一种对抗全局窃听的网络编码方案，零基础入门到精通，收藏这一篇就够了

摘　要

针对安全网络编码方案中信源节点组播率受限的问题，提出了一种基于logistic混沌映射的加密方案。首先Logistic 混沌序列对初始值向量经过多次迭代，生成结果向量，再利用结果向量构造预编码矩阵，最后通过预编码矩阵和结果向量生成大数矩阵对信源消息进行隐藏。为了使数据在有限域中进行运算，对大数进行取整，并进行除法操作，商矩阵进行加密处理，余数矩阵进行网络编码，从而达到对抗窃听的目的。与传统的对抗窃听攻击方案相比，在同等带宽开销的前提下，扩大了源节点组播率的限制范围，既适用于单源网络，也适用于多源多宿网络，理论分析和实验结果表明，该方案能够对抗全局窃听，且能成功编解码。

内容目录：

0　引　言

1　基本模型与概念

1.1　随机线性网络编码网络模型

1.2　窃听模型

2　混沌系统

3　编码方案

3.1　参数分配

3.2　信源编码方案

3.3　信宿节点解码

4　安全性分析

5　信源编码方案举例

6　性能分析

6.1 加密量

6.2 通信开销

6.3 信源编码复杂度

6.4 组播率最小值

6.5 使用场景

网络编码理论的提出，为数据传输带来了深刻的影响，相比路由单一的存储转发功能，网络编码通过节点对上游数据进行存储—编码—转发，从而提高网络吞吐量、鲁棒性和安全性。

网络编码在提升数据传输能力的同时，网络仍具有被监听的风险。针对抗窃听安全网络编码，对抗窃听攻击的方法主要有两种：信息论方法和密码学方法。Cai 等人利用传统信息论方法对抗网络编码中的窃听攻击，从而使窃听攻击者窃听到网络中的任意一个窃听子集均无法通过其译码恢复出原始消息向量。在此基础上，文献[4]中进一步提出了-安全网络编码方案，但该方案提出的前提是窃听链路数少于窃听网络链路的最大值，且不适用于多源网络。因此利用信息论实现对抗窃听的编码方案必须具备限制条件 ，即限定窃听者的窃听能力。

相比信息论对抗窃听攻击的局限性，基于密码学抗窃听方案更具优势。Zhang等人提出了一种 P-Coding 抗窃听安全网络编码方案，该方案利用一个置换函数将全局编码系数和编码后的消息向量进行混合和重新排列，从而无法正确译码出原始数据，达到抗窃听的目的。但是需要对整个信源消息加密，并且该方案无法抵抗已知明文攻击。Fan等人利用同态加密的方法隐藏全局编码系数，从而使窃听者无法窃听信源消息，但是此方案要求在较大的有限域内进行编解码，导致计算复杂度偏高。

综上所述，本文提出一种新的抗全局窃听的安全网络编码方案，该方案不会增加宽带消耗，并且不改变中间节点的编码方式，对信源组播率没有要求。分析表明该方案可以达到安全网络编码的要求。

表1　各节点端口号以及对应端口接收的消息

１

基本模型和概念

1.1　随机线性网络编码网络模型

对于一个多元多宿网络结构,其中代表网络中的节点集，代表有向边集，节点集合包含三部分，分别为信源节点集合，中间节点集合，信宿节点集合，根据网络结构，确定信源节点的传输速率，每个信源节点的传输速率决定了多播容量。信源节点发送m条消息至信宿节点，消息长度为,信源消息为。

图1　多源网络模型图

多源随机网络编码是不同于单源网络编码的含有多源多宿的网络结构，对于一个多源多宿网络，源节点间的组播率相互约束，利用枚举法求得网络模型的可达信息率域边界，为了不重复赘述两个信源的构造方法，选取区域内的的组播率都为2。

1.2　窃听模型

（1）考虑多信源多信宿。

（2）窃听者可以对网络中的所有信道进行窃听，即窃听者为全局窃听者。

（3）窃听者知道网络中的整个编解码方案和消息传输方案，但无法获得加密密钥。

（4）本通信模型只考虑窃听攻击。

（5）密钥分配中心(KDC)为源节点和信宿节点分配密钥。

２

混沌系统

混沌系统是指存在于一个确定性系统中看似随机的不规则运动,其行为具有不确定性、不可重复性、不可预测性。混沌系统对初始状态和控制参数极其敏感。其中，Logistic映射属于一维混沌系统，又称为虫口映射。由 May 在 1976 年提出，用来统计昆虫或者人口数量变化的一个简单的数学模型，其表达式如(1)所示:

