網(wǎng)絡(luò)編碼下的網(wǎng)絡(luò)電視條件接收系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

1、網(wǎng)絡(luò)編碼下的網(wǎng)絡(luò)電視條件接收系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)摘 要:網(wǎng)絡(luò)編碼的主要優(yōu)點(diǎn)是提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量、均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載以及提高帶寬利用率，尤其適合無線網(wǎng)絡(luò)、ad hoc、p2p以及流媒體傳輸?shù)阮I(lǐng)域，在構(gòu)建ip網(wǎng)絡(luò)電視方面具有巨大的潛力。研究在網(wǎng)絡(luò)編碼下構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)電視的條件接收系統(tǒng)，提出了一種基于隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼（rlnc）和spoc模型的輕量級加密方法和一種高效的層次組密鑰分發(fā)管理方案。所提方案具有加密數(shù)據(jù)量非常小的優(yōu)點(diǎn)，適合用于網(wǎng)絡(luò)電視實(shí)時流媒體加密，同時結(jié)合mpeg多分辨率的特點(diǎn)，可以針對各種付費(fèi)用戶，根據(jù)不同的收費(fèi)提供不同網(wǎng)絡(luò)視頻質(zhì)量。性能分析表明，所提方案利用網(wǎng)絡(luò)編碼提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量，同時加密數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的i

2、p網(wǎng)絡(luò)電視加密方法，層次組密鑰分發(fā)管理方案有效解決了密鑰分發(fā)問題。關(guān)鍵詞:數(shù)據(jù)安全與計算機(jī)安全；網(wǎng)絡(luò)編碼；條件接收系統(tǒng)；層次組密鑰分發(fā)管理；多分辨率；網(wǎng)絡(luò)電視中圖分類號: tp393.08; tn918.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:aabstract: network coding has the advantage of providing higher network throughput, using bandwidth efficiently and balancing the traffic, which is suitable for wireless networks, ad hoc, p2

3、p content distribution and streaming media service, especially for internettv. the authors did some research into the conditional access system for internettv under network coding, proposed a scheme for conditional access technique based on random linear network coding (rlnc) and secure practical ne

4、twork coding (spoc), and hierarchical key distribution. this scheme also provided different media quality to different paying customers. the scheme has lowcomplexity cryptographic overhead, and it is thus suitable for the realtime encryption of streaming media. the performance analysis shows that th

5、e proposed scheme improves the throughput of internettv, the quantity of encrypted data is far less than the traditional methods, and the hierarchical group key distribution effectively solves the problem of key distribution.key words: data and computer security; network coding; conditional access s

6、ystem; hierarchy group key distribution; multiresolution; internettv0 引言ahlswede等1在2000年的ieee信息論會刊上首次提出了網(wǎng)絡(luò)編碼(network coding)的概念并從理論上證明：如果允許網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對傳輸?shù)男畔凑蘸线m的方式進(jìn)行編碼處理(如模二加、有限域上的運(yùn)算等)，而非限于存儲和轉(zhuǎn)發(fā)，則基于該方式的網(wǎng)絡(luò)多播總能夠?qū)崿F(xiàn)理論上的最大傳輸容量（最大流最小割）。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對傳輸信息進(jìn)行操作和處理的過程，就稱為網(wǎng)絡(luò)編碼。網(wǎng)絡(luò)編碼的主要優(yōu)點(diǎn)是可以提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量、均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載以及提高帶寬利用率，尤其適合無線網(wǎng)絡(luò)、ad h

7、oc及p2p等領(lǐng)域。koetter等2運(yùn)用離散隨機(jī)過程的方法，給出了一種線性網(wǎng)絡(luò)編碼的構(gòu)造方法，說明lcm(linearcode multicast)補(bǔ)充其中文名稱和英文全稱系統(tǒng)中轉(zhuǎn)移矩陣mt的構(gòu)造過程，并證明，只要能夠保證最終形成的轉(zhuǎn)移矩陣mt滿秩，則對應(yīng)的信宿節(jié)點(diǎn)通過y=z×m1t就能準(zhǔn)確譯出信源發(fā)送的原始信息。ho等3、chou等4-5提出了一種可行的分布式網(wǎng)絡(luò)編碼的實(shí)現(xiàn)方法：隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼(random network coding, rnc)，該方法基于一種隨機(jī)選擇編碼向量的策略：對于除了信宿節(jié)點(diǎn)外的所有中間節(jié)點(diǎn)，只要在一個足夠大的有限域上這句話不通順，請作調(diào)整。隨機(jī)選擇它們

