CN107770077B - 一种基于网络编码的信息论安全多播路由选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于网络编码的可满足信息论安全要求的多播路由选择方法，包括：获取基于网络编码的通信网络及其上的多播的参数，所述参数包括：路由器节点集合、多播源节点和所有目的节点、节点间链路连接信息、每条链路容量；根据所述获取的参数将基于网络编码的通信网络表示为有向图；根据所述有向图建立基于网络编码的安全多播通信路由选择的数学模型；对所述数学模型进行求解；获取最大可达安全数据传输速率以及相应的最优路由选择方案。本发明使得多播通信中的传输路径所经过的中间路由节点上能够达到信息论安全的要求，使安全数据传输速率达到最优，从而提供良好的安全性，提高网络吞吐率，降低整个网络所需的带宽。

Description

一种基于网络编码的信息论安全多播路由选择方法

技术领域

本发明涉及网络编码在多播通信领域的应用，尤其涉及基于网络编码多播通信中满足信息论安全要求的一种路由选择方法。

背景技术

随着信息时代的到来和迅猛发展，网络通信成为了日常生活不可或缺的一部分。不断涌现出的多种多样的网络应用和服务使得网络用户的数量和网络用户对带宽的需求持续增长，并导致了网络中数据流量的激增。因此，降低带宽消耗，提高网络吞吐率，提高网络资源的利用率十分重要。与此同时，由于网络中用户数量和数据流量的激增，对网络中传输的信息的安全要求也变得更为迫切。传统的通信网络中的多播采用“存储—转发”的方式进行数据传输，这也是目前计算机网络领域使用的最为广泛的技术之一，然而，采用存储转发的方式并不能很好地降低带宽、提高网络吞吐率，并且不能提供很好的安全性。

已有的关于网络编码技术的研究表明，网络编码在吞吐率优化、负载均衡、系统鲁棒性、节能、信息安全等方面均具有优势。基于网络编码的通信网络中的多播通常包括：一个发送数据（或编码并发送数据）的源节点，多个等待接收数据的目的节点，以及一组用于转发（或编码并转发）接收到的数据的中间路由节点。基于网络编码技术的多播理论上其吞吐率可达到信息传输的理论上限，即源节点到各个目的节点的最大流的最小值。然而在传统的多播通信中是很难达到该上限的。并且，传统的数据传输方式仅能对收到的信号进行复制、放大和转发，而无法抵抗网络通信中的安全攻击，提供可靠的安全性。

因此，如何提高网络通信的吞吐率，抵抗各种攻击、增强安全性，是网络数据传输中需要解决的问题。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种基于网络编码的信息论安全多播路由选择方法，在网络通信中多播情况下，保障安全数据传输，尤其是针对内部节点窃听的被动攻击情况下使得网络中的安全数据传输速率能够达到最大。

为达到上述发明目的，本发明的总体构思是：针对内部节点窃听的被动攻击情况，即考虑网络中除多播的源节点和目的节点以外的所有中间节点均独立的对流经自身的数据进行分析，试图解码得到原始数据的情况，选取网络拓扑中合适的路由节点，使得网络中的安全数据传输速率能够达到最大。

具体地，本发明采用的技术方案是：一种基于网络编码的可满足信息论安全要求的多播路由选择方法，包括：

A：获取基于网络编码的通信网络及其上的多播的参数，所述参数包括：路由器节点集合、多播源节点和所有目的节点、节点间链路连接信息、每条链路容量；

B：根据所述获取的参数将基于网络编码的通信网络表示为有向图，具体方法为：

在网络中，如果两个节点之间存在通信链路，则在两个节点之间连接一条链路，并根据链路信息给出通信链路上的数据传输方向，这些链路均属于链路集合E，重复该过程直至所有符合条件的链路连接完毕；

C：根据所述有向图建立基于网络编码的安全多播通信路由选择的数学模型；

D：对所述数学模型进行求解；

E：获取最大可达安全数据传输速率以及相应的最优路由选择方案。

上述技术方案中，所述根据所述有向图建立基于网络编码的安全多播通信路由选择方法的数学模型包括以下步骤：

C1：对已知参数进行定义，所述已知参数包括：所有的节点集合、源节点、目的节点集合、中间节点集合、所有的有向边的集合、节点的上游邻居节点集合、节点的下游邻居节点集合、有向边上的容量限制；

