專利名稱：一種使用緩存節(jié)點(diǎn)的安全網(wǎng)絡(luò)編碼傳輸方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通信領(lǐng)域，特別涉及一種使用緩存節(jié)點(diǎn)的安全網(wǎng)絡(luò)編碼傳輸方法和裝置。
背景技術(shù)：
目前通信網(wǎng)絡(luò)，中間節(jié)點(diǎn)的作用主要是存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，網(wǎng)絡(luò)很難達(dá)到香農(nóng)提出的最大流的目的，直到網(wǎng)絡(luò)編碼提出，這一狀況才得到改變。網(wǎng)絡(luò)編碼的初衷是為了增加網(wǎng)絡(luò)的最大流，但是在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)編碼在網(wǎng)絡(luò)安全方面同樣有著非常好的前景。對(duì)于傳統(tǒng)的組播方式，如果竊聽(tīng)者有機(jī)會(huì)竊聽(tīng)到網(wǎng)絡(luò)中某一路信息，它可以根據(jù)竊聽(tīng)得到的信息恢復(fù)原始數(shù)據(jù)，因?yàn)檫@樣的信息是“有意義的”，“有意義”是指竊聽(tīng)到的信息跟信源發(fā)出的信息是相同的，在安全性要求較高的情況下，傳統(tǒng)組播防竊聽(tīng)能力就相應(yīng)的比較弱；而在基于網(wǎng)絡(luò)編碼的數(shù)據(jù)傳輸方式中，編碼節(jié)點(diǎn)有對(duì)不同鏈路的信息進(jìn)行混合的功能，從而把“有意義的”信息轉(zhuǎn)變成“無(wú)意義的”，這種方法使得網(wǎng)絡(luò)編碼具有了一定的保密性，盡管如此，竊聽(tīng)者在竊聽(tīng)到多路信息并了解網(wǎng)絡(luò)編碼的編解碼構(gòu)造方法之后，仍然可以通過(guò)得到的多路信息恢復(fù)原始信息；另外，正是由于網(wǎng)絡(luò)編碼可以對(duì)信息進(jìn)行混合，一旦上游鏈路的信息產(chǎn)生誤碼或者被其他攻擊者篡改數(shù)據(jù)，下游鏈路的信息就很有可能變成錯(cuò)誤的，這樣會(huì)增大錯(cuò)誤的覆蓋范圍，對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息安全產(chǎn)生不好的影響。因此，將網(wǎng)絡(luò)編碼應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)安全中，信息的保密性和完整性顯得尤其重要。安全網(wǎng)絡(luò)編碼已經(jīng)有多種實(shí)現(xiàn)方式，但是這些實(shí)現(xiàn)方式仍然存在如下問(wèn)題使用密碼學(xué)加密的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的保密性，這種方法固然可以達(dá)到保密性的效果，但是需要加密的數(shù)量太大，在加密和解密的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生巨大的計(jì)算量；使用非加密的手段實(shí)現(xiàn)保密性，這種方法需要把竊聽(tīng)者的竊聽(tīng)能力局限在某些鏈路，對(duì)于竊聽(tīng)能力強(qiáng)的竊聽(tīng)者，使用非加密手段實(shí)現(xiàn)的保密性有可能被破壞。因此在保證網(wǎng)絡(luò)保密性的情況下減少加密量，并且不限制竊聽(tīng)者的竊聽(tīng)范圍就成為安全網(wǎng)絡(luò)編碼的一個(gè)研究熱點(diǎn)。本發(fā)明就是針對(duì)上面提到的兩個(gè)實(shí)際情況，使用一種安全有效的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)保密通信。同時(shí)，在網(wǎng)絡(luò)編碼中，一旦遭受篡改攻擊，就會(huì)擴(kuò)大錯(cuò)誤的覆蓋范圍，本發(fā)明兼顧到信息的完整性檢驗(yàn)的功能，將網(wǎng)絡(luò)保密性和完整性檢驗(yàn)的功能融合到一起。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種使用緩存節(jié)點(diǎn)的安全網(wǎng)絡(luò)編碼傳輸方法和裝置，能夠通過(guò)對(duì)信源信息進(jìn)行加密實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)編碼的保密傳輸，同時(shí)能夠使用具有緩存功能的中間節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的完整性校驗(yàn)的功能，具有加密量小，不限制竊聽(tīng)者的竊聽(tīng)能力的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)能夠提供完整性檢驗(yàn)的功能。