网络编码的研究进展
2022-03-05
来源:乌哈旅游
维普资讯 http://www.cqvip.com 网络编码的研究进展 付琳 。周亮 ,李少谦 (1.成都信息工程学院通信工程系成都610225;2.电子科技大学通信抗干扰技术重点实验室成都610053 1 背景 香农在论文《A Note On the M ̄imum Flow Through a 了交换,路由器只能对信息进行存储转发的传统组播模式, 建立起一种全新的网络体系结构及信息编码和传输模式。 网络编码代表了一种协同工作的理念,这使得它的应用不 仅仅局限于改进组播增加网络容量,它与其他技术相结合 已经应用于网络管理、纠错、信息安全、P2P对等网络通信、 路由和交换等领域。 Network)指出:“通信网络端对端的最大信息流,是由网络 有向图的最小割决定”,但目前传统路由器的存储转发模式 根本不可能达到香农最大流最小割定理规定的上界。在现 有的计算机通信网络中,信息传输都是由源节点经过中间 节点,以存储转发的方式传送到目标节点。除了数据复制以 外,一般来说在网络的中间节点并不需要做任何数据处理, 组播技术有效地解决了单点发送多点接收的问题,实 现了网络中点到多点的高效数据传送,能够大量节约网络 带宽、降低网络负载。作为一种与单播和广播并列的通信方 式,组播的意义不仅在于此。更重要的是,可以利用网络的 组播特性方便地提供一些新的增值业务,包括在线直播、网 络电视、远程教育、远程医疗、网络电台、实时视频会议等互 因为普遍认为,中间节点所进行的数据处理对数据传输过 程本身并不会带来任何好处。然而,2000年R.Ahlswede等 提出的网络编码彻底推翻了这一结论【1]。 网络编码指出允许路由器对不同的信息流进行编码组 合可以达到该上界,在此基础上,参考文献 】进一步证明了 联网的信息服务领域。 组播是靠在通信网络上建立组播树来实现的,当考虑 一在单信源多信宿情况下,应用线性网络编码理论,一定能够 达到该上界。线性网络编码将原先分立于物理层和网络层 的两个核心概念(编码和路由)有机地融为一体,彻底改变 点向多点的组播路由树的建立时,问题变得复杂起来。一 般认为,组播树的建立是一个NP问题。通常采用的方法是 先用最大流算法找到信源与一个信宿之间的最大流及其实 现的路径,然后再依次寻找其他信宿与信源之间的路径。在 寻找信源与第二个信宿之间的路径时,往往就在原通信网 教育部博士点基金资助项目(No.20050614009)、国家自然科学基 金资助项目(No.60472045) 络中去掉信源与第一个信宿之间已经用过的链路的容量。 维普资讯 http://www.cqvip.com 这样处理是因为。传统路由认为网络中传输的信息是不能 叠加的.只能进行存储转发。这样的组播树的建立方式,会 这种方法将网络编码的构造进一步简化,它也是在己知拓 扑的情况下。首先通过最大流最小割算法找到完成组播所 需路径的集合。在找出的这个子图上确定各个节点所需要 进行的操作。这种方法不但把网络编码构造的复杂度从指 导致信源与第二个及其后面所有信宿之间的路径都不是 以它们之间的最大流进行传输的,最终使得组播可以实 现的传输容量远远小于最大流最小割确定的容量上限。 数级降到了多项式级。而且有效降低了网络编码中所采用 R.Ahlswede等人提出的网络编码理论解决了这个问题。 2网络编码概述 在现有通信网络中,网络节点只是对收到的信息进行 存储和转发,但是从信息理论上讲,没有理由让节点只能进 行存储转发,可以让节点对收到的信息进行一定的线性或 非线性操作(编码),然后再发送,起着编码器的作用,网络 编码正是根据这个思想而产生的。 网络编码最初是因为它能提高组播流的网络容量而被 重视,事实上对其他方式的业务流(如单播)也是一样的,只 不过在有向图的组播环境下。网络编码带来的吞吐量增益 很明显。而在无向图中,吞吐量增益最多为1/2 E3]。总体来讲, 网络编码有以下特点: ・在组播环境下可以达到最大传输速率; ・节省网络带宽资源消耗。提高频谱利用率; ・提供负载均衡; ・恢复链路失效,提高网络顽健性; ・要接收完所有的必要信息才能恢复数据,有延迟; ・实时系统的同步问题。 