C2：对变量进行定义，所述变量为：为满足数据传输的信息论安全的要求，而在数据发送端的源节点路由器上生成随机信息的速率、源节点和任意一个目的节点之间的最大数据传输速率、整个网络的最大容量、有向边上可经过的流量、从源节点到任意一个目的节点的流、每条数据流在某条边上的流量；

C3：利用所述定义的参数和变量构建目标函数，最大化安全数据传输速率，并构建约束条件，所述约束条件用于保证进出每个中间路由器的数据流量守恒、保证源节点发出点数据和目的节点上收到的数据流量守恒、控制整个网络的最大可达安全数据传输速率、控制每条边上的流量限制、以及保证每个可能进行窃听攻击的中间节点上能够达到信息论安全的要求。

上述技术方案中，D中，采用整数线性规划求解方法求解数学模型。

优选地，所述整数线性规划求解方法为隐枚举法、分枝定界法或割平面法。

上述技术方案中，基于网络编码的通信网络的参数根据网络的布置状况获取、根据网络中的通信数据量获取和根据需要满足的安全要求信息获取。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

本发明提供的基于网络编码的信息论安全多播最优路由选择方法，综合考虑了采用网络编码进行多播通信和通信中中间节点独立窃听攻击下的信息论安全要求，本发明提供的方法使得多播通信中的传输路径所经过的中间路由节点上能够达到信息论安全的要求，并且使得安全数据传输速率达到最优，从而提供良好的安全性，提高网络吞吐率，降低整个网络所需的带宽。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于网络编码的信息论安全多播最优路由选择方法的流程图；

图2为基于网络编码的通信网络及多播实例；

图3为根据图2中的实例构建的有向图；

图4为根据本发明实施例提供的方法进行仿真的仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例：

多播通信作为一种重要的数据通信方式，一直以来是网络数据通信领域的重点研究方向之一。然而，在多播通信模式下，将传输拓扑选择和安全线性网络编码设计两个问题相结合，最优化信息论安全需求下的数据传输吞吐率，尚未有相关发明实施例。

网络编码自身的特性使得它在吞吐率优化、负载均衡、系统鲁棒性、节能、信息安全等方面均具有优势。尤其，在网络中使用网络编码，不仅可以使多播通信的数据传输吞吐率可达信息传输的理论上限，从而提高网络资源的利用率，而且可以抵抗各种攻击，提高网络的安全性。而网络中的路由选择情况将直接影响到网络中数据传输速率的大小，即整个网络的吞吐率，以及数据传输过程中能否满足安全的要求。所以，在基于网络编码的网络中的安全多播通信路由选择方法问题是提高安全多播传输速率、保障数据传输的安全性的一个关键问题。

本发明实施例提供了一种基于网络编码的多播通信中可以满足信息论安全要求的路由选择方法，该方法将传输拓扑选择和安全线性网络编码设计两者结合考虑，使得在多播的安全数据传输速率能够达到最优。在发明中所涉及的攻击模型为：网络中除多播的源节点和目的节点以外的所有中间节点均独立的对流经自身的数据进行分析，试图解码得到原始数据的情况。多播的安全数据传输速率为：基于网络编码的多播在满足信息论安全的前提下，该多播的每个目的节点接收速率的最小值。图1为本发明实施例提供的基于网络编码的多播通信中可以满足信息论安全要求的路由选择方法的流程图，该方法包括：

S11：获取基于网络编码的通信网络的参数。

获取基于网络编码的通信网络的参数具体为：

根据多播和通信网络的布置情况获取以下参数：路由器节点集合、多播源节点和所有目的节点、节点间链路连接信息（链路存在于哪些节点之间）、每条链路容量（以数据包个数每秒为单位）。

S12：根据步骤S11中获取的参数将基于网络编码的信息论安全通信网络拓扑表示为有向图G，

。

其中，V表示有向图G的节点集合，节点集合包括：数据发送端的源节点、数据接收的所有目的节点以及网络中的所有路由节点集合；E表示有向图G的链路集合。

图2给出了一个基于网络编码的通信网络中多播的实例，其中包括1个发送数据的源节点、3个接收数据的目的节点、8个路由节点，其中在源节点上可生成与原始数据等长的随机内容的数据，称之为随机信息，并且在源节点和中间路由节点上可以进行对原始数据和随机信息的进行网络编码产生编码包。