8、輸入鏈路到輸出鏈路的映射，而且各節(jié)點(diǎn)映射關(guān)系的選取是相互獨(dú)立的，就能以較高概率使各個信宿節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的系統(tǒng)轉(zhuǎn)移矩陣m滿秩，即各信宿節(jié)點(diǎn)能以較高的概率成功譯碼。cai等6最先研究了單信源有向無圈網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)安全多播問題，給出了搭線竊聽的網(wǎng)絡(luò)通信模型，并且構(gòu)造了在信息論意義下的安全網(wǎng)絡(luò)編碼，即竊聽者無論偷聽所給定偷聽范圍內(nèi)的哪個竊聽集都無法恢復(fù)出原始信息。lima等7-10給出了一種通用威脅模型下的新的安全框架spoc(secure practical network coding)，該框架的危險模型不再局限于假設(shè)攻擊者只能通過搭線竊聽有限的通信鏈路，而是攻擊者可以獲取網(wǎng)絡(luò)中通信的所有數(shù)據(jù)，也能獲取編碼

9、和解碼系數(shù)。spoc利用隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼(random linear network coding, rlnc)本身固有的安全特性，通過加密源節(jié)點(diǎn)的編碼系數(shù)來保證安全，并且在文獻(xiàn)7中證明該方法是信息論上安全的。spoc的優(yōu)點(diǎn)是加密數(shù)據(jù)量很小，尤其適合于流媒體加密。另一方面，隨著因特網(wǎng)的發(fā)展以及帶寬的提升，多媒體內(nèi)容服務(wù)已經(jīng)成為因特網(wǎng)上極其重要的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。越來越多的商業(yè)網(wǎng)站提供音視頻內(nèi)容服務(wù)，人們也越來越習(xí)慣于從因特網(wǎng)上獲取音視頻信息。因此，若能將數(shù)字電視網(wǎng)絡(luò)上面的巨大媒體資源引入到ip網(wǎng)上，一方面可以豐富ip寬帶網(wǎng)上的業(yè)務(wù)量，促進(jìn)ip寬帶網(wǎng)絡(luò)的普及和發(fā)展；另一方面，網(wǎng)絡(luò)平臺的擴(kuò)充，將給節(jié)目運(yùn)營商帶

10、來更多的收視用戶，從而可以降低成本，增加收入?？紤]到多媒體源的版權(quán)問題，需要對其進(jìn)行加密防止網(wǎng)絡(luò)上的非付費(fèi)用戶非法收看，這需要更加高效的，不同于傳統(tǒng)的端對端的加密方法：條件接收系統(tǒng)11。而為了適應(yīng)不同網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量下的音視頻傳輸，人們提出了多分辨率的mpeg標(biāo)準(zhǔn)12。該標(biāo)準(zhǔn)引入一種多分辨率編碼方法，把視頻流變成多層流，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量提供不同層的音視頻，音視頻質(zhì)量由能接收到的層的數(shù)量決定。同時，隨著因特網(wǎng)上音視頻服務(wù)的發(fā)展，尤其是未來三網(wǎng)融合，需要考慮根據(jù)不同收費(fèi)提供不同的收看質(zhì)量。用戶可以根據(jù)需要，付出不同的費(fèi)用收看不同質(zhì)量的視頻。網(wǎng)絡(luò)編碼具有提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量、均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載以及提高帶寬利用率的優(yōu)點(diǎn)，尤其

11、適合無線網(wǎng)絡(luò)、ad hoc、p2p以及流媒體傳輸?shù)阮I(lǐng)域，因此本文希望構(gòu)建基于網(wǎng)絡(luò)編碼的網(wǎng)絡(luò)電視條件接收系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的數(shù)字媒體有條件接收系統(tǒng)一樣，基于網(wǎng)絡(luò)編碼的網(wǎng)絡(luò)電視條件接收系統(tǒng)需要解決如下兩個關(guān)鍵問題。1)數(shù)字視頻加密方法的安全性與實(shí)時性。數(shù)字視頻數(shù)據(jù)量大、實(shí)時性強(qiáng)，加/解密操作會增加運(yùn)算負(fù)擔(dān)；同時，用戶端設(shè)備運(yùn)算能力和資源有限。因此需要快速、有效的加密方案。2)密鑰管理的復(fù)雜性和可擴(kuò)縮性。密鑰管理是安全系統(tǒng)中最復(fù)雜的部分，條件接收系統(tǒng)涉及的用戶數(shù)量很大，需要尋找一種高效、可擴(kuò)縮性的密鑰管理方案。本文研究在網(wǎng)絡(luò)編碼下構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)電視的條件接收系統(tǒng)，主要工作如下。1）提出一種基于rlnc和spoc