為達(dá)成上述發(fā)明目標(biāo)，在此有如下技術(shù)方案使用緩存節(jié)點(diǎn)的安全網(wǎng)絡(luò)編碼傳輸方法隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼是本發(fā)明采用的傳輸方式，隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼是指編碼節(jié)點(diǎn)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行線性操作，使用的編碼向量是在有限域內(nèi)隨機(jī)選取的。由于節(jié)點(diǎn)類型不同，因此在信源、中間節(jié)點(diǎn)和信宿的操作都不相同。有限域集合F= {a，b，…}，對(duì)F的元素定義了兩種運(yùn)算“ + ”和“*”，并滿足以下3個(gè)條件1、F的元素關(guān)于運(yùn)算“ + ”構(gòu)成交換群，設(shè)其單位元素為0。2、F\{0}的元素關(guān)于運(yùn)算“*”構(gòu)成交換群。即F中元素排除元素0后，關(guān)于“*”構(gòu)成交換群。3、分配率成立，即對(duì)于任意元素a，b，c e F，恒有a*(b+c) = (b+c)*a = a*b+a*cF域的元素?cái)?shù)目有限時(shí)稱為有限域。在此假設(shè)有限域足夠大。本發(fā)明在信源、中間節(jié)點(diǎn)和信宿的具體操作方法如下信源構(gòu)造數(shù)據(jù)包，包括編碼向量、載荷和完整性校驗(yàn)碼三部分；編碼向量是在有限域中隨機(jī)選取，放在數(shù)據(jù)包的前面；對(duì)信源信息的其中一維信息進(jìn)行加密，然后使用哈希函數(shù)和計(jì)算公式對(duì)其他信源信息進(jìn)行處理，得到用于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男畔?，使用隨機(jī)選取的編碼向量對(duì)用于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行編碼操作得到載荷；根據(jù)校驗(yàn)碼公式、編碼向量和載荷計(jì)算完整性校驗(yàn)碼。中間節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)包之后，中間節(jié)點(diǎn)首先進(jìn)行完整性校驗(yàn)，如果未被篡改，首先進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼操作，然后計(jì)算新的完整性校驗(yàn)碼；如果被篡改，需要申請(qǐng)上游節(jié)點(diǎn)重傳， 在得到正確的數(shù)據(jù)包之后，對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行編碼操作并重組，構(gòu)造新的數(shù)據(jù)包和新的完整性校驗(yàn)碼，并向下傳輸。由于中間節(jié)點(diǎn)具有緩存功能，因此當(dāng)下游數(shù)據(jù)包發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤之后，可以請(qǐng)求上游節(jié)點(diǎn)直接重傳，這樣中間節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜度增加了，但是會(huì)減少可能的重傳過(guò)程占用的鏈路數(shù)目。信宿接收到數(shù)據(jù)包之后，信宿完成完整性校驗(yàn)的功能，如果數(shù)據(jù)包被篡改，那么需要請(qǐng)求上游節(jié)點(diǎn)重傳，如果未被篡改，則直接解碼即可。使用緩存節(jié)點(diǎn)的安全網(wǎng)絡(luò)編碼傳輸裝置信源是信息的輸入裝置和數(shù)據(jù)包的構(gòu)造裝置，中間節(jié)點(diǎn)是數(shù)據(jù)包的“存儲(chǔ)-編碼-轉(zhuǎn)發(fā)”裝置，信宿是數(shù)據(jù)包的接收和解碼裝置。從以上技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明中，只需要加密部分信源信息，比已有的加密信源信息的方法取得了更大的優(yōu)越性，加密解密的復(fù)雜度也大大減??；不限制竊聽(tīng)者的竊聽(tīng)能力，也就是網(wǎng)絡(luò)的任意鏈路都可以被竊聽(tīng)，但是竊聽(tīng)者具有有限的計(jì)算能力，不能通過(guò)窮舉法得到原始信息；保密性和完整性校驗(yàn)的功能是同時(shí)實(shí)現(xiàn)的，不會(huì)產(chǎn)生干擾。