3网络编码的研究现状 关于网络编码的大量文章都在考虑,对于不同类型的 网络和连接需要网络编码具有怎样的特征,以便能达到最 大容量。他们的研究方向综合起来有以下3类:线性网络编 码和非线性网络编码;分布式网络编码和集中式网络编码; 网络编码在组播和非组播网络中的应用。 目前,组播集中式线性网络编码算法主要有两种:一种 是由R.Koetter和M.Medard给出的线性编码的代数结构 , 可以将先前的结论推广到任意网络。而且网络具有健壮性, 并对有环的方向图运用最大流最小割限的时不变方法证明 了这个结论。这种构造方式需要知道整个网络的拓扑信息, 用一个系统转移矩阵描述信源输入的信息和信宿上接收到 的信息之间的关系,并通过构造符合要求的系统转移矩阵来 实现网络编码。另一种是P.Sanders和S.Jaggi等人针对无 环、无时延图中的单源组播问题,提出了多项式时间算法[7,81。 的字母表的下限。另外,C.Fragouli给出了在有两个信源情 况下严格的基域大小。且认为有两个信源的组播网络,其网 络编码是一个图论的着色问题[91。 上述方法都是基于已知整个网络的拓扑信息,同时有人 又提出了不需网络拓扑信息的分布式网络编码和随机网络编 码。分布式网络编码明的实现,是在网络中传输的每个数据包上 留出一些比特。用来记载此数据包在前面各个节点上所经历的 各种操作,那么接收节点就可以从接收到的数据包中直接译出 信源所发送的信息。这种方法可以在不知网络拓扑信息的情况 下实现网络编码,但是增加了网络负载。另外一种不需网络拓 扑信息的方法是随机网络编码 ,在网络的中间节点上对接 收到的信息,在一个有限域内随机选择一个元素作为组合的 系数。研究表明只要有限域足够大,这种方法的失败率就可 以很低。这种方法的缺点是以一定的概率实现正确无误的传 输和需增大通信网络中所需的字母表的大小。有许多随机编 码的应用协议相续提出。其中S.Deb和M.Medard运用随机 线性编码提出了一种gossip(闲聊)协议嗍。 线性网络编码不但可以用在已知拓扑的构造方式中, 也可以用在不需网络拓扑信息的分布式网络编码和随机网 络编码中。参考文献『141推测线性网络编码可以实现所有的 可解网络的网络编码。而参考文献[1519己经构造了一个特 殊的网络,说明了线性网络编码的局限性。即存在一些网络 使用非线性网络编码可以实现最大流最小割确定的网络容 量的上限,但是线性网络编码却无能为力。 上述研究都是针对有线网络的,关于无线网络中的网 络编码的研究也是网络编码研究中的一个热点 嘲。由于无 线网络自身的一些特性不同于有线网络。使得网络编码在 无线网络中的应用有一些新的好处。 现在关于网络编码与其他领域结合的研究很多。如网 络编码和纠错码及加密体制的结合可以防止窃听【 】,网络 编码还可以用于分布式网络管理等,但这些多数是基于理 论分析。仿真试验很少。 4存在的问题及未来研究方向 信息可以被复制并在网络的多个信道中同时传输,因 维普资讯 http://www.cqvip.com 硕博论文 此网络编码可能存在的问题有: ・实际上.许多传统路由问题的计算复杂度很高,网络编 码不仅可以提高通过率,还能使问题得到有效解决,但 是,要确定存在合适的边函数却是件不容易的事情。 .网络什么时候传输的边函数有用,有多少信息需要 通过这种方式传送。 ・对于复杂网络,只研究比特是不够的,需要比{0,l1更 大的字母表,而且需要比异或更复杂的函数。 ・为了实施网络编码,节点需要多强的计算量?存储需 求多大(传统路由中,仅仅只是存储转发)。对于一些 有条件限制的问题,可以确定计算量的上限,但是对 于一般性的问题,目前不能找到这个限,但可以确定 的是,它将相当大。 ・在许多实际的网络中,并不一定是有向的或无环的 (如令牌网)。对于有环网络构造的编码是时变的,这 在实际中很少应用。就笔者所知,并没有证明有环网 络中最佳时不变码的存在。所以证明这种码的存在, 尤其是用线性的方式构造这种码将是未来的具有挑 战性的问题。 ・目前许多的有效网络编码算法都只限于应用到组播 的情况.缺少一般性。 .在网络中如果有两个或多个源节点同时组播时,如 何构造码,这也叫多源网络编码问题。 .在网络编码应用于计算机或卫星网时,同步问题需 要注意。