一種對抗全局竊聽的網(wǎng)絡(luò)編碼方案*

周 影，褚麗莉，陳 佳

（遼寧工業(yè)大學(xué)，遼寧 錦州 121000）

0 引言

網(wǎng)絡(luò)編碼理論[1]的提出，為數(shù)據(jù)傳輸帶來了深刻的影響，相比路由單一的存儲轉(zhuǎn)發(fā)功能，網(wǎng)絡(luò)編碼通過節(jié)點(diǎn)對上游數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲—編碼—轉(zhuǎn)發(fā)，從而提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量、魯棒性[2]和安全性。

網(wǎng)絡(luò)編碼在提升數(shù)據(jù)傳輸能力的同時，網(wǎng)絡(luò)仍具有被監(jiān)聽的風(fēng)險。針對抗竊聽安全網(wǎng)絡(luò)編碼，對抗竊聽攻擊的方法主要有兩種：信息論方法和密碼學(xué)方法。Cai 等人利用傳統(tǒng)信息論方法對抗網(wǎng)絡(luò)編碼中的竊聽攻擊[3]，從而使竊聽攻擊者竊聽到網(wǎng)絡(luò)中的任意一個竊聽子集均無法通過其譯碼恢復(fù)出原始消息向量。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[4]中進(jìn)一步提出了r-安全網(wǎng)絡(luò)編碼方案，但該方案提出的前提是竊聽鏈路數(shù)少于竊聽網(wǎng)絡(luò)鏈路的最大值，且不適用于多源網(wǎng)絡(luò)。因此利用信息論實(shí)現(xiàn)對抗竊聽的編碼方案必須具備限制條件，即限定竊聽者的竊聽能力。

相比信息論對抗竊聽攻擊的局限性，基于密碼學(xué)抗竊聽方案更具優(yōu)勢。Zhang 等人[5]提出了一種P-Coding 抗竊聽安全網(wǎng)絡(luò)編碼方案，該方案利用一個置換函數(shù)將全局編碼系數(shù)和編碼后的消息向量進(jìn)行混合和重新排列，從而無法正確譯碼出原始數(shù)據(jù)，達(dá)到抗竊聽的目的。但是需要對整個信源消息加密，并且該方案無法抵抗已知明文攻擊。Fan 等人[6]利用同態(tài)加密的方法隱藏全局編碼系數(shù)，從而使竊聽者無法竊聽信源消息，但是此方案要求在較大的有限域內(nèi)進(jìn)行編解碼，導(dǎo)致計(jì)算復(fù)雜度偏高。

綜上所述，本文提出一種新的抗全局竊聽的安全網(wǎng)絡(luò)編碼方案，該方案不會增加寬帶消耗，并且不改變中間節(jié)點(diǎn)的編碼方式，對信源組播率沒有要求。分析表明該方案可以達(dá)到安全網(wǎng)絡(luò)編碼的要求。

表1 各節(jié)點(diǎn)端口號以及對應(yīng)端口接收的消息

1 基本模型與概念

1.1 隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼網(wǎng)絡(luò)模型

對于一個多元多宿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)G=(V,E),其中V代表網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)集，E代表有向邊集，節(jié)點(diǎn)集合包含三部分，分N={N1,N2,…,Nm}別為信源節(jié)點(diǎn)集合S={S1,S2,…,Sn}，中間節(jié)點(diǎn)集合，

信宿節(jié)點(diǎn)集合R={R1,R2,…,Rk}，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，確定信源節(jié)點(diǎn)Si的傳輸速率mi，每個信源節(jié)點(diǎn)的傳輸速率決定了多播容量。信源節(jié)點(diǎn)Si發(fā)送m條消息至信宿節(jié)點(diǎn)，消息長度為n,信源消息為xi。

多源隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼是不同于單源網(wǎng)絡(luò)編碼的含有多源多宿的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對于一個多源多宿網(wǎng)絡(luò)[7]，源節(jié)點(diǎn)間的組播率相互約束，利用枚舉法求得網(wǎng)絡(luò)模型的可達(dá)信息率域邊界C={(1,4),(2,3),(3,2),(4,1)}，為了不重復(fù)贅述兩個信源的構(gòu)造方法，選取區(qū)域內(nèi)的的組播率都為2[8]。