将基于网络编码的通信网络表示为有向图G具体为：

S121：将通信网络表示为有向图。

将通信网络表示为有向图具体为：在通信网络中，判断两个节点之间是否存在通信链路，如果是，则在两个节点之间连接一条链路，并根据链路信息给出通信链路上的数据传输方向，如果否，则在两个路由器节点之间不连接任何链路，这些链路均属于链路集合E。例如，通信网络中的节点u和节点v之间存在一条从u到v的通信链路，则在它们之间存在一条从u到v的有向链路

，并设置边

上的容量限制为该链路的容量。

重复上述步骤S121直至所有符合条件的链路连接完毕。

在图2给出的实例中，通信网络中共12个节点，相应的，在其对应的有向图中有12个节点。图3为根据图2的实例构建的有向图的示意图。

因此，图3即为根据图2的实例构建的有向图。

S13：根据有向图G构建基于混合整数线性规划的最优路由选择方法的数学模型。

线性规划是目标函数和约束条件都是线性的最优化问题，被大量用于解决极大化或极小化之类的实际当中的最优化问题。混合整数线性规划是线性规划的一种，其部分未知数为整数，其它未知数为实数。

在本实施例中，根据有向图G构建基于混合整数线性规划的最优路由选择方法的数学模型包括如下步骤：

S131：对已知参数进行定义。

由于通信网络中的数据传输需考虑信息论安全的要求，因此，本发明考虑在数据发送端的源节点路由器上生成随机信息原始数据进行编码。

在本实施例中，对以下参数进行定义：所有的节点集合V、源节点s、目的节点集合D，

、中间节点集合I，

、所有的有向边的集合E，从节点u到节点v的有向边

，

、节点v的上游邻居节点集合N_u(v)、节点v的下游邻居节点集合N_d(v)、边

上的容量限制

。

S132：对变量进行定义。

在本实施例中，对以下变量进行定义：随机信息生成速率r、在有向图G上，源节点s和目的节点di（

）之间的最大数据传输速率wi、有向图G上多播的最大传输速率w、有向边

（

）上的流量

、从源节点s到目的节点di（

）的流

、流

在边

上的流量

。

S133：构建基于混合整数线性规划的最优路由选择方法的数学模型。

构建模型如下：

目标函数为：

(1)

式(1)为目标函数，最大化网络中安全数据传输速率，它是整个网络中能够满足所有中间节点达到信息论安全要求时该多播可达的最大数据传输速率，其中w是多播传输速率，因为随机消息的加入，所以实际的数据传输速率应为多播传输速率减去随机消息的传输速率，即w-r。

约束条件为：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式(2)-(8)为约束条件，其中，式(2)是为了控制整个网络的最大可达容量约束；式(3)和式(4)是给出边集合E中每条边上的流量限制，即因为在使用网络编码的传输方式进行多播时，每条边上传输的编码包是任意目的节点间共享的，所以在每条边上传输的实际流量大小是该边上的最大流的值而非流量之和；式(5)-(7)用于保证整个网络的数据传输满足流守恒定律；式(8)用于保证每个可能进行窃听攻击的中间节点上能够达到信息论安全的要求。

S14：利用整数线性规划求解方法进行求解得出最优路由选择方法。

在本实施例中，采用CPLEX线性规划求解器直接求解。根据求解器得出的结果，可从结果中所有变量

的值情况得到选择的路由情况，即，每条链路

上的传输速率为

。

针对本发明提出的方法，通过AMPL语言描述本发明中的混合整数线性规划，并使用CPLEX线性规划求解器求解。在仿真实验中，对包含20至80个节点的网络进行了实验，其中，包含1个发送数据的源节点，以及总路由器节点个数的四分之一数目的目的节点。路由器节点之间的有向链路容量设置为20至40之间的随机数。

表1和图4为仿真结果，其中表1为利用本发明实施例提供的方法得到的路由方法所达到的最大安全数据传输速率与随机选择路由方法所支持的最大安全数据传输速率的数值比较，图4把表1中的仿真结果通过折线图进行了直观展示。

表1

总节点数目	目的节点数目	随机选择方案所达到的最大安全数据传输速率	实施例方案下所达到的最大安全数据传输速率
				20	5	10	21
40	10	33	63
				60	15	42	84
80	20	89	155

