CN108259138A - 一种利用喷泉码多次反馈的安全传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于通信技术领域，特别涉及一种利用喷泉码多次反馈的安全传输方法。本发明利用反馈更新喷泉码编解码过程，达到合法信道优势不断累积的目的，使得合法接收端与窃听者译出率差距的最大化，从而实现相对更安全的传输。相比于普通的喷泉码安全传输方法，本发明能够与信道紧密耦合，整个编解码过程都是在保证可靠传输的基础上进行，不会因为追求安全性能而牺牲传输可靠性；且只需要进行少量次数的反馈，不会出现类似传统通信中大量反馈导致信道拥塞的情况；并对信道状况要求低，无论是在有线、无线环境下都具有很强的适应性和实用性。

Description

一种利用喷泉码多次反馈的安全传输方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种利用喷泉码的安全传输方法，特别涉及一种利用喷泉码多次反馈的安全传输方法。

背景技术

随着通信技术的迅速发展，人们在享受信息传播的方便与快捷的同时也对通信***的服务能力和范围提出了更高的要求，有限的网络带宽与迅速增长的网络数据量和下载规模之间形成了一对亟需解决的矛盾。喷泉码最早被引入是由于在传统反馈重发的TCP协议中，随着传输距离的增大，错误率、丢包率急剧增大，重传的信息量也成指数级增长，进而导致通信***性能下降。进一步的，由于喷泉码的性能与特点与物理层安全传输具有很强的契合性，在该编解码机制下，接收端按需接收编码符号，合法接收端只要存在信道优势即可率先完成解码。因此，喷泉码可以充分保证合法接收端传输可靠性，并在此基础上实现一定的安全增益。

喷泉码具有以下特点：

1）无固定码率：发送端编码器持续产生编码符号，接收端只需要获取足够数量的编码符号即可解出全部输入信息符号；

2）高效：接收端一般接收满略大于输入符号数量的已编码符号即可恢复出原始数据；

3）线性复杂度：该编码方法编解码花费的时间与原始数据码元数量呈线性关系；

4）与信道质量强耦合：该种解码方法的解码过程以及结果与信道质量直接相关，当信道质量占优时将会率先完成解码过程。

随着LT码、Raptor码等实用喷泉码LT码的诞生，喷泉码也日益受到关注，并获得了越来越多的应用。在充分利用喷泉码实现可靠传输的基础上，进一步考虑安全传输问题自然成为了该领域的更高追求。传统喷泉码安全传输方法对信道状况要求很高，合法信道必须要有足够大的质量优势才能满足一定的安全指标要求。实际环境中这一要求并不容易满足，当合法信道和窃听信道质量相近时传统喷泉码安全传输方法无法保证足够强的安全性。因此，在不借助其它安全措施的前提下，从编码本身寻求安全传输的方法具有很强的实际运用能力与价值。

发明内容

针对传统基于喷泉码的安全编码方法对合法信道质量优势要求高的问题，本发明提出了一种利用喷泉码多次反馈的安全传输方法，引入反馈对传统编解码过程进行优化设计，在不依赖其它技术的情况下扩大合法信道优势，降低窃听者端输入符号解出率。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种利用喷泉码多次反馈的安全传输方法，包括以下步骤：

步骤1：在发送端初始化原始输入信息符号集合及编码度分布，所述原始输入信息符号集合包括多个原始输入信息符号；

步骤2：发送端根据合法接收端的解码情况对编解码过程中的原始输入信息符号选取机制及编码度分布进行优化更新，所述优化更新包括产生编码符号所需原始输入信息符号的选取以及编码度分布度值范围的调整；

步骤3：发送端以接收到合法接收端发送的反馈信息时刻为界，将编解码过程分为多个编解码阶段，每个编解码阶段中根据步骤2中更新后的原始输入信息符号选取机制及编码度分布进行编码；

步骤4：合法接收端接收步骤3中编码生成的编码符号并进行当前阶段解码；

步骤5：每个编解码阶段触发反馈发生条件时生成新的反馈信息并终止该编解码阶段，合法接收端将新的反馈信息发送到发送端以进行步骤2，所述反馈信息包含合法接收端已解出的原始输入信息符号情况；

步骤6：当合法接收端完成全部原始输入信息符号的解码时，发送反馈命令终止传输过程，并输出解码结果。

进一步地，所述反馈发生条件为每个编解码阶段中合法接收者和窃听者解出率差值相对最大的时刻。

进一步地，所述步骤2包括：

步骤2.1：将编码度分布的取值范围变为当前还未被合法接收端解出的原始输入信息符号的数量；

步骤2.2：将原始输入信息符号集合中已经被合法接收端解出的原始输入信息符号除去，在剩下的未解出原始输入信息符号中生成原始输入信息符号集合的子集用于编码符号的产生。