為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的流程圖，在信源、中間節(jié)點(diǎn)和信宿的信息輸入輸出圖，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1為本發(fā)明的流程圖；圖2為本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)裝置具體實(shí)施例方式根據(jù)發(fā)明內(nèi)容的描述，在此對(duì)實(shí)施方式具體化。圖1是本發(fā)明的流程圖，如圖1所示，數(shù)據(jù)包的傳送過(guò)程是按照信源、中間節(jié)點(diǎn)和信宿的順序進(jìn)行的，而且信源、中間節(jié)點(diǎn)和信宿對(duì)數(shù)據(jù)包的操作是不同的，因此分三部分對(duì)本發(fā)明進(jìn)行介紹。
信
源具有構(gòu)造數(shù)據(jù)包和隱藏信源信息的功能，具體實(shí)現(xiàn)方式如下信源SlOl 信源發(fā)送的數(shù)據(jù)可以表示為X = (X1)CfXj)，共有j維，這里的維數(shù)可以理解為共有j維數(shù)據(jù)需要發(fā)送，依次發(fā)送其中一維數(shù)據(jù)；其中每一維數(shù)據(jù)都對(duì)應(yīng)著η維的信息向量& = (xnxi2-xin)T,i = L···」，為方便操作，確定η維數(shù)據(jù)中每一維數(shù)據(jù)的第一個(gè)信息是需要加密的，在這里可以使用但不限于AES加密方法，將Xil加密為EpS102:在得到加密數(shù)據(jù)之后，構(gòu)造信源發(fā)出的在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，為了使得所有數(shù)據(jù)都跟被加密的數(shù)據(jù)產(chǎn)生相關(guān)性，同時(shí)保證信息不可解密，這里使用哈希函數(shù)h ()，因?yàn)楣：瘮?shù)是單向的，根據(jù)輸入X，可以很容易計(jì)算出來(lái)h (χ)，但是根據(jù)h (χ)，得到χ在計(jì)算上是不可實(shí)現(xiàn)的。使用哈希函數(shù)進(jìn)行處理的過(guò)程如下
權(quán)利要求
1.一種使用緩存節(jié)點(diǎn)的安全網(wǎng)絡(luò)編碼傳輸方法，其特征在于，該方法包括如下步驟 步驟一特別規(guī)定數(shù)據(jù)包的格式，包括編碼向量、載荷和校驗(yàn)碼三個(gè)組成部分； 步驟二 在信源，加密信源信息的其中一維，通過(guò)對(duì)剩余信息使用哈希函數(shù)和一定的計(jì)算公式進(jìn)行處理，這樣其他信息都是跟加密的信息相關(guān)的，這部分也就是網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)男畔?，使用網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)男畔⒂?jì)算載荷和完整性校驗(yàn)碼，構(gòu)造數(shù)據(jù)包。步驟三在中間節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)包先被進(jìn)行完整性校驗(yàn)，然后被網(wǎng)絡(luò)編碼操作，之后構(gòu)造新的完整性校驗(yàn)碼和新的數(shù)據(jù)包，并轉(zhuǎn)發(fā)，也就是中間節(jié)點(diǎn)工作在“校驗(yàn)-編碼-轉(zhuǎn)發(fā)”方式下；步驟四在信宿，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)包之后，先對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行完整性校驗(yàn)，待確認(rèn)得到完整的數(shù)據(jù)包之后，對(duì)其進(jìn)行解碼，得到信源發(fā)送的數(shù)據(jù)。步驟五在中間節(jié)點(diǎn)和信宿，如果完整性校驗(yàn)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)包不是完整的，那么需要請(qǐng)求上游節(jié)點(diǎn)重傳。
2.如權(quán)利要求1所述的安全實(shí)現(xiàn)方法，數(shù)據(jù)包的構(gòu)成步驟主要包括以下過(guò)程信源信息是信源期望發(fā)送給信宿的信息，網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)男畔⑹峭ㄟ^(guò)哈希函數(shù)和一定的計(jì)算公式跟信源信息計(jì)算得到的；網(wǎng)絡(luò)傳輸采用隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼的方法，在有限域內(nèi)隨機(jī)選取編碼向量，假定有限域足夠大；使用編碼向量和網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)男畔⒂?jì)算得到載荷；使用校驗(yàn)碼公式、載荷和編碼向量計(jì)算完整性校驗(yàn)碼。