表1和图4比较了在本发明所述最优路由选择方案和在随机路由选择方案下，网络中多播能够达到信息论安全要求的最大数据传输速率。从表1和图4中可以看出，随着通信网络中的总节点数目的增加，最大数据传输速率在随机方案和本发明所述的最优路由选择方案下都在增加，但是，在本发明所述的基于网络编码的最优多播路由选择方案下的网络吞吐率约比随机路由选择方案下的网络吞吐率高1倍。

本发明实施例提供的最优路由选择方案考虑了在基于网络编码的通信网络中的多播通信，考虑信息论安全的要求下进行数据传输。由于网络编码自身的特征，使其不仅能够提高网络通信的吞吐率，而且可以抵抗各种攻击，增强安全性。而在使用网络编码的方式进行多播传输时，选择合适的路由传输路径能够使得数据传输的过程中，网络带宽得到合理的利用，从而使得整个网络能够负载均衡，提高网络的吞吐率，并保障安全性要求。

此外，本发明使用了整数线性规划技术，且该规划中含有较少的实数变量，因此可以方便有效地利用现有的各种成熟的整数线性规划求解法得到问题的最优路由选择方案；本发明提供的方法具有很好的应用价值，可用于指导基于网络编码的通信网络中信息论安全要求下的数据传输时的最优路由选择方案，在节约网络资源的同时最大化网络利用效率，同时，对网络编码设计等具有指导意义。

Claims (4)

1.一种基于网络编码的可满足信息论安全要求的多播路由选择方法，包括：

A：获取基于网络编码的通信网络及其上的多播的参数，所述参数包括：路由器节点集合、多播源节点和所有目的节点、节点间链路连接信息、每条链路容量；

B：根据所述获取的参数将基于网络编码的通信网络表示为有向图，具体方法为：

在网络中，如果两个节点之间存在通信链路，则在两个节点之间连接一条链路，并根据链路信息给出通信链路上的数据传输方向，这些链路均属于链路集合E，重复该过程直至所有符合条件的链路连接完毕；

C：根据所述有向图建立基于网络编码的安全多播通信路由选择的数学模型；

D：对所述数学模型进行求解；

E：获取最大可达安全数据传输速率以及相应的最优路由选择方案；

其中根据所述有向图建立基于网络编码的安全多播通信路由选择方法的数学模型包括以下步骤：

C1：对已知参数进行定义，所述已知参数包括：所有的节点集合V、源节点s、目的节点集合D，

、中间节点集合I，

、所有的有向边的集合E，从节点u到节点v的有向边

，

、节点v的上游邻居节点集合N_u(v)、节点v的下游邻居节点集合N_d(v)、边

上的容量限制

；

C2：对变量进行定义，所述变量为：随机信息生成速率r、在有向图G上，源节点s和目的节点di之间的最大数据传输速率wi、有向图G上多播的最大传输速率w、有向边

上的流量

、从源节点s到目的节点di的流

、流

在边

上的流量

；

C3：利用所述定义的参数和变量构建目标函数，最大化安全数据传输速率，并构建约束条件如下：

目标函数为：

(1)

约束条件为：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式(2)-(8)为约束条件，其中，式(2)是为了控制整个网络的最大可达容量约束；式(3)和式(4)是给出边集合E中每条边上的流量限制，即因为在使用网络编码的传输方式进行多播时，每条边上传输的编码包是任意目的节点间共享的，所以在每条边上传输的实际流量大小是该边上的最大流的值而非流量之和；式(5)-(7)用于保证整个网络的数据传输满足流守恒定律；式(8)用于保证每个可能进行窃听攻击的中间节点上能够达到信息论安全的要求。

2.根据权利要求1所述的基于网络编码的可满足信息论安全要求的多播路由选择方法，其特征在于：D中，采用整数线性规划求解方法求解数学模型。

3.根据权利要求2所述的基于网络编码的可满足信息论安全要求的多播路由选择方法，其特征在于：所述整数线性规划求解方法为隐枚举法、分枝定界法或割平面法。

4.根据权利要求1所述的基于网络编码的可满足信息论安全要求的多播路由选择方法，其特征在于：基于网络编码的通信网络的参数根据网络的布置状况获取、根据网络中的通信数据量获取和根据需要满足的安全要求信息获取。

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