网络编码研究

石国筑

关键词:网络编码信息流发展趋势

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的。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。在许多实际应用中，人们为了信息分析、信息安全以及交换的目的，总是要在中间节点进行某种形式的数据处理。人们普遍认为，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。编码最初是在物理层，在高层是否能带来好处一直以来是有争议的。而网络路由的传统操作是尽可能避免数据流的碰撞，但最近研究显示在多播环境下与单一路由相比，如果允许中间节点处理信息可明显提高传输速率。网络编码的核心思想就是允许并提倡网络中间节点对信息进行融合。路由本身则被视为一种特殊的编码，即节点的输出是输入的一组数字排列。

一、网络编码的优缺点

1.提升网络吞吐量。提升吞吐量是网络编码最主要的优点．无论是均匀链路

还是非均匀链路，网络编码均能够获得更高的多播容量，而且对于节点平均度数越大，网络编码在网络吞吐量上的优势越明显。

2．均衡网络负载。网络编码多播可有效利用除多播树路径外其它的网络链路，可将网络流量分布于更广泛的网络上，从而均衡网络负载。

3．提高带宽利用率。提高网络带宽利用率是网络编码的另一个显著的优点。此外，通过网络编码，可以抵抗网络链路和节点的非各态历经失败对网络链接的响，提高网络链接的鲁棒性，减小网络管理的开销。如果用在无线网络中，还能节省传输能耗，增加传输的安全性等；如果用在P2P文件共享系统中，除了能够显著提高下载效率，还能有效应对节点动态加入和离开、链路失效和网络带宽吞噬等问题。

虽然网络编码优点突出，但运用网络编码增加了计算的复杂性，而且网路节点需要缓存足够的输入信息，因此编码操作增加了传输时延和节点的额外的I／O、CPU消耗。一些学者对网络编码的综合性能进行了初步的研究和探讨。统计数据表明，即使应用最有效的随机网络编码，其编码和译码的时间也不容忽视。此外，应用网络编码还存在同步问题，这主要是由于信宿节点必须等待收到足够的编码信息，才能开始译码．同步问题给在实时系统中应用网络编码提出了挑战。

二、网络编码的应用

1.无线网络

无线网络的物理层广播特性和业务流的双向性非常适合使用网络编码最新的热点集中于物理层网络编码、基于编码的协作方案设计以及实际编码协议性能评估等。相对于传统的合作方案,基于网络编码的方案在同等的频谱效率下可达到更高的分集增益。Katti等人针对无线网状网提出了基于机会的网络编码协议COPE,并在20个节点的网络测试床上完成了协议实现。这是首个搭建测试床检验实际编码协议性能的研究,结果表明即使在网络连接动态变化甚至出现拥塞的情况下,COPE协议仍能有效支持多路单播流。

2．P2P系统

P2P内容分发协议一直是P2P应用系统的研究热点。基于网络编码的内容分发协议在节省带宽资源、提高系统的抗毁性和可扩展性等方面都比无编码协议优势明显,但也面临着解码计算复杂、延时过大导致系统性能下降的新问题。有学者指出在P2P系统中采用随机线性码,仅在编码块数目较少且块大小合适的情形下其性能才可接受。

3．分布式文件存储

分布式文件存储是网络编码又一个应用热点。Acedanski等人研究了在多个存储资源受限的节点间进行分布式文件存储的问题,比较了无编码存储、基于纠删码存储和采用随机线性码存储3种策略,仿真结果表明,基于随机线性码的分布式存储策略,在无需全局文件服务器的参与时,其性能接近集中式全局调度算法。

4．网络安全

中继节点对编码数据的恶意修改可能会导致网络编码使用受限甚至不可用1消除拜占庭敌手影响一直是网络编码安全应用研究中备受关注的问题。有人提出一种用散列函数检测拜占庭敌手的方法。Jaggi进一步给出了一种多项式复杂度的分布式算法,在可纠正敌手错误的前提下,同时达到最优组播速率,该方法无需对编码节点添加新的功能,对无线和有线网络均适用。Krohn等人提出一种基于同态散列函数的方法用于检测被修改的编码分组,但该方法需要将计算好的散列值预先通过其他通道分发给所有节点,因此该方法具有一定的局限性。有人利用椭圆曲线算法给出了一种适用于网络编码的签名方案,除了可检测被修改的分组,还加入了对数据的身份认证功能。

三、网络编码的应用展望

1．网络编码理论的进一步完善。现有的网络编码理论研究主要集中于单源组播网络的线性网络编码，针对多源组播网络和非组播网络的网络编码理论研究还远不够深入,如何利用非线性网络编码优化网络性能,也是未来一个重要的研究方向。

2．网络编码与其他相关领域的技术的融合。包括网络编码和信源编码Slepian2Wolf的联合设计与优化、网络编码与信道编码和调制技术的进一步结合以及网络编码与多描述分层编码的结合等,都是值得关注的方向。

3．降低网络编码的复杂度。网络编码对网络性能的提升伴随着设计和实现复杂度的增加，综合考虑性能增益和网络开销,实现最小代价的网络编码是将来需要深入研究的问题。

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，网络编码的新应用将不断涌现。

参考文献：

[1]陶少国,黄佳庆,杨宗凯,乔文博,熊志强.网络编码研究综述[J].小型微型计算机系统,2008(4).

[2]杨林,郑刚,胡晓.网络编码的研究进展[J].计算机研究与发展,2008(3).

[3]付琳,付志雄.网络编码理论与研究方向[J].通信与信息技术,2007(1).