因为中间节点的编码器输入端可以接收不 止一个输入数据流,此时就有必要要求这些数据流 同步。在实时应用(如语音和视频传输)中,这将是严 重的问题。 未来的研究方向有: ・当网络中出现多个源点同时组播时,如何编码,即多 源网络编码。 ・联合信源信道的网络编码。 ・改进网络编码的生成算法(目前是线性的,因为编,译 码简单)。 ・对有环网络的编码。 ・网络安全与网络管理的应用。 5结束语 今天的通信网都遵循一个共同的基本操作规则,无论 是横穿互联网的分组,还是电话网中的信号,信息就像高速 路上的汽车或管道中的水流一样被传输着。这些信息本身 是分离的,但也共享着网络资源。传统上,诸如路由、数据存 储、差错控制,还有其他的网络功能都是基于这个假设,然 而网络编码是最近信息论中的一个研究热点,它打破了这 个传统的假设。网络节点可以重组几个输入分组并送到一 个或多个输出,而不是简单地转发分组。 当然在节点对信息进行线性组合需要提高网络节点 的计算能力.即需要一定的硬件成本。但是按照莫尔斯定 律.这个成本会越来越低廉,网络的瓶颈问题将转向日益 增长的对网络带宽的需求上和对大型不可靠网络的QoS 的需求上。网络编码正是以廉价的硬件成本换取网络效力 的提高。 网络编码的理论创新具有普遍意义,应用前景十分广 阔,因而近年来,网络编码的理论及应用在信息论、编码理 论、网络交换、无线通信、计算机科学、运筹学、矩阵理论以 及许多其他学科领域,都受到人们的普遍关注。 参考文献 l Ahlswede R.Cai N,et a1.Network information flow.IEEE Trans on Information Theory。2Ooo。46(4) 2 Li S Y R.Yeung R W.Cai N.Linear network coding.IEEE Trans onInformationTheory,2oo3,49(2) 3 Li Z.Li B.Network coding in undirected networks.In:Prec of the 38th Annual Conference on Ifnormation Scienee and Systems fCIsS’2oo4),Princeton,New Jersey,March 2004 4 Koetter R,Medard M.Beyond routing:an algebraic approach to network coding.In:INFOCOM 2002,New York,2002 5 Koetter R,Medard M.An Mgebrmc approach to network coding. 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Key words network coding,max—flow min—cut,muhicast,throughput (收稿日期:2007-03-28) jk jk jk jk jk jk 窖 jk jk jk jk jk jk jk jk jk jk jk 窖 jk 窖 jk jk jk jk jk jk jk jk jk 窖 jk jk jk jk — }jk jk jk jk jk jk jk jk ・简讯・ 红帽定义重大开源迁移时机 客户将老式应用程序底层架构更新到面向服务架构(S0A) 提供了一个开放的、低成本、高价值的迁移基础。现在,新的 世界领先的开源解决方案提供商红帽公司.近Et宣布 支持订阅服务能明显简化在应用软件生命周期中用于S0A 正式收购MetaMatrix并且导人全新的JBoss产品线中.全面 的JBoss企业级中间件的使用。在整合后。Metamatrix能够 开展中间件策略去推动新一轮开源架构的迁移计划。 为JBoss企业级中间件增加共用数据服务S0A层,使数据 老式应用程序对数据来源的硬连接方式造成了不灵活 可以完全被集成应用、工作流和业务流程模块所使用。 的应用程序底层架构,阻止了公司IT资产共享,数据的再 随着这项产品发布,客户将会从升级IT基础架构到高 利用性,互操作性和商业的灵活性。JBoss企业级中间件为 价值和低价格的开源架构中得益。