进一步地，所述步骤3中的编码包括：

步骤3.1：获取步骤2中得到的优化更新后的原始输入信息符号选取机制及编码度分布；

步骤3.2：根据步骤3.1获取的原始输入信息符号选取机制生成参与当前阶段编码的原始输入信息符号集合；

步骤3.3：根据步骤3.1获取的编码度分布生成度值；

步骤3.4：从步骤3.2得到的原始输入信息符号集合中选取等同步骤3.3中生成度值数量的原始输入信息符号；

步骤3.5：将步骤3.4选取的原始输入信息符号进行模二加运算生成编码符号。

进一步地，所述步骤4中的解码包括：

步骤4.1：找出度值为 1的编码符号以及与该所述编码符号相关联的原始输入信息符号，如果未找出则解码终止；

步骤4.2：将步骤4.1得到的原始输入信息符号和与其相关联的编码符号进行异或操作，并删除该所述编码符号与该所述原始输入信息符号的关联；

步骤4.3：重复步骤4.1、步骤4.2；

步骤4.4：合法接收端根据已解出的原始输入信息符号的数量确定本阶段的编解码是否终止，本阶段的编解码终止时发送反馈信息到发送端；

步骤4.5：重复步骤4.1-步骤4.4，直至合法接收端将所有原始输入信息符号解出。

进一步地，所述步骤5中的反馈机制包括：

步骤5.1：利用传统喷泉码概念并结合标准树分析原理，得到接收端解出率与接收编码符号数的变化关系，以所述变化关系确定每个编解码阶段合法接收端发送反馈的时机，即当解出率随着接收编码符号数变化最快时，合法接收端与窃听者端解出率差异相对最大，此时发送反馈信息到发送端；

步骤5.2：持续接收步骤4的解码结果，当达到步骤5.1确定的反馈时机时，终止当前编解码阶段并生成反馈信息，所述反馈信息包括合法接收端已解出的原始输入信息符号及该所述原始输入信息符号的数量；

步骤5.3：发送反馈信息至发送端。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：

本发明利用反馈更新喷泉码编解码过程，达到合法信道优势不断累积的目的，使得合法接收端与窃听者解出率差距的最大化，从而实现相对更安全的传输。相比于普通的喷泉码安全传输方法，本发明的方法具有以下优点：

1、本发明能够与信道紧密耦合，整个编解码过程都是在保证可靠传输的基础上进行，不会因为追求安全性能而牺牲传输可靠性；

2、本发明只需要进行少量次数的反馈，不会出现类似传统通信中大量反馈导致信道拥塞的情况；

3、本发明对信道状况要求低，无论是在有线、无线环境下都具有很强的适应性和实用性。

4、本发明方法引入反馈对传统编解码过程进行优化设计，在不依赖其它技术的情况下扩大合法信道优势，实现原始输入信息符号的安全传输。

附图说明

图1为本发明实施例的一种利用喷泉码多次反馈的安全传输方法的基本流程图。

图2为本发明另一实施例的一种利用喷泉码多次反馈的安全传输方法的基本流程图。

图3为本发明实施例的一种利用喷泉码多次反馈的安全传输方法的在有线通信场景中的应用示意图。

图4为本发明实施例的一种利用喷泉码多次反馈的安全传输方法的在无线通信场景中的应用示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的解释说明：

实施例一：

如图1所示，本发明实施例的一种利用喷泉码多次反馈的安全传输方法，包括以下步骤：

步骤S101：在发送端初始化原始输入信息符号集合及编码度分布，所述原始输入信息符号集合包括多个原始输入信息符号。

步骤S102：发送端根据合法接收端的解码情况对编解码过程中的原始输入信息符号选取机制及编码度分布进行优化更新，所述优化更新包括产生编码符号所需原始输入信息符号的选取以及编码度分布度值范围的调整。

步骤S103：发送端以接收到合法接收端发送的反馈信息时刻为界，将编解码过程分为多个编解码阶段，每个编解码阶段中根据步骤S102中更新后的原始输入信息符号选取机制及编码度分布进行编码。

步骤S104：合法接收端接收步骤S103中编码生成的编码符号并进行当前阶段解码。

步骤S105：每个编解码阶段触发反馈发生条件时生成新的反馈信息并终止该编解码阶段，合法接收端将新的反馈信息发送到发送端以进行步骤S102，所述反馈信息包含合法接收端已解出的原始输入信息符号情况。

