)編碼;容量;編碼安全

中圖分類號TN919文獻標識碼A文章編號1673-9671-(2009)121-0015-01

1網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)背景

1.1網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)研究意義及背景

在1956年，信息論的創(chuàng)立者Shannon在其發(fā)表的一篇重要論文“A Note on the Maximum Flow Through a Network”中明確指出:通信網(wǎng)絡(luò)端對端的最大信息流，是由網(wǎng)絡(luò)有向圖模型的最小割決定。但由于傳統(tǒng)路由器的存儲轉(zhuǎn)發(fā)模式難以實現(xiàn)多播的最大流容量，使得Shannon提出的這一理論上限在很長時間里顯得遙不可及。R. Ahlswede、蔡寧(西電教授)、李碩彥(香港中文大學(xué)教授，北郵“111”基地海外學(xué)術(shù)大師)和楊偉豪(香港中文大學(xué)教授，北郵兼職教授)等在2000年發(fā)表的論文“Network Information Flow”中創(chuàng)造性地提出了“網(wǎng)絡(luò)編碼”新概念。網(wǎng)絡(luò)編碼理論的劃時代意義在于，推翻了獨立的比特不能再被壓縮的經(jīng)典結(jié)論，指出網(wǎng)絡(luò)信息流可以被壓縮。由此，一種新的編碼算法----網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)誕生了，不需要特殊的支持設(shè)備與系統(tǒng)，在現(xiàn)有的設(shè)備上(諸如路由器、無線系統(tǒng)或者專用的網(wǎng)絡(luò)編碼器等)即可進行網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)的操作和執(zhí)行，并且它的網(wǎng)絡(luò)吞吐量可以在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上翻一倍，在網(wǎng)絡(luò)的安全性能方面也大大提高。

1.2網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及動態(tài)分析

目前，國內(nèi)網(wǎng)絡(luò)編碼的研究還很局限，成果不突出。停留在理論方面。華中科技大學(xué)黃佳慶教授等以“網(wǎng)絡(luò)編碼理論研究進展”為題，對網(wǎng)絡(luò)編碼研究中的主要理論進展進行了綜述:歸納了網(wǎng)絡(luò)編碼的優(yōu)點和缺點;對無環(huán)網(wǎng)絡(luò)中的線性網(wǎng)絡(luò)編碼和有環(huán)網(wǎng)絡(luò)中的卷積網(wǎng)絡(luò)編碼的相關(guān)性質(zhì)進行了介紹;論述了多種網(wǎng)絡(luò)編碼構(gòu)造算法(包括集中式多項式復(fù)雜度算法(線性網(wǎng)絡(luò)流LIF算法)、分布式多項式復(fù)雜度算法(隨機網(wǎng)絡(luò)編碼)、多速率碼構(gòu)造算法等);展望了網(wǎng)絡(luò)編碼的若干發(fā)展方向和公開問題。

惠普公司認為多播就是網(wǎng)絡(luò)編碼未來趨勢所在。所謂多播，就是同時把信息傳送給一組目標節(jié)點，按照和傳統(tǒng)路由架構(gòu)同樣的方式，網(wǎng)絡(luò)編碼就能大大改善網(wǎng)絡(luò)的效率。傳統(tǒng)路由必須生成多份拷貝，用這些拷貝去連接多個目標節(jié)點來傳送信息才能實現(xiàn)多播，而網(wǎng)絡(luò)編碼的多播則非常輕松，它可以通過xor痕跡處理，大大減輕多份傳輸?shù)膲毫?。麻省理工學(xué)院的研究表明，網(wǎng)絡(luò)編碼可以在無線網(wǎng)絡(luò)的吞吐量上獲得“數(shù)倍的提升”。

而在麻省理工學(xué)院一幢三層建筑內(nèi)的34個節(jié)點環(huán)境中，利用UDP流量進行的一次測試更是出現(xiàn)了4倍的流量增加。

在無線系統(tǒng)中應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)的代表是英特爾公司，在競爭日趨激烈的世界通迅產(chǎn)品市場上希望籍此提高其無線產(chǎn)品的地位和優(yōu)勢。在這方面的研究中，多跳中繼(Multiho relay)-由WiMAX基站和中繼基站完成，可以從網(wǎng)絡(luò)編碼獲得益處。在此應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)編碼要比簡單的雙向中繼增加25%到50%的吞吐量。

