Coding against a Limited-view Adversary: The Effect of Causality and Feedback

We consider the problem of communication over a multi-path network in the presence of a causal adversary. The limited-view causal adversary is able to eavesdrop on a subset of links and also jam on a potentially overlapping subset of links based on the current and past information. To ensure that the communication takes place reliably and secretly, resilient network codes with necessary redundancy are needed. We study two adversarial models - additive and overwrite jamming and we optionally assume passive feedback from decoder to encoder, i.e., the encoder sees everything that the decoder sees. The problem assumes transmissions are in the large alphabet regime. For both jamming models, we find the capacity under four scenarios - reliability without feedback, reliability and secrecy without feedback, reliability with passive feedback, reliability and secrecy with passive feedback. We observe that, in comparison to the non-causal setting, the capacity with a causal adversary is strictly increased for a wide variety of parameter settings and present our intuition through several examples.Comment: 15 page

Encaminhamento confiável e energeticamente eficiente para redes ad hoc

Doutoramento em InformáticaIn Mobile Ad hoc NETworks (MANETs), where cooperative behaviour is mandatory, there is a high probability for some nodes to become overloaded with packet forwarding operations in order to support neighbor data exchange. This altruistic behaviour leads to an unbalanced load in the network in terms of traffic and energy consumption. In such scenarios, mobile nodes can benefit from the use of energy efficient and traffic fitting routing protocol that better suits the limited battery capacity and throughput limitation of the network. This PhD work focuses on proposing energy efficient and load balanced routing protocols for ad hoc networks. Where most of the existing routing protocols simply consider the path length metric when choosing the best route between a source and a destination node, in our proposed mechanism, nodes are able to find several routes for each pair of source and destination nodes and select the best route according to energy and traffic parameters, effectively extending the lifespan of the network. Our results show that by applying this novel mechanism, current flat ad hoc routing protocols can achieve higher energy efficiency and load balancing. Also, due to the broadcast nature of the wireless channels in ad hoc networks, other technique such as Network Coding (NC) looks promising for energy efficiency. NC can reduce the number of transmissions, number of re-transmissions, and increase the data transfer rate that directly translates to energy efficiency. However, due to the need to access foreign nodes for coding and forwarding packets, NC needs a mitigation technique against unauthorized accesses and packet corruption. Therefore, we proposed different mechanisms for handling these security attacks by, in particular by serially concatenating codes to support reliability in ad hoc network. As a solution to this problem, we explored a new security framework that proposes an additional degree of protection against eavesdropping attackers based on using concatenated encoding. Therefore, malicious intermediate nodes will find it computationally intractable to decode the transitive packets. We also adopted another code that uses Luby Transform (LT) as a pre-coding code for NC. Primarily being designed for security applications, this code enables the sink nodes to recover corrupted packets even in the presence of byzantine attacks.Nas redes móveis ad hoc (MANETs), onde o comportamento cooperativo é obrigatório, existe uma elevada probabilidade de alguns nós ficarem sobrecarregados nas operações de encaminhamento de pacotes no apoio à troca de dados com nós vizinhos. Este comportamento altruísta leva a uma sobrecarga desequilibrada em termos de tráfego e de consumo de energia. Nestes cenários, os nós móveis poderão beneficiar do uso da eficiência energética e de protocolo de encaminhamento de tráfego que melhor se adapte à sua capacidade limitada da bateria e velocidade de processamento. Este trabalho de doutoramento centra-se em propor um uso eficiente da energia e protocolos de encaminhamento para balanceamento de carga nas redes ad hoc. Actualmente a maioria dos protocolos de encaminhamento existentes considera simplesmente a métrica da extensão do caminho, ou seja o número de nós, para a escolha da melhor rota entre fonte (S) e um nó de destino (D); no mecanismo aqui proposto os nós são capazes de encontrar várias rotas por cada par de nós de origem e destino e seleccionar o melhor caminho segundo a energia e parâmetros de tráfego, aumentando o tempo de vida útil da rede. Os nossos resultados mostram que pela aplicação deste novo mecanismo, os protocolos de encaminhamento ad hoc actuais podem alcançar uma maior eficiência energética e balanceamento de carga. Para além disso, devido à natureza de difusão dos canais sem fio em redes ad-hoc, outras técnicas, tais como a Codificação de Rede (NC), parecem ser também promissoras para a eficiência energética. NC pode reduzir o número de transmissões, e número de retransmissões e aumentar a taxa de transferência de dados traduzindo-se directamente na melhoria da eficiência energética. No entanto, devido ao acesso dos nós intermediários aos pacotes em trânsito e sua codificação, NC necessita de uma técnica que limite as acessos não autorizados e a corrupção dos pacotes. Explorou-se o mecanismo de forma a oferecer um novo método de segurança que propõe um grau adicional de protecção contra ataques e invasões. Por conseguinte, os nós intermediários mal-intencionados irão encontrar pacotes em trânsito computacionalmente intratáveis em termos de descodificação. Adoptou-se também outro código que usa Luby Transform (LT) como um código de précodificação no NC. Projectado inicialmente para aplicações de segurança, este código permite que os nós de destino recuperem pacotes corrompidos mesmo em presença de ataques bizantinos

Adversarial Models and Resilient Schemes for Network Coding

In a recent paper, Jaggi et al. [13], presented a distributed polynomial-time rate-optimal networkcoding scheme that works in the presence of Byzantine faults. We revisit their adversarial models and augment them with three, arguably realistic, models. In each of the models, we present a distributed scheme that demonstrates the usefulness of the model. In particular, all of the schemes obtain optimal rate C − z, where C is the network capacity and z is a bound on the number of links controlled by the adversary.