龍 浩

（徐州工業(yè)職業(yè)技術學院，江蘇 徐州 221002）

引言

隨著社會經濟的快速發(fā)展以及科技水平的提高，智能手機得到廣泛應用，特別是今天的智能手機已發(fā)展成集加速度計、電子羅盤、陀螺儀、GPS、麥克風、照相機、亮度傳感器、溫度傳感器、接近傳感器等眾多廉價而強大的嵌入式傳感器于一身的可編程無線移動智能終端，而且，大部分還可以通過接口接入睡眠傳感器、EEG耳機、氣壓計、雷達/熱成像攝像頭、化學傳感器、心律傳感器、心率監(jiān)測傳感器等外置傳感器。普通用戶隨身攜帶的移動智能終端作為基本的感知單元，隨時隨地利用搭載的傳感器感知周圍環(huán)境信息，如城市環(huán)境監(jiān)控、交通監(jiān)控、路面監(jiān)控和路邊可用停車位統(tǒng)計等，并將感知數據通過無線網絡（包括4G、5G、WiFi等）上傳到服務器，實現感知任務的執(zhí)行和感知數據的收集上傳。在此背景下，一種新的感知范式得以形成并取得快速發(fā)展，開啟了移動互聯(lián)的新領域——移動群智感知（MCS）的大門[1]。MCS涉及感知數據的獲取、處理、聚合以及態(tài)勢評估等多個環(huán)節(jié)，它包括社會計算、無線傳感器網絡、機會網絡在內的多學科高度交叉熱點研究領域。這種新穎的感知模式，可利用群體的優(yōu)勢克服單個感知終端的數據精度相對較低的缺點。隨著應用規(guī)模的擴大，終端感知上下文變得越來越復雜，持續(xù)感知實時處理以及運行環(huán)境動態(tài)變化等特征，需要基于社會行為分析的機會式數據收集，同時異構型海量感知數據處理的壓力越來越大，應用的實時性要求越來越高。這些特征為其開發(fā)、運行帶來諸多新的挑戰(zhàn)，作為物聯(lián)網下一個成功的關鍵和新型感知模式的發(fā)展方向，可靠的數據收集已成為深化物聯(lián)網研究的核心技術，一些關于MCS數據收集的基本問題亟待解決。因此，開展MCS技術研究具有十分重要的現實意義和應用價值。

1 研究現狀

最近，研究者開發(fā)了部分以用戶為中心的傳感系統(tǒng)，目的是利用人們攜帶的智能設備或車載傳感器感知本地數據，或反應客觀物理現象。針對城市建筑和規(guī)劃，通過傳感技術理解人們在一個城市公共區(qū)域的活動和交互行為，將物理空間和社會空間相融合，以事件地圖的形式向用戶提供可視化服務。CarTel是MIT開發(fā)的基于車輛傳感器的信息收集和發(fā)布系統(tǒng)，用于環(huán)境監(jiān)測、采集路況信息、診斷車輛狀況等，安裝在車輛上的嵌入式CarTel節(jié)點負責收集和處理車輛上多種傳感器采集的數據，使用Wi-Fi或BlueTooth等通信技術，在車輛相遇時交換數據，也可以通過安裝在路邊的無線AP將數據發(fā)送到Internet上的服務器。美國東北大學發(fā)表在英國自然雜志（Nature）上的研究成果表明，通過分析手機移動網絡數據，發(fā)現人的移動軌跡具有高度的時空規(guī)律性，其移動分布接近于冪律模型，通過分析每個用戶移動軌跡熵，發(fā)現93%的用戶移動具備可預測性。微軟亞洲研究院利用用戶GPS數據，在分析了大量用戶的軌跡數據基礎上，發(fā)掘興趣點，為用戶提供個性化位置服務。Zhou利用公交車乘客的智能手機來預測公交巴士的到站時間，取得了較好的準確性。Reddy等人考慮參與式感知模式并開發(fā)了一個招聘框架，使組織者基于地理位置和時間的可用性以及參與習慣選擇適當的用戶進行數據收集。