2網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)及原理

為了解決大容量文件傳輸和多媒體的廣泛應(yīng)用等這樣的問題，提出對網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)增加可管理的能力——進行二次編碼，即網(wǎng)絡(luò)編碼(network coding)。通過對數(shù)據(jù)的編碼，文件被分成一定大小的文件單元--信息包。當需要接收該信息包時，先接收到該文件的所有信息包的編碼數(shù)據(jù)，信息包編碼數(shù)據(jù)包括該文件的分割的有關(guān)信息(如每個信息包的大小、信息包的數(shù)量、每個信息包的數(shù)據(jù)源列表)。當完成接收所有的文件信息包時，再按照原來的順序重新組裝成原文件以供本地使用，只要該節(jié)點不脫離鏈接，就可以提供全部的文件信息包的服務(wù)。這就是利用網(wǎng)絡(luò)編碼來傳輸文件的對等式網(wǎng)路(Peer-to-Peer)的系統(tǒng)架構(gòu)，提供以轉(zhuǎn)送為基礎(chǔ)的實時性分布式的服務(wù)方式，以降低資料傳輸?shù)膸捫枨蠛陀耙舨シ泡^低的延遲性。

網(wǎng)絡(luò)編碼便可有效地允許目標節(jié)點接收多個信息而不必增加它所能接收數(shù)據(jù)包的數(shù)量。

在一個大的分布式對等系統(tǒng)中，設(shè)計將信息包的網(wǎng)絡(luò)編碼達到使客戶減到最少下載時間的方案是非常困難。 但是不可能依賴中央調(diào)度程序來完成，這就要求節(jié)點來根據(jù)實際的網(wǎng)絡(luò)鏈接情況提供可鏈接的數(shù)據(jù)源表。并對于自己每個信息包的實際下載過程做標記，即該增加一個鏈接的網(wǎng)絡(luò)開銷值。根據(jù)下載速度對鏈接分級，轉(zhuǎn)化為對接收到的該信息包鏈接的網(wǎng)絡(luò)開銷值進行運算。

3編碼效率

網(wǎng)絡(luò)編碼方案可分為線性和非線性兩種，其中線性方法的編碼和解碼都相對簡單。在有向網(wǎng)絡(luò)中，如果一個網(wǎng)絡(luò)編碼問題有解，則一定有線性解。

相關(guān)的研究人員如Medard、Effro和Yeung等人已經(jīng)在建立網(wǎng)絡(luò)編碼的數(shù)學(xué)描述方法等方面作了大量的工作，得到了有線網(wǎng)絡(luò)中利用網(wǎng)絡(luò)編碼實現(xiàn)最大流傳輸?shù)娜舾膳卸ǘɡ?。但無論是理論上還是實踐上，網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)在無線領(lǐng)域的應(yīng)用都有待于創(chuàng)新，網(wǎng)絡(luò)編碼在無線網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用還必須面對很多問題，這是無線網(wǎng)絡(luò)自身的特性決定的。

4網(wǎng)絡(luò)編碼信息安全

信息傳輸?shù)倪^程中可能遭到竊聽，導(dǎo)致通信雙方的隱私泄露。所以，在保障可靠傳輸?shù)幕A(chǔ)上，還需要考慮如何利用網(wǎng)絡(luò)編碼來保護消息傳輸?shù)陌踩?/p>

網(wǎng)絡(luò)編碼不僅可以提高節(jié)點間傳輸效率和網(wǎng)絡(luò)吞吐量，在網(wǎng)絡(luò)的安全性能上也有很大的作用，這也是它倍受關(guān)注且快速發(fā)展的更深層的原因。由于網(wǎng)絡(luò)編碼具有信息的分散性的特點，使其被集中破譯的可能性大大減少，同時其本身的編譯碼特性也增加了信息破譯難度，在安全性能上就比傳統(tǒng)程序有了很大的提高;對確定性編碼算法來說，由于傳輸過程中將涉及較多的節(jié)點數(shù)目，數(shù)據(jù)安全性時刻受到威脅。因此編碼算法的設(shè)計中也需要考慮系統(tǒng)的安全性能，安全性能優(yōu)良的信息編碼技術(shù)可以大大減輕傳輸過程中各節(jié)點、中繼系統(tǒng)的安全性壓力。因此針對不同的系統(tǒng)應(yīng)選用合適的編碼算法，以提高網(wǎng)絡(luò)的整體安全性能，這對于無線通信更具有非常重要的意義。

5結(jié)語

網(wǎng)絡(luò)編碼作為一種全新的數(shù)字技術(shù)，其研究已經(jīng)取得了可喜的成績。在算法理論上和應(yīng)用技術(shù)上都有了很大的進步，對比傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)中繼技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢和良好的發(fā)展前景，但在無線領(lǐng)域的發(fā)展還有待提高。同時對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全設(shè)計，網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)更應(yīng)該發(fā)揮其本身優(yōu)勢，使網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸更快捷、有效和安全。

參考文獻

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