網絡編碼感知的物聯網可靠傳輸機制

摘 要：隨著物聯網的發展，如何保證物聯網傳輸的可靠性是業界研究的關鍵問題之一，而網絡編碼技術的提出在傳輸容量上達到了理論的極大值，傳統的存儲—轉發模式在傳輸過程中極易造成信息的泄漏，利用網絡編碼的思想取代傳統的物聯網傳輸模式，可以避免信息的外泄。文章以物聯網在傳輸過程中存在的一些安全問題作為出發點，從而引出了網絡編碼在物聯網傳輸過程中產生的安全效應，最后提出了網絡編碼感知的物聯網可靠傳輸的機制。

關鍵詞：物聯網；網絡編碼；可靠傳輸；信息安全

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2014）01-0052-03

0 引 言

物聯網（Internet of Things）作為當前學術界最為活躍的一個概念，受到了學者們的廣泛關注[4]。無線網絡作為物聯網主要的傳輸方式，如何保證其傳輸的可靠性是物聯網研究人員所關注的一個問題；傳統的無線網絡可靠傳輸主要采用丟包—重傳的方式，這種方式保證了網絡信息傳輸的可靠性，但是卻造成了鏈路負載的增加，如何在保證可靠傳輸的前提下降低鏈路的開銷是所需研究的一個問題。

1 網絡編碼結構

網絡編碼（Network Coding）自從2000年Ahlswede等人根據網絡信息流的概念在文獻[2]中提出后，通過節點對來自不同鏈路的數據包進行組合發送（編碼）的方式達到最大流理論的極限（該極限被稱為網絡多播的最大流限），由于這個理論值無法通過傳統的多播路由機制實現，因此網絡編碼的優勢是非常明顯的，圖1給出了通過蝶形網絡來解釋網絡編碼如何達到網絡多播的最大流限。其中圖1（a）中為傳統的傳輸方式，目的節點D1和節點D2分別獲取所需的數據包b和a，按照最大流最小割定理，在中間節點i1處無法將數據包a和數據包b同時傳輸，因此目的節點將無法同時獲取數據包a和數據包b，而圖1 （b）中在節點i1處將數據包a和數據包b編碼，再將編碼包a、b廣播出去，這樣在目的節點處就能通過解碼的方式同時獲取所需數據包。

物聯網是繼計算機、互聯網和移動通信網后又一次產業革命，當前，物聯網已經在很多行業得到了應用，如智能家居、智慧城市等等，因此安全問題為物聯網應用提出了一個現實性所需解決的問題。麻省理工學院的Medard認為，網絡編碼在執行過程中偽裝了數據，并且能有效地承載數據，所以實際上增強了信息的安全性，要比在網絡上傳輸不可破譯的算法流的傳統加密技術更安全。

2 網絡編碼感知的物聯網可靠傳輸模型

2.1 網絡編碼感知的可靠傳輸模型

網絡編碼的提出給無線網絡的可靠傳輸提供了一個新的理念，可靠傳輸一方面包含數據的正確接收，同時還需保證數據傳輸的保密性，采用傳統的點對點方式傳輸容易給竊聽者機會獲取他們所要竊聽的消息，圖2所示是網絡編碼感知的物聯網可靠傳輸模型。假設鏈路a、b、c為可信鏈路，而鏈路d為易竊聽鏈路，因此，節點D在接收來自節點A和節點C的消息時容易發生信息泄露。

圖2中，假設節點A要將信息（XXXXXX）發送到節點D，同時節點C也將信息（OOOOO）發送到節點D，而節點B作為一個中繼節點負責信息，由于節點A作為節點D 的鄰居節點，因此節點D能在一跳范圍內接收到來自節點A的信息，而節點C在節點D 的兩跳范圍內，因此不能直接獲取節點C 的信息，需要節點B進行轉發，而節點A也將自己的信息轉發到節點B，同時節點B也將該信息轉發。若采用傳統的存儲—轉發的模式，由于鏈路d存在不安全性，因此竊聽人員可以節點B和節點D之間就可以竊聽到來自節點A和節點C的信息，這樣就造成了信息的泄漏。如果在節點B處將來自節點A和節點C處的信息進行處理（編碼），而節點D處已經接收到來自節點A的信息，那么節點B將編碼信息（XXXXXXOOOOO）轉發到節點D，在節點D處進行解碼，那么就可以獲取節點C處的信息（OOOOO）。這樣的話，竊聽者在鏈路d處只能監聽到編碼信息（XXXXXXOOOOO），而由于竊聽人員處并沒有信息（XXXXXX），所以他無法獲取節點A和節點C處的任何信息，這樣就避免了信息的外泄[1，3]。