12、模型的輕量級加密方法。該方法具有加密數(shù)據(jù)量非常小的優(yōu)點(diǎn)，適合用于網(wǎng)絡(luò)電視實(shí)時流媒體加密，同時結(jié)合mpeg多分辨率的特點(diǎn)，可以針對各種付費(fèi)用戶，根據(jù)不同的收費(fèi)提供不同網(wǎng)絡(luò)視頻質(zhì)量。2）提出一種適用于網(wǎng)絡(luò)編碼的高效層次組密鑰分發(fā)管理方案，大大減少了分發(fā)密鑰的數(shù)量。1 spoc安全框架在rlnc環(huán)境下，spoc安全加密框架按照如下方式工作：其中包括源節(jié)點(diǎn)、中間節(jié)點(diǎn)以及接收節(jié)點(diǎn)。中間節(jié)點(diǎn)按照隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼方式進(jìn)行工作即可，不需做任何修改，也不需要知道加密細(xì)節(jié)。而源節(jié)點(diǎn)、接收節(jié)點(diǎn)進(jìn)行下述加密操作。對于源節(jié)點(diǎn)，執(zhí)行如下步驟：1)使用某種密鑰交換機(jī)制，在源節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)間交換共享密鑰k，用于加密全局編碼矩陣a

13、（稱為鎖定系數(shù)）；2)對于h個報文，產(chǎn)生h×h全局編碼矩陣a，對報文進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼；3)產(chǎn)生一個h×h的單位矩陣i，把i的每一行向量(稱為非鎖定系數(shù))加入到每個編碼后的報文頭；4)把a(bǔ)相應(yīng)的每一行向量使用密鑰k進(jìn)行加密，加入報文頭。對于中間節(jié)點(diǎn)，與rlnc相同操作。對于收到的報文，產(chǎn)生隨機(jī)編碼系數(shù)對報文頭(包括鎖定系數(shù)、非鎖定系數(shù))、報文數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼。對于接收節(jié)點(diǎn)，執(zhí)行如下步驟：1)通過非鎖定系數(shù)，計算出加密的鎖定系數(shù)；2)對鎖定系數(shù)進(jìn)行解密，可以得到全局編碼矩陣a；3)通過非鎖定系數(shù)和鎖定系數(shù)，可以構(gòu)造解碼矩陣；4)使用高斯消元法，求得源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)。圖1給出了該方法

14、實(shí)現(xiàn)的例子?？紤]網(wǎng)絡(luò)編碼經(jīng)典的蝴蝶網(wǎng)絡(luò)，考慮單源多接收節(jié)點(diǎn)的多播情況。假設(shè)源節(jié)點(diǎn)1要發(fā)送信息至接收節(jié)點(diǎn)6和7。1需要實(shí)現(xiàn)和6、7協(xié)商好加密算法還有密鑰k。對于加密算法，只需要其輸入明文和輸出密文大小相同（如3des、aes）即可。假設(shè)源節(jié)點(diǎn)1要發(fā)送的數(shù)據(jù)為a=1，b=5。則節(jié)點(diǎn)1先產(chǎn)生全局編碼矩陣a：3251。采用某一種加密算法對a的每一行向量加密，假設(shè)結(jié)果為e(3,2)=(4,6)，e(5,1)=(2,7)。源節(jié)點(diǎn)1把單位矩陣i的每一個行向量和相應(yīng)的加密了的a的行向量放在報文包頭，把網(wǎng)絡(luò)編碼值放在報文數(shù)據(jù)段，發(fā)送數(shù)據(jù)。中間節(jié)點(diǎn)按照傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)編碼的方法，處理包頭和數(shù)據(jù)部分。接收節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)包頭的

15、鎖定數(shù)據(jù)恢復(fù)加密系數(shù)4627，通過解密操作，恢復(fù)a：3251。所以其他節(jié)點(diǎn)由于沒有共享密鑰k，從而無法恢復(fù)a此句不通順，請作相應(yīng)調(diào)整。擁有了a之后，接收節(jié)點(diǎn)便可以恢復(fù)原有數(shù)據(jù)。采用spoc的優(yōu)點(diǎn)是加密數(shù)據(jù)量很小，尤其適合于流媒體加密。2 條件接收系統(tǒng)方案2.1 加密方法描述本文引入圖1的spoc安全框架作為條件接收系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時、輕量級加密，其中視頻服務(wù)器為源節(jié)點(diǎn)1，6、7等接收節(jié)點(diǎn)為最終用戶。假設(shè)采用mpeg對傳輸?shù)牧髅襟w編碼為l層，則源節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)交換l個共享密鑰k1，k2，kl。1分別采用密鑰ki加密第i層數(shù)據(jù)包，如圖2所示，假設(shè)通過mpeg編碼為3層，分別采用密鑰k1、k2、k

