網(wǎng)絡(luò)編碼感知的物聯(lián)網(wǎng)可靠傳輸機(jī)制

引言

物聯(lián)網(wǎng)(InternetofThings)作為當(dāng)前學(xué)術(shù)界最為活躍的一個(gè)概念，受到了學(xué)者們的廣泛關(guān)注。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)作為物聯(lián)網(wǎng)主要的傳輸方式，如何保證其傳輸?shù)目煽啃允俏锫?lián)網(wǎng)研究人員所關(guān)注的一個(gè)問(wèn)題；傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可靠傳輸主要采用丟包一重傳的方式，這種方式保證了網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)目煽啃裕菂s造成了鏈路負(fù)載的增加，如何在保證可靠傳輸?shù)那疤嵯陆档玩溌返拈_(kāi)銷是所需研究的一個(gè)問(wèn)題。

1網(wǎng)絡(luò)編碼結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)編碼(NetworkCoding)自從2000年Ahlswede等人根據(jù)網(wǎng)絡(luò)信息流的概念在文獻(xiàn)中提出后，通過(guò)節(jié)點(diǎn)對(duì)來(lái)自不同鏈路的數(shù)據(jù)包進(jìn)行組合發(fā)送(編碼)的方式達(dá)到最大流理論的極限(該極限被稱為網(wǎng)絡(luò)多播的最大流限)，由于這個(gè)理論值無(wú)法通過(guò)傳統(tǒng)的多播路由機(jī)制實(shí)現(xiàn)，因此網(wǎng)絡(luò)編碼的優(yōu)勢(shì)是非常明顯的，圖1給出了通過(guò)蝶形網(wǎng)絡(luò)來(lái)解釋網(wǎng)絡(luò)編碼如何達(dá)到網(wǎng)絡(luò)多播的最大流限。其中圖1(a)中為傳統(tǒng)的傳輸方式，目的節(jié)點(diǎn)D1和節(jié)點(diǎn)D2分別獲取所需的數(shù)據(jù)包b和a，按照最大流最小割定理，在中間節(jié)點(diǎn)i1處無(wú)法將數(shù)據(jù)包a和數(shù)據(jù)包b同時(shí)傳輸，因此目的節(jié)點(diǎn)將無(wú)法同時(shí)獲取數(shù)據(jù)包a和數(shù)據(jù)包b,而圖1(b)中在節(jié)點(diǎn)i1處將數(shù)據(jù)包a和數(shù)據(jù)包b編碼,再將編碼包a、b廣播出去，這樣在目的節(jié)點(diǎn)處就能通過(guò)解碼的方式同時(shí)獲取所需數(shù)據(jù)包。

物聯(lián)網(wǎng)是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信網(wǎng)后又一次產(chǎn)業(yè)革命，當(dāng)前，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)在很多行業(yè)得到了應(yīng)用，如智能家居、智慧城市等等，因此安全問(wèn)題為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提出了一個(gè)現(xiàn)實(shí)性所需解決的問(wèn)題。麻省理工學(xué)院的Medard認(rèn)為，網(wǎng)絡(luò)編碼在執(zhí)行過(guò)程中偽裝了數(shù)據(jù)，并且能有效地承載數(shù)據(jù)，所以實(shí)際上增強(qiáng)了信息的安全性，要比在網(wǎng)絡(luò)上傳輸不可破譯的算法流的傳統(tǒng)加密技術(shù)更安全。

2網(wǎng)絡(luò)編碼感知的物聯(lián)網(wǎng)可靠傳輸模型

2.1網(wǎng)絡(luò)編碼感知的可靠傳輸模型

網(wǎng)絡(luò)編碼的提出給無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的可靠傳輸提供了一個(gè)新的理念，可靠傳輸一方面包含數(shù)據(jù)的正確接收，同時(shí)還需保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋Ｃ苄?，采用傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式傳輸容易給竊聽(tīng)者機(jī)會(huì)獲取他們所要竊聽(tīng)的消息，圖2所示是網(wǎng)絡(luò)編碼感知的物聯(lián)網(wǎng)可靠傳輸模型。假設(shè)鏈路a、b、c為可信鏈路，而鏈路d為易竊聽(tīng)鏈路，因此，節(jié)點(diǎn)D在接收來(lái)自節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)C的消息時(shí)容易發(fā)生信息泄露。