1.2 竊聽模型

（1）考慮多信源多信宿。

（2）竊聽者可以對網(wǎng)絡(luò)中的所有信道進(jìn)行竊聽，即竊聽者為全局竊聽者。

（3）竊聽者知道網(wǎng)絡(luò)中的整個編解碼方案和消息傳輸方案，但無法獲得加密密鑰。

（4）本通信模型只考慮竊聽攻擊。

（5）密鑰分配中心(KDC)為源節(jié)點(diǎn)和信宿節(jié)點(diǎn)分配密鑰。

2 混沌系統(tǒng)

混沌系統(tǒng)是指存在于一個確定性系統(tǒng)中看似隨機(jī)的不規(guī)則運(yùn)動,其行為具有不確定性、不可重復(fù)性、不可預(yù)測性。混沌系統(tǒng)對初始狀態(tài)和控制參數(shù)極其敏感[9]。其中，Logistic 映射屬于一維混沌系統(tǒng)[10]，又稱為蟲口映射。由May 在1976 年提出，用來統(tǒng)計(jì)昆蟲或者人口數(shù)量變化的一個簡單的數(shù)學(xué)模型[11]，其表達(dá)式如（1）所示：

其中，n=1,2,3,…，參數(shù)μ表示控制參量μ∈(0,4]，變量xn∈[0,1]。

研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)xn∈[0,1]，μ∈(3.569,4]時，系統(tǒng)處于非收斂狀態(tài)，圖2 為Logistic 分叉圖。

圖2 Logistic 分叉圖

3 編碼方案

首先利用Logistic 混沌系統(tǒng)生成預(yù)編碼系數(shù)矩陣，通過除法運(yùn)算G生成所要傳輸?shù)南?；將消息以隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼的方式發(fā)送到下游節(jié)點(diǎn)；最終在信宿節(jié)點(diǎn)進(jìn)行譯碼操作。編碼方案流程圖如圖3 所示。

3.1 參數(shù)分配

混沌系統(tǒng)具有不可預(yù)測性，相差微小的兩個初值，經(jīng)過迭代后產(chǎn)生的數(shù)組相差甚遠(yuǎn)，且得到的結(jié)果不能計(jì)算出原始數(shù)據(jù)，根據(jù)該特性，初始值以及參數(shù)作為logistic 加密的密鑰。

3.2 信源編碼方案

首先，利用logistic 系統(tǒng)產(chǎn)生小數(shù)向量Y={y1,…,ym}，選取yi中的第2.4.6.8.10 位構(gòu)成一個整數(shù)ti，此時ti的位范圍為0 到99999，m個ti組成一個整數(shù)矩陣，形式如下：

圖3 編碼方案流程圖

通過公式（3）計(jì)算得出帶有信源消息的大數(shù)非整數(shù)矩陣Z：

利用Z對信源消息進(jìn)行隱藏，得到的結(jié)果矩陣為A：

為了使消息在有限域中F28進(jìn)行運(yùn)算，將A變成整數(shù)，通過256 進(jìn)行除法操作，得到商矩陣Qu和余數(shù)矩陣Re。通過AES 加密算法對Qu行加密成為E(Qu)，Re 序列作為被編碼消息進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼，最后以Data=[α|C|E(Qu)]形式傳遞給中間節(jié)點(diǎn)，其中α為系數(shù)矩陣，C為編碼結(jié)果矩陣。

3.3 信宿節(jié)點(diǎn)解碼

（1）信宿節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)后，對m個非線性系數(shù)向量和結(jié)果向量進(jìn)行組合，通過有限域高斯消元方法求解出余數(shù)矩陣。

