基于入侵容忍的网络编码性能研究

When the information is transmitted with a high quality and security, how to keep the performance of network coding in a reasonable level？This problem has become a critical problem in wireless network communication that need to be solved urgently. Aiming at the prominent problems of network performance (such as throughput and energy overhead), security and fault tolerance exist in previous network coding research schemes, the objective of this program is to address the performance maintenance problem of intrusion tolerance based network coding by combining the information theory with compressed sensing theory, reduce the performance cost of secure network coding scheme that need to be sacrificed and expand the application area and capacity of network coding. The research contents include the fault tolerance and security of network coding and the compressed sensing based fault tolerance and security of network coding; the objective is to improve data transmission rate of network, solve the dropping, pollution and eavesdropping attacks problems, meanwhile, network system possesses low decoding complexity for recovering the original information. The research results will establish a solid foundation for secure, efficient and fault tolerant network coding, they also will provide important theoretical reference value and application value for many fields such as CPS, wireless ad hoc networks, wireless sensor networks and wireless mesh networks.

在保证信息高质量和高安全性传输的同时，使网络编码性能处于合理可接受范围，已成为当今无线网络通信亟待解决的关键问题。本课题拟针对网络编码在吞吐量、能耗等系统性能及容错性安全性方面存在的突出问题，结合信息论、压缩感知理论解决入侵容忍网络编码中的性能保持问题，降低安全网络编码方案所需付出的网络性能下降的代价，以有效扩展网络编码的应用范围和能力。研究内容主要包括：网络编码容错性能和抵抗恶意攻击的安全性研究、融合压缩感知的网络编码容错与安全机制的研究，以提高网络系统的数据传输率，解决数据传输过程面临的丢包、污染和窃听攻击问题，同时能以较低的信息解码复杂度恢复出源信息。研究结果将为建立安全、高效和具有容错功能的网络编码奠定基础，对CPS、无线自组织网络、无线传感器网络和无线Mesh网络等诸多领域具有重要的理论参考价值和应用价值。

针对当前网络安全研究方案注重预防机制的研究而忽略了当网络遭受攻击时如何使网络继续顺利运行的研究，同时针对现有安全网络编码方案在保证信息传输可靠和安全性的情况下，网络性能不容乐观。本项目以入侵容忍为基础开展网络编码方案的研究，首先，构建了一个具有入侵容忍能力的网络编码方案用于抵抗恶意攻击者。该方案确保了传输信息的完全可靠且保证信息理论安全于攻击者，并对网络传输包长度大小的要求更加接近于实际通信网络中数据包的长度即本研究方案更适合于实际应用。.其次，为了克服网络编码理论自身局限性所导致的性能瓶颈问题，构建了基于入侵容忍的压缩网络编码方案用于克服网络编码理论的局限性。当由信息丢失和错误所导致误差矩阵的秩没有超过某个特定上限，该方案能容忍这些信息擦除与错误，在保证良好压缩增益基础上能以较高精度重建出原始信息，并且在重构过程中重建精度呈现平稳衰退特性。在容侵性和网络性能方面，优于其他传统网络编码方案。.再者，为了可有效借鉴网络编码和压缩感知各自现存的成熟、高效的编/解码算法，建立了异域相容变换方法用于融合网络编码和压缩感知，使得网络编码与压缩感知协同编码机制能执行于不同的数据域之间。同时，提出了一个面向入侵容忍的网络编码解码机制用于纠正传输过程中发生的错误与擦除问题。虽然网络编码的解码误差是存在的，但压缩感知的重构过程可以进一步降低这种误差，使得汇聚节点中的相对重建误差足够的小。.最后，通过建立观测矩阵优化模型，求解相应的优化问题，构建了基于观测矩阵优化的轻量级压缩网络编码方案用于进一步改善基于压缩网络编码网络性能的目的。相比于其他研究方案，本方案通过优化观测矩阵、传感节点独立编码与目的节点联合译码思想实现了更低的重构误差。与基于JSM(Joint Sparsity Model)的空时压缩方案相比，本方案通过逐步挖掘原始传感数据的空时相关性，使得计算复杂度更低。此外，作为对上述研究内容的补充，项目组也开展了压缩感知稀疏表示理论、入侵检测数据分析、拥塞控制及无线中继等技术的研究。.上述研究结果为建立安全、高效和具有容错功能的网络编码奠定了坚实的理论基础，对CPS、无线自组织网络、无线传感器网络和无线Mesh网络等诸多领域具有重要的理论参考和应用价值。