目前，在隱私保護方面主要從數據加密方法、用戶匿名方法、數據加擾和混沌感知區(qū)域進行研究。文獻[2]進一步提出了一個PPTDS方案，PPTDS方案在原有的兩個不共謀云平臺的基礎上通過一個完全可信的第三方增加方案的容錯性。該方案增加了容錯性，也增加了一個可信的第三方降低方案的實用性。文獻[3]提出了一個單向網絡協(xié)議的匿名數據收集方案。該方案通過對等網絡協(xié)助匿名數據傳輸從而保護發(fā)送者的身份。文獻[4]提出了一種基于信任的數據融合方案，通過節(jié)點行為來計算和評估節(jié)點的信任值，并能夠及時檢測和排除受損節(jié)點。文獻[5]提出了在服務器不可信情況下解決移動群智感知中數據隱私保護問題的方案。

2 弱安全編碼的設計與實現

移動群智感知（MCS）過程采集到的數據很可能帶有敏感信息，如身份、地理位置、時間等個人信息，數據采集者或轉發(fā)者擔心這些信息傳給其它節(jié)點會暴露自己的隱私，傳統(tǒng)的公鑰體制并不適合MCS中形成的機會網絡。

下一代互聯(lián)網的不斷發(fā)展引起因特網用戶數量和數據流量激增。因此，設計提供安全、高效數據傳輸的新型算法已成為未來網絡技術發(fā)展的重要研究問題之一。網絡編碼不僅可提高數據傳輸吞吐率，其本身的特性還可提供數據機密性，且計算復雜度小、執(zhí)行過程簡單?；诰W絡編碼的安全、高效數據傳輸的研究尚處于起步階段，很多有價值的研究問題亟待探索和研究。針對結點竊聽的被動攻擊模型，通過對傳輸拓撲選擇和安全網絡編碼設計問題進行聯(lián)合優(yōu)化，研究了在信息論安全、弱安全兩種安全需求下傳輸拓撲選擇算法和安全網絡編碼算法。其次，針對流量分析的被動攻擊模型，設計了基于網絡編碼的匿名傳輸方案，利用網絡編碼的向量空間特性隱藏編碼包之間的線性相關性，達到匿名性的要求。另外，針對惡意篡改數據包的主動攻擊模型，利用網絡編碼向量空間的特性，提出了基于短零向量的實時差錯檢測策略，具有較低的通信開銷和復雜度。

本文設計一種MCS中基于網絡編碼的弱安全多播傳輸拓撲構建方法，獲取所在網絡的參數；將所在網絡表示為有向圖，有向圖由節(jié)點和邊構成，節(jié)點包括源節(jié)點、中間節(jié)點和目的節(jié)點，如果兩個節(jié)點之間存在一條通信鏈路，則在這兩個節(jié)點之間連接一條具有該方向的邊；每條有向邊的容量等于對應通信鏈路的容量，代價等于對應通信鏈路的代價；根據有向圖建立整數傳輸速率的基于網絡編碼的弱安全多播的傳輸拓撲構建的數學模型；采用整數線性規(guī)劃求解方法進行求解，獲取整數傳輸速率的基于網絡編碼的弱安全多播的傳輸拓撲構建方案。方法實現了整數傳輸速率的基于網絡編碼的弱安全多播在滿足弱安全需求的條件下，傳輸拓撲的構建，使得網絡內安全傳輸吞吐量最大，與此同時保證了最大吞吐量時的最小傳輸代價，實現了網絡的效率與代價優(yōu)化。

在MCS中，參與者攜帶的傳感設備獲得的信息包括該感知設備感知的數據包及其它參與者轉發(fā)過來的信息。我們首先定義信息接收模型，然后根據該模型設計加密和編碼策略。

定義1（信息接收模型）：對于節(jié)點u∈V，現有信息m=（α1，L，α2，…，αn）（x1，L，x2，…，xn）T，m可以為u感知的信息或者是網絡中其他節(jié)點轉發(fā)過來的信息。其中（x1，L，x2，…，xn）為一代信息的集合，記X=（x1，L，x2，…，xn）T，（α1，L，α2，…，αn）為編碼向量，記為A0，則m=A0X，此時u中存儲的與m為同一代的數據包為M，M系數矩陣記為A，M=A X。

