網(wǎng)絡(luò)編碼應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳送的相關(guān)問題探討

【摘 要】隨著通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)廣泛應(yīng)用，數(shù)據(jù)通信質(zhì)量要求也在不斷提高。如何在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)條件下更有效地利用網(wǎng)絡(luò)資源，提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳送性能，已成為網(wǎng)絡(luò)通信的一個(gè)重要研究課題。網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)融合了編碼和路由，能夠提供一些新的解決方案。本文主要分析了網(wǎng)絡(luò)編碼在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳送中的應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)編碼允許網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點(diǎn)的編碼轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包進(jìn)行操作和組合，不再局限于傳統(tǒng)的處理模式的轉(zhuǎn)發(fā)操作，能夠有效提高數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的性能。

【關(guān)鍵詞】網(wǎng)絡(luò)編碼 數(shù)據(jù)傳送 研究

一、前言

隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的快速發(fā)展，各種生產(chǎn)、生活和工作都已經(jīng)得到了應(yīng)用，通信網(wǎng)絡(luò)已廣泛應(yīng)用于各種形式當(dāng)中，人們對網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用也變得更依賴。在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)和分布式數(shù)據(jù)傳輸過程中，中間網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的存儲和轉(zhuǎn)發(fā)操作只對接收到的數(shù)據(jù)，同時(shí)，由于數(shù)據(jù)不能疊加的，因此，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸性能是一個(gè)瓶頸鏈路容量的限制，使網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)睦寐适菍?shí)現(xiàn)更大的吞吐量和更高的帶寬資源非常困難，所以網(wǎng)絡(luò)編碼應(yīng)用在數(shù)據(jù)傳送中的探究十分重要。

二、網(wǎng)絡(luò)編碼的概述和分類特點(diǎn)

網(wǎng)絡(luò)編碼能夠定義輸入和輸出的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系，中間節(jié)點(diǎn)的編碼條件（入度≥2）接收到的數(shù)據(jù)以某種方式進(jìn)行編碼，編碼后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)较乱还?jié)點(diǎn)，如果你需要的代碼，所接收的信息以相同的方式進(jìn)行編碼和傳輸，如此反復(fù)下去，直到所有的編碼信息都能夠達(dá)到目的節(jié)點(diǎn)。最后，目的節(jié)點(diǎn)就可以通過解碼獲得，從源節(jié)點(diǎn)得到原始信息。下圖是網(wǎng)絡(luò)編碼分類的描述：

NC分類標(biāo)準(zhǔn)NC類別NC類描述特點(diǎn)

編碼系數(shù)選擇方式確定性網(wǎng)絡(luò)編碼編碼向量是固定的

傳遞的數(shù)據(jù)為信息向量，編碼向量符號集較小，需網(wǎng)絡(luò)容量和拓?fù)湫畔?，?fù)雜度較高，魯棒性較低。

隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼編碼向量在指定的有限域內(nèi)獨(dú)立隨機(jī)選取

解決NC的分布式實(shí)現(xiàn)，編碼靈活，具有較強(qiáng)的實(shí)用性，但可能存在傳輸矩陣不能取得滿秩（解碼失效）。

編碼數(shù)據(jù)來源流內(nèi)網(wǎng)絡(luò)編碼相同數(shù)據(jù)流內(nèi)的不同數(shù)據(jù)分組進(jìn)行的編碼 主要考慮系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳送的可靠性。

流間網(wǎng)絡(luò)編碼不同數(shù)據(jù)流之間進(jìn)行的編碼 主要關(guān)注系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳送的有效性。

編碼的實(shí)現(xiàn)過程集中式網(wǎng)絡(luò)編碼一般用系統(tǒng)轉(zhuǎn)移矩陣描述信源輸入信息和信宿接收信息間的映射 編碼過程需獲取全局網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔ⅰ?/p>

分布式網(wǎng)絡(luò)編碼傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分組中記錄數(shù)據(jù)在各結(jié)點(diǎn)所經(jīng)歷的操作，數(shù)據(jù)接收端可從接收到的數(shù)據(jù)中直接解碼數(shù)據(jù)。 編碼過程無需網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?，具有良好的拓?fù)溥m應(yīng)性和較強(qiáng)的實(shí)用性。