步骤S106：当合法接收端完成全部原始输入信息符号的解码时，发送反馈命令终止传输过程，并输出解码结果。

实施例二：

如图2所示，本发明另一实施例的一种利用喷泉码多次反馈的安全传输方法，包括以下步骤：

步骤S201：在发送端初始化原始输入信息符号集合及编码度分布，所述原始输入信息符号集合包括多个原始输入信息符号。

步骤S202：发送端根据合法接收端的解码情况对编解码过程中的原始输入信息符号选取机制及编码度分布进行优化更新，所述优化更新包括产生编码符号所需原始输入信息符号的选取以及编码度分布度值范围的调整。

所述步骤S202包括：

步骤S2021：将编码度分布的取值范围变为当前还未被合法接收端解出的原始输入信息符号的数量。

步骤S2022：将原始输入信息符号集合中已经被合法接收端解出的原始输入信息符号除去，在剩下的未解出原始输入信息符号中生成原始输入信息符号集合的子集用于编码符号的产生。

步骤S203：发送端以接收到合法接收端发送的反馈信息时刻为界，将编解码过程分为多个编解码阶段，每个编解码阶段中根据步骤S202中更新后的原始输入信息符号选取机制及编码度分布进行编码。

所述步骤S203中的编码包括：

步骤S2031：获取步骤S202中得到的优化更新后的原始输入信息符号选取机制及编码度分布。

步骤S2032：根据步骤S2031获取的原始输入信息符号选取机制生成参与当前阶段编码的原始输入信息符号集合。

步骤S2033：根据步骤S2031获取的编码度分布生成度值。

步骤S2034：从步骤S2032得到的原始输入信息符号集合中选取等同步骤S2033中生成度值数量的原始输入信息符号。

步骤S2035：将步骤S2034选取的原始输入信息符号进行模二加运算生成编码符号。

步骤S204：合法接收端接收步骤S203中编码生成的编码符号并进行当前阶段解码；

所述步骤S204中的解码包括：

步骤S2041：找出度值为 1的编码符号以及与该所述编码符号相关联的原始输入信息符号，如果未找出则解码终止。

步骤S2042：将步骤S2041得到的原始输入信息符号和与其相关联的编码符号进行异或操作，并删除该所述编码符号与该所述原始输入信息符号的关联。

步骤S2043：重复步骤S2041、步骤S2042。

步骤S2044：合法接收端根据已解出的原始输入信息符号的数量确定本阶段的编解码是否终止，本阶段的编解码终止时发送反馈信息到发送端。

步骤S2045：重复步骤S2041-步骤S2044，直至合法接收端将所有原始输入信息符号解出。

步骤S205：每个编解码阶段触发反馈发生条件时生成新的反馈信息并终止该编解码阶段，合法接收端将新的反馈信息发送到发送端以进行步骤S202，所述反馈信息包含合法接收端已解出的原始输入信息符号情况。

所述步骤S205中的反馈机制包括：

步骤S2051：利用传统喷泉码概念并结合标准树分析原理，得到接收端解出率与接收编码符号数的变化关系，以所述变化关系确定每个编解码阶段合法接收端发送反馈的时机，即当解出率随着接收编码符号数变化最快时，合法接收端与窃听者端解出率差异相对最大，此时发送反馈信息到发送端。

步骤S2052：持续接收步骤S204的解码结果，当达到步骤S2051确定的反馈时机时，终止当前编解码阶段并生成反馈信息，所述反馈信息包括合法接收端已解出的原始输入信息符号及该所述原始输入信息符号的数量。

步骤S2053：发送反馈信息至发送端。

步骤S206：当合法接收端完成全部原始输入信息符号的解码时，发送反馈命令终止传输过程，并输出解码结果。

值得说明的是，整个编解码过程以反馈时刻为界分成多个阶段，每个编解码阶段被合法接收端解出的原始输入信息符号不再参与后续编码过程；根据编码符号解出率与接收编码符号数量的变化关系，确定合法接收端的反馈发生在每个编解码阶段中合法接收者和窃听者端解出率差值相对最大的时刻；每个编解码阶段发生反馈后，该阶段立即结束且发送端对编解码过程的原始输入信息符号选取机制及编码度分布进行同步优化更新；当合法接收端解出全部原始输入信息符号时，发送端立刻停止编码符号传输。

