多播传输网络中的系统模型和网络编码方案

一个基础网络由若干移动设备（MDs）和一个安全中心服务器（SCS）组成，其中一个移动设备作为源节点。安全中心服务器为每个移动设备提供安全密钥，而源节点以多播的方式向目的节点传输数据。在本章的方案中，主要考虑一种通用的多播传输网络，在该网络中，有一个源节点、多个目的节点和大量中继节点，同时有一个可信安全中心服务器节点。源节点S向所有的目的节点发送消息，而中继节点使用线性网络编码方案来生成编码消息并进行转发。如图6-1所示，中心服务器向网络中所有节点预分发密钥，当新的节点加入网络后，该节点需要向中心服务器注册密钥。特别地，该方案认为中心服务器是可信安全的。

图6-1　多播传输网络模型

用M1，…，Mn表示源消息，n表示源节点S在单位时间内以最优速率发出的消息数量。在该方案中，认定源节点S能持续地生成和发送消息。也就是说，源节点S在单位时间内生成n个消息并编码发送，而中继节点使用相同的编码方法对消息进行转发。例如，当中继节点X收到m个数据包M1，…，Mm，该m个数据包是源节点S对应源数据包的线性组合，那么中继节点随机选取m个编码系数α1，…，αm，对这m个消息进行线性组合以生成新的编码消息y，y=，并将其传输给下一跳节点。同时，这些编码系数附加在对应数据内进行传输。因此，中继节点或者目的节点能使用编码系数对收到的消息进行验证。

在该方案中，主要使用文献[9]中用到的模型，并且将每个消息切割成l个具有相同长度的码字。特别地，每个码字是256位。在现有的方案中，每个码字是有限域q上的一个随机元素。同时，消息是在同一个有限域上进行编码的。不过，该方案将消息划分为码字只是为了生成消息验证码。因此，划分码字的有限域并不是码字被编码操作对应的有限域。

一旦消息被划分为码字，每个源消息Mi（i=1，…，n）能形式化为一个向量Mi=（mi，1，mi，2，…，mi，m），在这里，mi，j（j=1，…，m）表示码字。因此，一个编码消息E可以形式化为E=（e1，e2，…，em），ej（j=1，…，m）表示码字。这个过程描述见图6-2所示。(www.xing528.com)

图6-2　消息编码过程图

在网络编码网络中，如果一个节点是恶意的，那么其所有下游节点都将被污染。如图6-3所示，如果节点P是恶意节点，其下游节点Q和I将会被污染。而且，目的节点J和K将不能恢复源消息。因此，在污染进一步传输之前被检测出来就显得十分重要。根据图6-2所示的消息编码过程图，如果节点P是恶意节点，它将生成恶意消息eP＇，并发送给下游节点Q和I。当节点Q（或者I）收到消息eP＇，它将消息eP＇和自己的消息eQ（或者eI）进行组合操作以形成传输数据c1eP＇+c2eQ（或者c3eP＇+c4eI）。由于链路Q→J（或者I→K）上的消息是被污染的，目的节点J（或者K）将必然不能解码获得源消息。

图6-3　网络编码中污染攻击示意图

同时，该方案假定所有节点都是有分发密钥的。特别地，每个节点对应的密钥是从一个大的密钥池随机选取的。源节点S使用其密钥为发送消息生成MACs值，且中继节点通过验证消息验证码对收到的消息进行验证。