（2）密鑰分配中心將AES 密鑰分發(fā)給各節(jié)點(diǎn)，解出商矩陣。

（3）通過除法逆運(yùn)算求解以及l(fā)ogistic 解密運(yùn)算解出原始數(shù)據(jù)。

4 安全性分析

結(jié)論1 攻擊者在竊聽全部密文的情況下，竊聽者只能通過窮舉法來獲取信源消息。

證明：竊聽者了解整個網(wǎng)絡(luò)的編碼方案，通過竊聽信道獲得所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)Data，通過解碼能得到余數(shù)矩陣Re，而商矩陣通過AES 加密進(jìn)而不能夠獲取Z矩陣，所以只能通過窮舉的方法猜測矩陣Z的數(shù)值。

結(jié)論2 竊聽者通過窮舉法無法獲得序列Z，所以無法獲得信源消息X。

證明：已知ti是由yi的2,4,6,8,10 位組成的整數(shù)，tm 屬于[0，100000]，而ym 截取小數(shù)點(diǎn)后的12 位，范圍為[10^-12，0]，z的范圍在[0，10^17]。

通過計(jì)算得出t＞1，而進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼信源節(jié)點(diǎn)的組播率m應(yīng)大于1，且m，n均為整數(shù)，所以t一定大于1，能夠抵抗全局竊聽攻擊。

5 信源編碼方案舉例

下面以圖1 為網(wǎng)絡(luò)模型，給出一個在有限域F28的安全網(wǎng)絡(luò)編碼（數(shù)據(jù)用十進(jìn)制表示）。選取兩信源節(jié)點(diǎn)組播率均為2，數(shù)據(jù)長度n均為1。以信源節(jié)點(diǎn)1 為例，x1={38,121}T。設(shè)定logistic 混沌系統(tǒng)初始值向量為：

經(jīng)過公式（1）500 次迭代得到y(tǒng)={0.8634074378729123 0.6322734168356746},利用y向量，提取T矩陣，通過公式（3）計(jì)算得到Z：

利用公式（4）計(jì)算攜帶信源節(jié)點(diǎn)1 原始消息的矩陣A：

對矩陣A進(jìn)行整數(shù)運(yùn)算，并對256 進(jìn)行除法運(yùn)算得到余數(shù)矩陣和商矩陣：

利用AES 加密算法對商矩陣進(jìn)行加密，得到一維字節(jié)數(shù)組：

最后對余數(shù)矩陣進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼，將系數(shù)矩陣、商矩陣加密后的字節(jié)數(shù)組以及網(wǎng)絡(luò)編碼的結(jié)果矩陣進(jìn)行打包，向下傳輸。

6 性能分析

6.1 加密量

本文通過加密商矩陣部分防止竊聽者獲取明文信息，商矩陣大小為m*n，所以加密量為m*n。

6.2 通信開銷

本文的編碼方案不需要傳輸預(yù)編碼矩陣，傳輸過程除系數(shù)矩陣和編碼結(jié)果外需要添加編碼冗余為m。

6.3 信源編碼復(fù)雜度

在信源編碼過程中，需要進(jìn)行除法操作，也需要對信源消息進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼，所以編碼復(fù)雜度為O(m2n)。

6.4 組播率最小值

在結(jié)論二中可知，該方案對組播率沒有限制，所以信源組播率最小值為1。

6.5 使用場景

經(jīng)過理論驗(yàn)證，該方案對信源組播率沒有要求，各個信源編碼方案互不干涉，所以既適用于單源網(wǎng)絡(luò)編碼，也適用于多源網(wǎng)絡(luò)編碼。

7 結(jié)語

本文結(jié)合 Logistic 混沌序列提出一種抗全局竊聽的編碼方案，該編碼方案只需在信源節(jié)點(diǎn)處利用混沌序列產(chǎn)生大數(shù)隱藏信源消息，并通過AES 加密商矩陣便可有效對抗網(wǎng)絡(luò)竊聽。相比傳統(tǒng)方案，該方案沒有增加寬帶開銷。本文方案只考慮竊聽攻擊不能抵抗拜占庭攻擊，因此本文下一步研究方向?yàn)槔没煦缂用軐刮廴竟簟?/p>