实施例三：

如图3所示，本发明实施例的一种利用喷泉码多次反馈的安全传输方法在有线通信场景中的应用。有线网络信道质量较好，可以将传输信道看作一个删除信道，用户有可能收到正确的数据，也有可能因为网络阻塞等原因没有收到数据包。基于本发明的方法可以同时保障通信的可靠性与安全性，该方法包括以下步骤：

步骤S301：初始化原始输入信息符号集合以及编码度分布，这里原始输入信息符号可随机生成，编码度分布采用经典的鲁棒孤波分布（Robust Soliton Distribution, RSD）。

步骤S302：根据本发明的反馈机制计算出当前编解码阶段接收到的编码符号数量以及解出的原始输入信息符号数量。当接收端收到的编码符号数量到达计算值时将会触发反馈，所述计算值通过解出率与接收编码符号数的变化关系得出、为发送反馈的时机所接收的编码符号数。

在此步骤中，首先根据传统喷泉码的性质推导出接收端原始输入信息符号解出率与接收编码符号数的变化关系。随后根据上述变化关系计算出当前信道条件下，合法接收端与窃听者解码率差距最大的时刻。该时刻作为反馈发生的时机。这里可以采用模拟退火算法，也可以采用其它合适的最优化算法求极值。需要说明的是，在此步骤中，编解码参数，包括解出率与接收编码符号数的变化关系及所有反馈时刻，都可以提前计算得出。

步骤S303：根据步骤S302得到的编解码参数进行编解码，此处同传统喷泉码编解码过程一致。

步骤S304：当合法接收端达到反馈触发条件时生成反馈信息并发送到发送端；

该步骤中，反馈信息包含合法接收端对每个原始输入信息符号解码的具体情况。

步骤S305：发送端根据反馈信息调整原始输入信息符号以及编码度分布；

该步骤中，已被合法接收端解出的原始输入信息符号将不再参与后续编码过程。此外，编码度分布根据剩余原始输入信息符号的数量重新生成编码度分布。

步骤S306：如果合法接收端还未解出全部原始输入信息符号，则继续从步骤S302开始重复以上编解码过程。

实施例四：

如图4所示，本发明实施例的一种利用喷泉码多次反馈的安全传输方法在无线通信场景中的应用。由于无线信道的开放性，窃听者很容易接入合法信道窃取私密信息。本发明方法可以降低合法信道的质量优势需求，在同等信道条件下实现更安全的传输。该方法总体过程与实例三类似，包括以下步骤：

步骤S401：初始化原始输入信息符号集合以及编码度分布，这里原始输入信息符号可随机生成，编码度分布采用经典的鲁棒孤波分布（Robust Soliton Distribution, RSD）。

步骤S402：对原始输入信息符号进行矩阵置乱，再作CRC（循环冗余校验）处理；

该步骤中，矩阵置乱是为了防止快衰落，CRC处理是为了确保接收端正常接收到完整的编码符号，确保编码和反馈机制的顺利运行，也可以采用其他机制。这里可以采用国际标准常用的CRC-16方法。

步骤S403：根据本发明的反馈机制计算出当前编解码阶段接收到的编码符号数量以及解出的原始输入信息符号数量。当接收端收到的编码符号数量到达计算值时将会触发反馈，所述计算值通过解出率与接收编码符号数的变化关系得出、为发送反馈的时机所接收的编码符号数；

在此步骤中，首先根据传统喷泉码的性质推导出接收端原始输入信息符号解出率与接收编码符号数的变化关系。随后根据上述变化关系计算出当前信道条件下，合法接收端与窃听者解出率差距最大的时刻。该时刻作为反馈发生的时机。这里可以采用模拟退火算法，也可以采用其它合适的最优化算法求极值。需要说明的是，在此步骤中，编解码参数，包括解出率与接收编码符号数的变化关系以及所有反馈时刻，都可以提前计算得出。

步骤S404：根据步骤S403得到的编解码参数进行编解码，此处同传统喷泉码编解码过程一致；

该步骤中包含解矩阵置乱以及解CRC模块，对应步骤S402中的矩阵置乱与CRC处理。

步骤S405：当合法接收端达到反馈触发条件时生成反馈信息并发送到发送端；

该步骤中，反馈信息包含合法接收端对每个原始输入信息符号解码的具体情况。

步骤S406：发送端根据反馈信息调整原始输入信息符号以及编码度分布；

该步骤中，已被合法接收端解出的原始输入信息符号将不再参与后续编码过程。此外，编码度分布将根据剩余原始输入信息符号数量重新生成编码度分布。

步骤S407：如果合法接收端还未解出全部原始输入信息符号，则继续从步骤S402开始重复以上编解码过程。

值得说明的是，所述发送端具体为发送者的编码器端，所述合法接收端具体为合法接收者的解码器端，所述窃听者端具体为窃听者的解码器端。

以上所述的具体实施例对本发明的原理、技术方案以及应用方法都作了比较详细的说明。应当注意的是，以上实例只是本发明的个别应用场景，本领域技术或研究人员在使用本发明方法时可以进行各种面向实际需求的改动，不脱离本发明的核心思想范畴即可。因此，本发明实际上也意图包含这些面向具体应用的改动或变型。