圖2網(wǎng)絡(luò)編碼感知的物聯(lián)網(wǎng)可靠傳輸模型

圖2中，假設(shè)節(jié)點(diǎn)A要將信息（XXXXXX）發(fā)送到節(jié)點(diǎn)D,同時(shí)節(jié)點(diǎn)C也將信息（OOOOO）發(fā)送到節(jié)點(diǎn)D,而節(jié)點(diǎn)B作為一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)信息，由于節(jié)點(diǎn)A作為節(jié)點(diǎn)D的鄰居節(jié)點(diǎn),因此節(jié)點(diǎn)D能在一跳范圍內(nèi)接收到來(lái)自節(jié)點(diǎn)A的信息，而節(jié)點(diǎn)C在節(jié)點(diǎn)D的兩跳范圍內(nèi)，因此不能直接獲取節(jié)點(diǎn)C的信息，需要節(jié)點(diǎn)B進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，而節(jié)點(diǎn)A也將自己的信息轉(zhuǎn)發(fā)到節(jié)點(diǎn)B，同時(shí)節(jié)點(diǎn)B也將該信息轉(zhuǎn)發(fā)。若采用傳統(tǒng)的存儲(chǔ)一轉(zhuǎn)發(fā)的模式，由于鏈路d存在不安全性，因此竊聽(tīng)人員可以節(jié)點(diǎn)B和節(jié)點(diǎn)D之間就可以竊聽(tīng)到來(lái)自節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)C的信息,這樣就造成了信息的泄漏。如果在節(jié)點(diǎn)B處將來(lái)自節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)C處的信息進(jìn)行處理（編碼），而節(jié)點(diǎn)D處已經(jīng)接收到來(lái)自節(jié)點(diǎn)A的信息,那么節(jié),點(diǎn)B將編碼信息（XXXXXXOOOOO）轉(zhuǎn)發(fā)到節(jié)點(diǎn)D，在節(jié)點(diǎn)D處進(jìn)行解碼，那么就可以獲取節(jié)點(diǎn)C處的信息（OOOOO）。這樣的話，竊聽(tīng)者在鏈路d處只能監(jiān)聽(tīng)到編碼信息（XXXXXXOOOOO）,而由于竊聽(tīng)人員處并沒(méi)有信息（XXXXXX），所以他無(wú)法獲取節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)C處的任何信息，這樣就避免了信息的外泄［1'氣

降低鏈路負(fù)載是提高網(wǎng)絡(luò)性能的一個(gè)有效的方式，如圖2所示采用傳統(tǒng)的存儲(chǔ)一轉(zhuǎn)發(fā)模式，節(jié)點(diǎn)B將轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)自節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)C的信息，造成了在節(jié)點(diǎn)D處重復(fù)接收來(lái)自節(jié)點(diǎn)A的信息，這樣就造成了鏈路開(kāi)銷的增加。若采用網(wǎng)絡(luò)編碼感知的方式，在節(jié)點(diǎn)B處將數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，這樣在鏈路d處能通過(guò)傳輸一次編碼包的方式就能夠?qū)崿F(xiàn)目的節(jié)點(diǎn)接收所需信息。因此，采用基于編碼感知的傳輸方式就降低了鏈路的開(kāi)銷,避免了重復(fù)信息的發(fā)送，從而達(dá)到了提升網(wǎng)絡(luò)容量的目的。2.2網(wǎng)絡(luò)編碼感知物聯(lián)網(wǎng)可靠傳輸算法

物聯(lián)網(wǎng)的傳輸方式都依靠無(wú)線模式傳輸，而無(wú)線傳輸若不依靠適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)，很容易被黑客竊取和干擾，這樣對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)的安全會(huì)造成很大的影響，與此，物聯(lián)網(wǎng)主要通過(guò)人遠(yuǎn)程控制的方式完成對(duì)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的操作，因此黑客就能夠很輕松的獲取信息或者遠(yuǎn)程操控，這樣就給物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用造成了很大的危害性。