降低鏈路負載是提高網絡性能的一個有效的方式，如圖2所示采用傳統的存儲—轉發模式，節點B將轉發來自節點A和節點C的信息，造成了在節點D處重復接收來自節點A的信息，這樣就造成了鏈路開銷的增加。若采用網絡編碼感知的方式，在節點B處將數據進行編碼，這樣在鏈路d處能通過傳輸一次編碼包的方式就能夠實現目的節點接收所需信息。因此，采用基于編碼感知的傳輸方式就降低了鏈路的開銷，避免了重復信息的發送，從而達到了提升網絡容量的目的。

2.2 網絡編碼感知物聯網可靠傳輸算法

物聯網的傳輸方式都依靠無線模式傳輸，而無線傳輸若不依靠適當的保護，很容易被黑客竊取和干擾，這樣對于物聯網的安全會造成很大的影響，與此，物聯網主要通過人遠程控制的方式完成對物聯網系統的操作，因此黑客就能夠很輕松的獲取信息或者遠程操控，這樣就給物聯網的應用造成了很大的危害性。

本文介紹了網絡編碼感知的可靠傳輸方式。實際上，在實際的物聯網應用環境中，圖3所示為用戶遠程控制智能家居的模式圖，智能設備中保存著用戶1的控制信息，假設用戶2要對智能設備發送控制命令，按照傳統的傳輸方式，Server處將用戶2的控制信息轉發到智能設備即可，而如果存在潛在的危險用戶，在Server給智能設備發送信息處能夠截取指令，并且將指令更改，那么這樣就可能會對設備造成不可挽回的損失。在圖3中，用戶2要將關機指令發送到智能設備，若采用傳統的存儲轉發模式，黑客即可截取用戶2的指令將其改為斷電指令，這樣智能設備就有可能造成數據丟失或者設備損壞等后果；采用網絡編碼感知的方式，在中繼節點處通過計算得出在智能設備處能夠解碼的結果，這樣就在中繼節點處進行編碼操作，那么在智能設備處通過解碼計算就能夠獲取用戶2的指令，而黑客即使截取到中繼節點轉發的指令將錯誤指令轉發到智能設備，而在智能設備處無法解碼獲取信息（智能設備將該指令作為編碼包處理），這樣采用網絡編碼感知的無線傳輸模式，降低了黑客竊聽的危險程度（竊聽到編碼包無法解碼，因而無法獲取所需的信息），同時保證了物聯網中智能設備操作的安全性。下面介紹網絡編碼感知的物聯網可靠傳輸算法：

Step1：中繼節點（例如物聯網應用過程中的服務器）收集周圍智能設備已存在的指令，保存在自己的存儲中，并將每個指令標記出處（記錄周圍設備的硬件地址）；

Step2：中繼節點接收到來自遠程的控制命令時，查找自己保存的周圍節點的信息表，若存在該指令的目的節點則從其指令表中隨機選擇一個指令跟遠程的控制命令進行編碼，并將該編碼指令發送到指定智能設備，這樣就完成了編碼信息的組建與發送；

Step3：目的智能設備接收到來自中繼節點的編碼信息，將遍歷自己存儲中已有的指令信息，并且各自與編碼信息進行解碼運算，直到將編碼信息完成解碼，這樣目的設備就獲取了來自遠程的控制命令。

3 結 語

本文首先介紹了物聯網和網絡編碼的相關概念，以物聯網在應用過程中存在的問題作為切入點，研究了物聯網在日常應用中實際存在的安全問題，最后以此為基礎提出了網絡編碼感知的物聯網可靠傳輸機制。

隨著物聯網的日益發展，安全性是其應用過程中考慮的一個關鍵問題，如何保證物聯網安全應用是學者專家研究的一個主要課題，利用網絡編碼技術解決網絡安全是業界提出的一個新的研究方向，相信在不久的將來，網絡編碼技術在解決物聯網安全性問題上能夠得到了更為廣泛的應用。

參 考 文 獻

[1] ZHAO Yun-long， KANG Shi-long， IWAI M， et al. Network coding-based network coding recovery scheme [C]// Proceedings of the 10th IEEE/IFIP International Conferences on Embedded and Ubiquitous Computing. Nicosia， Cyprus： CSE， 2012： 626-632.

[2] AHLSWEDE R， CAI N， LI S Y R， et al. Network information flow [J]. IEEE Transactions on Information Theory， 2000， 46（4）： 1204-1216.

[3] RAZA Saqib， LI Dan-jue， CHUAH Chen-nee， et al. Cooperative peer-to-peer repair for wireless multimedia broadcast [C]// 2007 IEEE International Conference on Multimedia and Expo. Beijing， China： ICME， 2007： 1075-1078.

[4] 錢志鴻，王義君. 物聯網技術與應用研究[J]. 電子學報，2012，40 （5）：2023-1029.

[5] 劉振兆. 網絡編碼感知的無線Mesh網絡路由研究[D]. 北京：北京交通大學，2011.