三、網(wǎng)絡(luò)編碼應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳送的研究

（一）網(wǎng)絡(luò)編碼的多播數(shù)據(jù)傳送。不管是均勻的或不均勻的鏈接，網(wǎng)絡(luò)編碼都可以實(shí)現(xiàn)更高的網(wǎng)絡(luò)吞吐量，同時(shí)也為節(jié)點(diǎn)的平均度較大的多播網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)編碼能夠提高吞吐量，其優(yōu)勢會更加明顯。一個(gè)多終端網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)只考慮一個(gè)接收器的時(shí)候，該接收器具有相應(yīng)數(shù)量的傳輸速率，網(wǎng)絡(luò)編碼的應(yīng)用使得當(dāng)所有接收端與接收數(shù)據(jù)都同時(shí)使用時(shí)，每個(gè)接收器仍可以保持原始數(shù)據(jù)的傳輸速率；對多源多播網(wǎng)絡(luò)編碼，可以通過超級節(jié)點(diǎn)和多節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，多源組播數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)化為單源組播數(shù)據(jù)傳輸模型，有效提高數(shù)據(jù)的傳送效率。網(wǎng)絡(luò)編碼需要按照以下的方式進(jìn)行編寫，才能夠進(jìn)行高效的傳送：

Source Packet control header

Packet header 1FlagsG-IDSD1......Data1

Source Packet control header

Packet

header1FlagsG-IDSD2......Data2

Coded Packet control header

（二）網(wǎng)絡(luò)編碼的單播數(shù)據(jù)傳送。對于網(wǎng)絡(luò)編碼的單播數(shù)據(jù)傳輸?shù)难芯?，本研究主要把現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)編碼進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合。特別是基于網(wǎng)絡(luò)編碼的路由協(xié)議的研究，包括一些經(jīng)典的協(xié)議模型和改進(jìn)的協(xié)議的研究，如Katti.S等就提出了COPE協(xié)議，通過網(wǎng)絡(luò)鄰居節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息數(shù)據(jù)傳輸獲得鄰節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，然后決定分組的節(jié)點(diǎn)編碼傳輸?shù)臓顟B(tài)，提高了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。改進(jìn)的基礎(chǔ)上提出了解決chachulski.S在協(xié)議模型中提出了MAC機(jī)制，通過加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)和路由器的接入鏈路之間的合作機(jī)制的嚴(yán)控制，有效地提高了網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸性能，提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。

（三）提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。網(wǎng)絡(luò)鏈路的可靠性是提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸性能，尤其是對于多跳無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸，鏈路不穩(wěn)定（丟包率，鏈路故障率）是比較高的，這使得提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的可靠性就顯得更加重要了。在這方面，通過數(shù)據(jù)的重傳機(jī)制的合理設(shè)計(jì)可以減少重傳數(shù)據(jù)的存儲開銷，如較低的分組編碼來確認(rèn)信息逐跳反饋傳輸機(jī)制，同時(shí)提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，降低?shù)據(jù)傳輸延遲，可以減少多跳網(wǎng)絡(luò)的中間節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的保留時(shí)間，因此在很大程度上減少存儲開銷的數(shù)據(jù)重傳。

（四）保證數(shù)據(jù)的安全傳送。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸性能能夠影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，所以網(wǎng)絡(luò)編碼的另一個(gè)重要的目的就要要保障數(shù)據(jù)傳送的安全性能。網(wǎng)絡(luò)編碼在一定程度上為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸提供了有效的保證，網(wǎng)絡(luò)編碼解碼特征信息具有信息解密難度大的特點(diǎn)，即在網(wǎng)絡(luò)編碼傳送的過程中，一個(gè)竊聽者很難破解編碼的多徑路由代碼混合和傳輸數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)的傳輸更加安全，安全水平在很大程度上取決于特定的編碼機(jī)制。

四、基于網(wǎng)絡(luò)編碼數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的發(fā)展趨勢