其中，参数表示控制参量，变量。

研究发现，当时，系统处于非收敛状态，图2为Logistic分叉图。

图2　Logistic分叉图

３

编码方案

首先利用Logistic混沌系统生成预编码系数矩阵，通过除法运算生成所要传输的消息；将消息以随机网络编码的方式发送到下游节点；最终在信宿节点进行译码操作。编码方案流程图如图3所示。

图3　编码方案流程图

3.1　参数分配

混沌系统具有不可预测性，相差微小的两个初值，经过迭代后产生的数组相差甚远，且得到的结果不能计算出原始数据，根据该特性，初始值以及参数作为logistic加密的密钥。

3.2　信源编码方案

首先，利用logistic系统产生小数向量，选取中的第2.4.6.8.10位构成一个整数，此时的位范围为0到99999，m个组成一个整数矩阵，形式如下：

通过公式(3.1)计算得出带有信源消息的大数非整数矩阵：

利用Z对信源消息进行隐藏，得到的结果矩阵为：

为了使消息在有限域中进行运算，将变成整数，通过256进行除法操作，得到商矩阵和余数矩阵。通过AES加密算法对行加密成为，序列作为被编码消息进行网络编码，最后以形式传递给中间节点，其中为系数矩阵，为编码结果矩阵。

3.3　信宿节点解码

（1）信宿节点收到数据后，对个非线性系数向量和结果向量进行组合，通过有限域高斯消元方法求解出余数矩阵。

（2）密钥分配中心将AES密钥分发给各节点，解出商矩阵。

（3）通过除法逆运算求解以及logistic解密运算解出原始数据。

４

安全性分析

结论1 攻击者在窃听全部密文的情况下，窃听者只能通过穷举法来获取信源消息。

证明：窃听者了解整个网络的编码方案，通过窃听信道获得所传输的数据Data，通过解码能得到余数矩阵，而商矩阵通过AES加密进而不能够获取矩阵，所以只能通过穷举的方法猜测矩阵的数值。

结论2 窃听者通过穷举法无法获得序列，所以无法获得信源消息。

证明：已知是由的 2,4,6,8,10位组成的整数，tm属于[0，100000]，而ym截取小数点后的12位，范围为，z的范围在

通过计算得出t>1，而进行网络编码信源节点的组播率应大于1，且，均为整数，所以一定大于1，能够抵抗全局窃听攻击。

５

信源编码方案举例

下面以图1为网络模型，给出一个在有限域的安全网络编码（数据用十进制表示）。选取两信源节点组播率均为2，数据长度均为1。以信源节点1为例，。设定logistic混沌系统初始值向量为：

经过公式（1）500次迭代得到y={0.8634074378729123 0.6322734168356746},

利用y向量，提取T矩阵，通过公式（2）计算得到：

利用公式（3.2）计算携带信源节点1原始消息的矩阵：

对矩阵进行整数运算，并对256进行除法运算得到余数矩阵和商矩阵：

利用AES加密算法对商矩阵进行加密，得到一维字节数组：

最后对余数矩阵进行网络编码，将系数矩阵、商矩阵加密后的字节数组以及网络编码的结果矩阵进行打包，向下传输。

６

性能分析

6.1　加密量

本文通过加密商矩阵部分防止窃听者获取明文信息，商矩阵大小为m*n，所以加密量为m*n。

6.2　通信开销

本文的编码方案不需要传输预编码矩阵，传输过程除系数矩阵和编码结果外需要添加编码冗余为m。

6.3　信源编码复杂度

在信源编码过程中，需要进行除法操作，也需要对信源消息进行网络编码，所以编码复杂度为。

6.4　组播率最小值

在结论二中可知，该方案对组播率没有限制，所以信源组播率最小值为1。

6.5　使用场景

经过理论验证，该方案对信源组播率没有要求，各个信源编码方案互不干涉，所以既适用于单源网络编码，也适用于多源网络编码。

７

结语

本文结合 Logistic混沌序列提出一种抗全局窃听的编码方案，该编码方案只需在信源节点处利用混沌序列产生大数隐藏信源消息，并通过AES加密商矩阵便可有效对抗网络窃听。相比传统方案，该方案没有增加宽带开销。本文方案只考虑窃听攻击不能抵抗拜占庭攻击，因此本文下一步研究方向为利用混沌加密对抗污染攻击。

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