16、3加密全局編碼矩陣a的每一行向量，為了使得譯碼成功，需要構(gòu)造的必須全局編碼矩陣a為下三角矩陣。因此，只具有k1的接收節(jié)點(diǎn)只可以譯碼第1個報文，具有k1、k2的接收節(jié)點(diǎn)只可以譯碼第一二個報文，具有k1、k2、k3的接收節(jié)點(diǎn)可以譯碼第1、2、3個報文。圖2方法容易遭受已知明文攻擊：假設(shè)n2個已知明文密文對，則可以構(gòu)造n2個關(guān)于a11,a1n,an1此處是否應(yīng)該為an1，即下標(biāo)應(yīng)該為n1?請明確。,ann共n2個變量的線性方程，即使沒有擁有k1，k2，kn個密鑰也可以猜出全局編碼矩陣a，從而可以解碼得到原始數(shù)據(jù)。為此，本文進(jìn)行了改進(jìn)，如圖3所示。圖3中，本文方法修改了源節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)編碼的模式。源節(jié)點(diǎn)把要

17、傳送的數(shù)據(jù)先與密鑰異或再傳送，從而使得攻擊者明文攻擊時候即使擁有了明文b1,bn，也無法構(gòu)造一個n2個變量的線性方程（事實(shí)上對于攻擊者而言已經(jīng)變成了2次方程），從而解決了已知明文攻擊問題。2.2 密鑰分發(fā)管理在本文使用的框架spoc里邊，需要源節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)事先交換共享密鑰k1，k2，kl。采用傳統(tǒng)的密鑰管理方法，需要加密分發(fā)密鑰次數(shù)為ll=1ltl。其中：l為mpeg編碼層數(shù)，tl為第l層接收節(jié)點(diǎn)個數(shù)?？紤]有m個頻道，共需要加密密鑰次數(shù)為mll=1ltl。在網(wǎng)絡(luò)編碼環(huán)境中，所有數(shù)據(jù)都是通過廣播的方式傳播，需要分發(fā)的密鑰數(shù)量也是mll=1ltl。因此大量用戶（每一層的tl很大）、大量頻道的情況

18、下，密鑰分發(fā)通信和計算代價非常高。2.2.1 層次密鑰分發(fā)模式結(jié)合網(wǎng)絡(luò)編碼廣播的特征，本文引入高效的層次密鑰分配方法來解決這個問題?？紤]如圖4所示的層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行密鑰分發(fā)。本文方法使用密鑰k2加密密鑰k1，密鑰k3加密密鑰k2，以此類推，用kl加密kl-1，通過網(wǎng)絡(luò)編碼的方式廣播出去，所有節(jié)點(diǎn)都可以接收到加密的k1kl-1。對于接收節(jié)點(diǎn)t，如果其訂購的是第i層的收看質(zhì)量，則再使用t的密鑰加密分發(fā)密鑰ki即可。通過ki可以解密ki-1，逐層解密得到ki-2，,k2，k1。因此單個頻道需要加密和分發(fā)的密鑰數(shù)為(l-1)+t，其中t為接收節(jié)點(diǎn)（用戶）的個數(shù)，m個頻道需要加密和分發(fā)的密鑰數(shù)為m(l-1)

19、+t)。2.2.2 分組的層次密鑰分發(fā)模式在多個頻道的情況下，本文方法可以結(jié)合采用如下的層次分發(fā)方法?？紤]在多個頻道多個用戶下實(shí)現(xiàn)多分辨率的流媒體傳輸?shù)拿荑€高效分發(fā)，本文引入了分組管理方法把電視頻道分成多個組（也即以頻道組作為用戶的基本收費(fèi)單位）。圖5演示了在多個頻道的情況下，如何按照收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)編制頻道分組。圖5演示了在多個頻道情況下，按照收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)編制成。這句話是否結(jié)束了?感覺還未說完。如圖5所示，本文方法把所有頻道進(jìn)行分組，同時組中的頻道指定了清晰度（提供該頻道的ki密鑰，提供了第i層的清晰度），如圖6所示。每個組有一個組密鑰，使用組密鑰加密ki，然后分發(fā)該加密的ki和組密鑰即可。假設(shè)總共劃分