本文介紹了網(wǎng)絡(luò)編碼感知的可靠傳輸方式。實(shí)際上，在實(shí)際的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境中，圖3所示為用戶遠(yuǎn)程控制智能家居的模式圖，智能設(shè)備中保存著用戶1的控制信息，假設(shè)用戶2要對(duì)智能設(shè)備發(fā)送控制命令，按照傳統(tǒng)的傳輸方式，Server處將用戶2的控制信息轉(zhuǎn)發(fā)到智能設(shè)備即可，而如果存在潛在的危險(xiǎn)用戶，在Server給智能設(shè)備發(fā)送信息處能夠截取指令,并且將指令更改，那么這樣就可能會(huì)對(duì)設(shè)備造成不可挽回的損失。在圖3中，用戶2要將關(guān)機(jī)指令發(fā)送到智能設(shè)備，若采用傳統(tǒng)的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)模式，黑客即可截取用戶2的指令將其改為斷電指令，這樣智能設(shè)備就有可能造成數(shù)據(jù)丟失或者設(shè)備損壞等后果；采用網(wǎng)絡(luò)編碼感知的方式，在中繼節(jié)點(diǎn)處通過(guò)計(jì)算得出在智能設(shè)備處能夠解碼的結(jié)果，這樣就在中繼節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行編碼操作，那么在智能設(shè)備處通過(guò)解碼計(jì)算就能夠獲取用戶2的指令，而黑客即使截取到中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的指令將錯(cuò)誤指令轉(zhuǎn)發(fā)到智能設(shè)備，而在智能設(shè)備處無(wú)法解碼獲取信息（智能設(shè)備將該指令作為編碼包處理），這樣采用網(wǎng)絡(luò)編碼感知的無(wú)線傳輸模式，降低了黑客竊聽(tīng)的危險(xiǎn)程度（竊聽(tīng)到編碼包無(wú)法解碼，因而無(wú)法獲取所需的信息），同時(shí)保證了物聯(lián)網(wǎng)中智能設(shè)備操作的安全性。下面介紹網(wǎng)絡(luò)編碼感知的物聯(lián)網(wǎng)可靠傳輸算法：

Stepl:中繼節(jié)點(diǎn)（例如物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用過(guò)程中的服務(wù)器）收集周圍智能設(shè)備已存在的指令，保存在自己的存儲(chǔ)中，并將每個(gè)指令標(biāo)記出處（記錄周圍設(shè)備的硬件地址）;

Step2:中繼節(jié)點(diǎn)接收到來(lái)自遠(yuǎn)程的控制命令時(shí)，查找自己保存的周圍節(jié)點(diǎn)的信息表，若存在該指令的目的節(jié)點(diǎn)則從其指令表中隨機(jī)選擇一個(gè)指令跟遠(yuǎn)程的控制命令進(jìn)行編碼，并將該編碼指令發(fā)送到指定智能設(shè)備，這樣就完成了編碼信息的組建與發(fā)送；

Step3:目的智能設(shè)備接收到來(lái)自中繼節(jié)點(diǎn)的編碼信息,將遍歷自己存儲(chǔ)中已有的指令信息，并且各自與編碼信息進(jìn)行解碼運(yùn)算，直到將編碼信息完成解碼，這樣目的設(shè)備就獲取了來(lái)自遠(yuǎn)程的控制命令。

3結(jié)語(yǔ)

本文首先介紹了物聯(lián)網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)編碼的相關(guān)概念，以物聯(lián)網(wǎng)在應(yīng)用過(guò)程中存在的問(wèn)題作為切入點(diǎn)，研究了物聯(lián)網(wǎng)在日常應(yīng)用中實(shí)際存在的安全問(wèn)題，最后以此為基礎(chǔ)提出了網(wǎng)絡(luò)編碼感知的物聯(lián)網(wǎng)可靠傳輸機(jī)制。

隨著物聯(lián)網(wǎng)的日益發(fā)展，安全性是其應(yīng)用過(guò)程中考慮的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，如何保證物聯(lián)網(wǎng)安全應(yīng)用是學(xué)者專家研究的一個(gè)主要課題，利用網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)解決網(wǎng)絡(luò)安全是業(yè)界提出的一個(gè)新的研究方向，相信在不久的將來(lái)，網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)在解決物聯(lián)網(wǎng)安全性問(wèn)題上能夠得到了更為廣泛的應(yīng)用。

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