在定義1的信息接收模型中，將M劃分為兩個集合M={C，D}，其中Ci為C中第i個信息，同時記C中信息的個數為|C|，D中信息的個數為|D|。將M中編碼過的信息放入C中，未編碼的信息放入D中，此時若M=，則將m存儲在u中。如果M≠ ，根據m是由u產生分兩種情況：

設所有信息包集合為M，M={mi|1≤i≤n}，考慮到普通傳感節(jié)點緩存空間的限制，感知數據mi到達中間節(jié)點u后，在網絡編碼之前，設計緩存控制策略，使接收的數據量符合當前節(jié)點的存儲要求，為了增大節(jié)點存儲空間的利用率，當滿足以下條件之一時，節(jié)點u拒絕接收mi。一是當mi中的編碼向量與M中系數矩陣線性相關時，mi對最終解碼無用，應拒絕接收。二是當mi未到達目的服務器時，若mi是編碼包，而M中存在編碼過的包是由mi和其他包編碼出來的，拒絕接收mi。下面我們考慮具體的弱安全編碼策略，按照m是否被編碼分為以下兩種情況：

1）當mi未被編碼時，mi所包含的信息對u是可見的，需要將mi所包含的信息隱藏起來。此時若M=0，則在有限域Fq中隨機選取一個系數g≠1,則新信息mrew=gm，將mrew及相應的編碼向量存放至u中。若M≠0，將M劃分為兩個集合M={C，D}，將M中編碼過的包放入C中，未編碼的包放入D中，若C≠NULL，每次將D、mi、Ci存放至新的集合H中，然后使用編碼函數code（H）進行隨機線性網絡編碼，若C=NULL，則將D與mi合并為H，然后使用編碼函數code（H），最后刪除M中的信息，將編碼過的信息保存至u中。

2）當mi為已編碼的包時，將M劃分為三個集合C1,C2，D，其中C1存放只有一個消息編碼生成的信息包，C2中存放其余的編碼過的包，D中存放M中未編碼的信息包。若D≠NULL，將D與mi合并為H，然后使用編碼函數code（H）。若≠NULL，將C1與mi合并為H，然后使用編碼函數code（H）。編碼函數code（H）是在有限域中使用隨機線性網絡編碼進行信息的線性組合，所有的運算均在Fq中完成，假設H中存儲的信息為α1m1，α2m2,…，αnmn，這里系數α1=（α1，α1,…αk）稱為編碼向量，編碼時隨機地從有限域中取出l個系數k1,k2,…,kl，編碼后得到的信息包為k1α1m1+k2α2m2+…+knαnmn。

在解碼時，只考慮服務器端進行。當信息mi傳輸到服務器后，先將解碼出的信息及服務器未解碼的消息加入至Z中，Z為編碼后的信息包，并將解碼出的信息作好標記。然后對Z進行高斯消元，得到Z'=A'X，若系數矩陣A'中存在僅有一個數為1，其余數為0的行，該行為Z'i=（0，0，…，1，…，0）（x1，x2，…，xj，…，xn）T=xj，得到xj=Z'i，解碼過程完成。

通過使用弱安全網絡編碼算法，采集的信息在轉發(fā)至相鄰節(jié)點時，原始信息被隱藏起來，實現了信息的隱私保護。算法提供的是弱安全保護，并未像公鑰體制實現了非?？煽康陌踩阅埽鄬€體制，所提方法在較少計算消耗的情況下，提供隱私保護的同時提升了網絡性能，使用弱安全網絡編碼可以增大信息傳輸成功率，獲得更優(yōu)的性能。

3 結語

隱私保護是用戶最為關心的問題，是互信協(xié)作的基礎，它是MCS走向大規(guī)模應用的關鍵。研究具有弱安全網絡編碼的隱私保護機制、協(xié)議和相關算法，將弱安全網絡編碼用于群智感知的信息轉發(fā)中，以較小的計算開銷獲得用戶隱私保護，在改善網絡性能的同時，提升了感知數據的質量和數據收集的可靠性，無需大量的計算開銷，能在一定程度上提升網絡性能。