20、了g組（g遠(yuǎn)小于頻道數(shù)m），則需要加密和分發(fā)的密鑰數(shù)為2gt。在這種情況下，對于每個頻道廣播加密的k1kl-1，m個頻道共需加密和分發(fā)的密鑰數(shù)為m(l-1)，同時需加密和分發(fā)的組密鑰為2gt，因此總共需要加密和分發(fā)的密鑰數(shù)為m(l-1)+2gt，遠(yuǎn)小于m(l-1)+t)，更遠(yuǎn)小于mll=1ltl。3 性能分析3.1 加密效率分析采用本文框架，需要加密的數(shù)據(jù)非常少，圖7分析了加密數(shù)據(jù)量。傳統(tǒng)加密方法需要對所有傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，因此加密數(shù)據(jù)量與傳輸數(shù)據(jù)成正比。在本框架中只加密編碼系數(shù)，與傳輸數(shù)據(jù)直接沒有直接關(guān)聯(lián)，因此加密數(shù)據(jù)量非常小。3.2 加密和分發(fā)密鑰數(shù)據(jù)量分析1)傳統(tǒng)密鑰分發(fā)模式下，對于t個

21、用戶，m個頻道，每個頻道提供l層視頻質(zhì)量，tl為收看第l層視頻質(zhì)量的用戶數(shù)，需要加密分發(fā)的密鑰數(shù)量為mll=1ltl。2)采用層次密鑰分發(fā)模式時，需要加密和分發(fā)的密鑰數(shù)為m(l-1)+t)。3)采用分組的層次密鑰分發(fā)模式時，需要加密和分發(fā)的密鑰數(shù)為m(l-1)+2gt，其中g(shù)為節(jié)目的分組數(shù)量，遠(yuǎn)小于節(jié)目數(shù)m。圖8在用戶數(shù)和頻道數(shù)固定情況下，比較分析了傳統(tǒng)密鑰分發(fā)模式與層次密鑰分發(fā)模式在不同層數(shù)的傳輸質(zhì)量下所需要傳輸?shù)拿荑€數(shù)，可以看出來傳統(tǒng)的密鑰分發(fā)模式隨著視頻質(zhì)量的層次數(shù)的增加而線性增加，而層次密鑰分發(fā)模式幾乎不會增加。圖9在用戶數(shù)和視頻質(zhì)量層次數(shù)固定情況下，比較分析了未分組層次密鑰分發(fā)模式與

22、分組層次密鑰分發(fā)模式在不同頻道數(shù)下所需要傳輸?shù)拿荑€數(shù)，可以看出來未分組層次密鑰分發(fā)模式隨著頻道數(shù)的增加而線性增加，而層次密鑰分發(fā)模式幾乎不會增加。為了直觀比較3種密鑰分發(fā)模式下的傳輸密鑰數(shù)，本文給出了具體參數(shù)下的傳輸密鑰數(shù)比較，由表1可以看出本文提出的分組層次密鑰分發(fā)方法不隨著頻道數(shù)和視頻質(zhì)量層次數(shù)而線性增加，具有明顯的優(yōu)越性。4 結(jié)語隨著因特網(wǎng)的發(fā)展尤其是網(wǎng)絡(luò)編碼新技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)帶寬得到極大提升，人們也越來越習(xí)慣于從因特網(wǎng)上獲取音視頻信息。因此，把數(shù)字電視網(wǎng)絡(luò)上面的巨大媒體資源引入到ip網(wǎng)上是大勢所趨，一方面可以豐富ip寬帶網(wǎng)上的業(yè)務(wù)量，促進(jìn)ip寬帶網(wǎng)絡(luò)的普及和發(fā)展；另一方面，網(wǎng)絡(luò)平臺的擴(kuò)

23、充，將給節(jié)目運(yùn)營商帶來更多的收視用戶，從而可以降低成本，增加收入。網(wǎng)絡(luò)編碼的主要優(yōu)點(diǎn)是提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量、均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載以及提高帶寬利用率，尤其適合無線網(wǎng)絡(luò)、ad hoc、p2p以及流媒體傳輸?shù)阮I(lǐng)域。本文重點(diǎn)研究在網(wǎng)絡(luò)編碼下構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)電視的條件接收系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，提出了一種基于rlnc和spoc模型的條件接收技術(shù)和分組層次密鑰分發(fā)管理方案。本文方案同時結(jié)合mpeg多分辨率的特點(diǎn)，針對各種付費(fèi)用戶，根據(jù)不同的收費(fèi)提供不同網(wǎng)絡(luò)視頻質(zhì)量。該方案具有加密數(shù)據(jù)量非常小的優(yōu)點(diǎn)，適合用于網(wǎng)絡(luò)電視實(shí)時流媒體加密。參考文獻(xiàn):1ahlswede r, cai n, li sy, et al. network informat

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