网络编码感知的物联网可靠传输机制

引言

物联网(InternetofThings)作为当前学术界最为活跃的一个概念，受到了学者们的广泛关注。无线网络作为物联网主要的传输方式，如何保证其传输的可靠性是物联网研究人员所关注的一个问题；传统的无线网络可靠传输主要采用丢包一重传的方式，这种方式保证了网络信息传输的可靠性，但是却造成了链路负载的增加，如何在保证可靠传输的前提下降低链路的开销是所需研究的一个问题。

1网络编码结构

网络编码(NetworkCoding)自从2000年Ahlswede等人根据网络信息流的概念在文献中提出后，通过节点对来自不同链路的数据包进行组合发送(编码)的方式达到最大流理论的极限(该极限被称为网络多播的最大流限)，由于这个理论值无法通过传统的多播路由机制实现，因此网络编码的优势是非常明显的，图1给出了通过蝶形网络来解释网络编码如何达到网络多播的最大流限。其中图1(a)中为传统的传输方式，目的节点D1和节点D2分别获取所需的数据包b和a，按照最大流最小割定理，在中间节点i1处无法将数据包a和数据包b同时传输，因此目的节点将无法同时获取数据包a和数据包b,而图1(b)中在节点i1处将数据包a和数据包b编码,再将编码包a、b广播出去，这样在目的节点处就能通过解码的方式同时获取所需数据包。

物联网是继计算机、互联网和移动通信网后又一次产业革命，当前，物联网已经在很多行业得到了应用，如智能家居、智慧城市等等，因此安全问题为物联网应用提出了一个现实性所需解决的问题。麻省理工学院的Medard认为，网络编码在执行过程中伪装了数据，并且能有效地承载数据，所以实际上增强了信息的安全性，要比在网络上传输不可破译的算法流的传统加密技术更安全。

2网络编码感知的物联网可靠传输模型

2.1网络编码感知的可靠传输模型

网络编码的提出给无线网络的可靠传输提供了一个新的理念，可靠传输一方面包含数据的正确接收，同时还需保证数据传输的保密性，采用传统的点对点方式传输容易给窃听者机会获取他们所要窃听的消息，图2所示是网络编码感知的物联网可靠传输模型。假设链路a、b、c为可信链路，而链路d为易窃听链路，因此，节点D在接收来自节点A和节点C的消息时容易发生信息泄露。

图2网络编码感知的物联网可靠传输模型

图2中，假设节点A要将信息（XXXXXX）发送到节点D,同时节点C也将信息（OOOOO）发送到节点D,而节点B作为一个中继节点负责信息，由于节点A作为节点D的邻居节点,因此节点D能在一跳范围内接收到来自节点A的信息，而节点C在节点D的两跳范围内，因此不能直接获取节点C的信息，需要节点B进行转发，而节点A也将自己的信息转发到节点B，同时节点B也将该信息转发。若采用传统的存储一转发的模式，由于链路d存在不安全性，因此窃听人员可以节点B和节点D之间就可以窃听到来自节点A和节点C的信息,这样就造成了信息的泄漏。如果在节点B处将来自节点A和节点C处的信息进行处理（编码），而节点D处已经接收到来自节点A的信息,那么节,点B将编码信息（XXXXXXOOOOO）转发到节点D，在节点D处进行解码，那么就可以获取节点C处的信息（OOOOO）。这样的话，窃听者在链路d处只能监听到编码信息（XXXXXXOOOOO）,而由于窃听人员处并没有信息（XXXXXX），所以他无法获取节点A和节点C处的任何信息，这样就避免了信息的外泄［1'气

降低链路负载是提高网络性能的一个有效的方式，如图2所示采用传统的存储一转发模式，节点B将转发来自节点A和节点C的信息，造成了在节点D处重复接收来自节点A的信息，这样就造成了链路开销的增加。若采用网络编码感知的方式，在节点B处将数据进行编码，这样在链路d处能通过传输一次编码包的方式就能够实现目的节点接收所需信息。因此，采用基于编码感知的传输方式就降低了链路的开销,避免了重复信息的发送，从而达到了提升网络容量的目的。2.2网络编码感知物联网可靠传输算法

物联网的传输方式都依靠无线模式传输，而无线传输若不依靠适当的保护，很容易被黑客窃取和干扰，这样对于物联网的安全会造成很大的影响，与此，物联网主要通过人远程控制的方式完成对物联网系统的操作，因此黑客就能够很轻松的获取信息或者远程操控，这样就给物联网的应用造成了很大的危害性。

本文介绍了网络编码感知的可靠传输方式。实际上，在实际的物联网应用环境中，图3所示为用户远程控制智能家居的模式图，智能设备中保存着用户1的控制信息，假设用户2要对智能设备发送控制命令，按照传统的传输方式，Server处将用户2的控制信息转发到智能设备即可，而如果存在潜在的危险用户，在Server给智能设备发送信息处能够截取指令,并且将指令更改，那么这样就可能会对设备造成不可挽回的损失。在图3中，用户2要将关机指令发送到智能设备，若采用传统的存储转发模式，黑客即可截取用户2的指令将其改为断电指令，这样智能设备就有可能造成数据丢失或者设备损坏等后果；采用网络编码感知的方式，在中继节点处通过计算得出在智能设备处能够解码的结果，这样就在中继节点处进行编码操作，那么在智能设备处通过解码计算就能够获取用户2的指令，而黑客即使截取到中继节点转发的指令将错误指令转发到智能设备，而在智能设备处无法解码获取信息（智能设备将该指令作为编码包处理），这样采用网络编码感知的无线传输模式，降低了黑客窃听的危险程度（窃听到编码包无法解码，因而无法获取所需的信息），同时保证了物联网中智能设备操作的安全性。下面介绍网络编码感知的物联网可靠传输算法：

Stepl:中继节点（例如物联网应用过程中的服务器）收集周围智能设备已存在的指令，保存在自己的存储中，并将每个指令标记出处（记录周围设备的硬件地址）;

Step2:中继节点接收到来自远程的控制命令时，查找自己保存的周围节点的信息表，若存在该指令的目的节点则从其指令表中随机选择一个指令跟远程的控制命令进行编码，并将该编码指令发送到指定智能设备，这样就完成了编码信息的组建与发送；

Step3:目的智能设备接收到来自中继节点的编码信息,将遍历自己存储中已有的指令信息，并且各自与编码信息进行解码运算，直到将编码信息完成解码，这样目的设备就获取了来自远程的控制命令。

3结语

本文首先介绍了物联网和网络编码的相关概念，以物联网在应用过程中存在的问题作为切入点，研究了物联网在日常应用中实际存在的安全问题，最后以此为基础提出了网络编码感知的物联网可靠传输机制。

随着物联网的日益发展，安全性是其应用过程中考虑的一个关键问题，如何保证物联网安全应用是学者专家研究的一个主要课题，利用网络编码技术解决网络安全是业界提出的一个新的研究方向，相信在不久的将来，网络编码技术在解决物联网安全性问题上能够得到了更为广泛的应用。

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