（一）降低網(wǎng)絡(luò)編碼的復(fù)雜度。在提高網(wǎng)絡(luò)編碼效率的同時(shí)，還要降低網(wǎng)絡(luò)編碼的復(fù)雜度。網(wǎng)絡(luò)編碼的復(fù)雜程度涉及機(jī)制運(yùn)行的效率和網(wǎng)絡(luò)開銷，解碼過程也是網(wǎng)絡(luò)編碼操作機(jī)制的一個(gè)重要內(nèi)容，也是網(wǎng)絡(luò)編碼的性能評價(jià)的重要數(shù)據(jù)。優(yōu)化代碼施工方案，對編碼節(jié)點(diǎn)的操作頻率進(jìn)行有效的控制，基于網(wǎng)絡(luò)編碼的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的優(yōu)化和代碼的復(fù)雜度度量的描述機(jī)制。降低網(wǎng)絡(luò)編碼的復(fù)雜性，以減少所需的額外的計(jì)算量，降低了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的成本和費(fèi)用，網(wǎng)絡(luò)編碼的應(yīng)用程序已在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮著重要意義。

（二）網(wǎng)絡(luò)編碼和現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議有機(jī)結(jié)合。在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的研究中，路由協(xié)議是研究的一個(gè)重要內(nèi)容，特別是基于網(wǎng)絡(luò)編碼的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的研究，網(wǎng)絡(luò)編碼的路由協(xié)議就顯得更加重要了?；诰W(wǎng)絡(luò)編碼的多集中在路由參數(shù)和路由協(xié)議的相關(guān)概念的描述當(dāng)中，主要用于長期數(shù)據(jù)流和網(wǎng)絡(luò)固定網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它不在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的實(shí)際狀態(tài)協(xié)議。在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是動(dòng)態(tài)的，網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的形式具有多樣化，并與實(shí)時(shí)媒體傳輸數(shù)據(jù)的量得到增加，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流的QOS數(shù)據(jù)傳輸有嚴(yán)格的要求，因此，我們需要提供動(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的QOS的編碼感知路由協(xié)議，這是一個(gè)迫切需要解決的問題。

（三）數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩匝芯?。雖然網(wǎng)絡(luò)的中間節(jié)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)傳輸路徑會有更高的安全性，但也增加了編碼過程中的數(shù)據(jù)被篡改的風(fēng)險(xiǎn)，尤其是對確定性網(wǎng)絡(luò)編碼的方案，編碼過程本身就會涉及更多的節(jié)點(diǎn)，確定編碼系數(shù)的選擇還會使得系統(tǒng)安全性降低。因此，為了有效提高網(wǎng)絡(luò)編碼的數(shù)據(jù)傳輸過程中的安全性。基于網(wǎng)絡(luò)編碼的原理，需要不斷改進(jìn)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制，在現(xiàn)有的安全機(jī)制在數(shù)據(jù)交互（Key Exchange）編碼的數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，有效提高數(shù)據(jù)的編碼過程中的安全性，保證網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

（四）數(shù)據(jù)傳送的可靠性。提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃阅軌蛴行ПＷC網(wǎng)絡(luò)性能，網(wǎng)絡(luò)編碼來提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃灾惺且粋€(gè)重要的研究方向。目前，針對網(wǎng)絡(luò)編碼的主要圍繞數(shù)據(jù)重傳和多徑路由的數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行分析，它在很大程度上對網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)木幋a提供了可靠性的保證。目前廣泛應(yīng)用于多跳無線網(wǎng)絡(luò)，如無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)鏈路狀態(tài)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)表現(xiàn)出極大的不穩(wěn)定性，這是面臨的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)可靠性的研究和突破，提高數(shù)據(jù)傳送的穩(wěn)定性和可靠性。

網(wǎng)絡(luò)編碼是一種新的數(shù)據(jù)傳送的方式，它對提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸性能具有明顯的優(yōu)勢。利用網(wǎng)絡(luò)編碼來傳送網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，能夠有效的提高數(shù)據(jù)傳送的效率，還能夠保障數(shù)據(jù)的安全和可靠，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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作者簡介：

蔣文付，男，（1990-），云南省曲靖市人，本科，貴州師范大學(xué)電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)