3.如權(quán)利要求1所述的安全實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，信息的維度在加密前后是相同，可以簡(jiǎn)化信息的編碼操作，AES成為一種可選但不是唯一的加密方式，同時(shí)只有每個(gè)信源信息向量的一維需要進(jìn)行加密，其他信息不需要加密，只需要進(jìn)行相關(guān)性處理即可。
4.如權(quán)利要求1所述的安全實(shí)現(xiàn)方法，之所以有網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)男畔?，是因?yàn)檫@個(gè)信息可以取代信源信息在網(wǎng)絡(luò)中傳輸，這樣可以隱藏原始信息，而對(duì)外僅僅顯示網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)?fn息ο
5.如權(quán)利要求1所述的安全實(shí)現(xiàn)方法，增加完整性校驗(yàn)碼可以實(shí)現(xiàn)完整性檢驗(yàn)的功能，中間節(jié)點(diǎn)和信宿都可以解碼得到完整性校驗(yàn)碼，同時(shí)也都可以計(jì)算得到完整性校驗(yàn)碼， 完整性的檢驗(yàn)是通過(guò)檢驗(yàn)解碼和計(jì)算得到的校驗(yàn)碼是否相同來(lái)完成的。
6.如權(quán)利要求1所述的安全實(shí)現(xiàn)方法，本方法可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)保密性和完整性校驗(yàn)的功能。
7.如權(quán)利要求1所述的安全實(shí)現(xiàn)方法，由于中間節(jié)點(diǎn)具有數(shù)據(jù)緩存功能，中間節(jié)點(diǎn)和信宿在檢驗(yàn)的過(guò)程中，如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)被篡改，可以請(qǐng)求直接相連的上游節(jié)點(diǎn)重傳。
8.如權(quán)利要求1所述的安全實(shí)現(xiàn)方法，信宿首先使用接收到的數(shù)據(jù)包的信息進(jìn)行完整性校驗(yàn)，如果數(shù)據(jù)包是完整的，才進(jìn)行解碼操作。
9.一種使用緩存節(jié)點(diǎn)的安全網(wǎng)絡(luò)編碼傳輸裝置，其特征在于，該裝置包括如下組成部分信源信息的發(fā)送端，完成完整性校驗(yàn)碼的計(jì)算和數(shù)據(jù)包的構(gòu)造功能； 中間節(jié)點(diǎn)可以緩存接收到的信息，對(duì)接收到的上游節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)可以暫時(shí)存儲(chǔ)，并傳送至下游節(jié)點(diǎn)，對(duì)于下游節(jié)點(diǎn)接收錯(cuò)誤數(shù)據(jù)發(fā)出請(qǐng)求時(shí)，可以直接把緩存的信息傳送到下游節(jié)點(diǎn)；具有完整性校驗(yàn)的功能；信宿信息的接收端完成完整性校驗(yàn)的功能，并對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解密解碼。
全文摘要
一種使用緩存節(jié)點(diǎn)的安全網(wǎng)絡(luò)編碼方法和裝置，具體包括通過(guò)加密信源信息實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的保密性，使用完整性校驗(yàn)碼來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的完整性檢驗(yàn)的功能。在信源信息加密中，只需要加密其中的一部分信息即可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的保密性功能，這樣間接減少了需要加密的信息數(shù)量。裝置中，中間節(jié)點(diǎn)具有緩存功能，完整性校驗(yàn)是通過(guò)中間節(jié)點(diǎn)檢驗(yàn)、中間節(jié)點(diǎn)重傳的方法實(shí)現(xiàn)的。
文檔編號(hào)H04L1/00GK102571281SQ20121000629
公開(kāi)日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2012年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月9日
發(fā)明者張 林, 柏琳, 紀(jì)越峰, 顧仁濤 申請(qǐng)人:北京郵電大學(xué)