Claims (6)

1.一种利用喷泉码多次反馈的安全传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在发送端初始化原始输入信息符号集合及编码度分布，所述原始输入信息符号集合包括多个原始输入信息符号；

步骤2：发送端根据合法接收端的解码情况对编解码过程中的原始输入信息符号选取机制及编码度分布进行优化更新，所述优化更新包括产生编码符号所需原始输入信息符号的选取以及编码度分布度值范围的调整；

步骤3：发送端以接收到合法接收端发送的反馈信息时刻为界，将编解码过程分为多个编解码阶段，每个编解码阶段中根据步骤2中更新后的原始输入信息符号选取机制及编码度分布进行编码；

步骤4：合法接收端接收步骤3中编码生成的编码符号并进行当前阶段解码；

步骤5：每个编解码阶段触发反馈发生条件时生成新的反馈信息并终止该编解码阶段，合法接收端将新的反馈信息发送到发送端以进行步骤2，所述反馈信息包含合法接收端已解出的原始输入信息符号情况；

步骤6：当合法接收端完成全部原始输入信息符号的解码时，发送反馈命令终止传输过程，并输出解码结果。

2.根据权利要求1所述的一种利用喷泉码多次反馈的安全传输方法，其特征在于，所述反馈发生条件为每个编解码阶段中合法接收者和窃听者解出率差值相对最大的时刻。

3.根据权利要求1所述的一种利用喷泉码多次反馈的安全传输方法，其特征在于，所述步骤2包括：

步骤2.1：将编码度分布的取值范围变为当前还未被合法接收端解出的原始输入信息符号的数量；

步骤2.2：将原始输入信息符号集合中已经被合法接收端解出的原始输入信息符号除去，在剩下的未解出原始输入信息符号中生成原始输入信息符号集合的子集用于编码符号的产生。

4.根据权利要求1所述的一种利用喷泉码多次反馈的安全传输方法，其特征在于，所述步骤3中的编码包括：

步骤3.1：获取步骤2中得到的优化更新后的原始输入信息符号选取机制及编码度分布；

步骤3.2：根据步骤3.1获取的原始输入信息符号选取机制生成参与当前阶段编码的原始输入信息符号集合；

步骤3.3：根据步骤3.1获取的编码度分布生成度值；

步骤3.4：从步骤3.2得到的原始输入信息符号集合中选取等同步骤3.3中生成度值数量的原始输入信息符号；

步骤3.5：将步骤3.4选取的原始输入信息符号进行模二加运算生成编码符号。

5.根据权利要求1所述的一种利用喷泉码多次反馈的安全传输方法，其特征在于，所述步骤4中的解码包括：

步骤4.1：找出度值为 1的编码符号以及与该所述编码符号相关联的原始输入信息符号，如果未找出则解码终止；

步骤4.2：将步骤4.1得到的原始输入信息符号和与其相关联的编码符号进行异或操作，并删除该所述编码符号与该所述原始输入信息符号的关联；

步骤4.3：重复步骤4.1、步骤4.2；

步骤4.4：合法接收端根据已解出的原始输入信息符号的数量确定本阶段的编解码是否终止，本阶段的编解码终止时发送反馈信息到发送端；

步骤4.5：重复步骤4.1-步骤4.4，直至合法接收端将所有原始输入信息符号解出。

6.根据权利要求1所述的一种利用喷泉码多次反馈的安全传输方法，其特征在于，所述步骤5中的反馈机制包括：

步骤5.1：利用传统喷泉码概念并结合标准树分析原理，得到接收端解出率与接收编码符号数的变化关系，以所述变化关系确定每个编解码阶段合法接收端发送反馈的时机，即当解出率随着接收编码符号数变化最快时，合法接收端与窃听者端解出率差异相对最大，此时发送反馈信息到发送端；

步骤5.2：持续接收步骤4的解码结果，当达到步骤5.1确定的反馈时机时，终止当前编解码阶段并生成反馈信息，所述反馈信息包括合法接收端已解出的原始输入信息符号及该所述原始输入信息符号的数量；

步骤5.3：发送反馈信息至发送端。