基于自適應(yīng)編碼的數(shù)據(jù)中心加速傳輸?

基于自適應(yīng)編碼的數(shù)據(jù)中心加速傳輸?

謝群李靜力

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昆明供電局昆明650200）

面對網(wǎng)絡(luò)帶寬難以滿足日益增長的云數(shù)據(jù)跨區(qū)域傳輸?shù)膯栴}，論文以多數(shù)據(jù)中心統(tǒng)一資源管理和調(diào)度的運營系統(tǒng)為數(shù)據(jù)中心，為了降低噪聲對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懖⑻嵘龜?shù)據(jù)中心加速傳輸?shù)哪康?，設(shè)計了私密信息校驗包編碼、譯碼和解碼完成自適應(yīng)編碼方案。在分布式數(shù)據(jù)中心的發(fā)散式數(shù)據(jù)傳輸過程中，建立數(shù)據(jù)傳輸衰敗模型完成數(shù)據(jù)中心服務(wù)器從信息包到校驗包自動解碼的流程。通過對數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)傳輸自適應(yīng)編碼矩陣信息包解碼來驗證數(shù)據(jù)加速傳輸?shù)目煽啃耘c實用性。

數(shù)據(jù)中心；自適應(yīng)編碼；傳輸速度；服務(wù)器

Class NumberTP872

1 引言

伴隨著計算機(jī)云服務(wù)的不斷發(fā)展，云端數(shù)據(jù)的規(guī)模從TB級增長到了PB級［1］。數(shù)據(jù)中心的集中與分發(fā)不僅滿足全球各地數(shù)據(jù)中心之間的傳輸，更為分布式云數(shù)據(jù)平臺分擔(dān)存儲壓力［2］。面對數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)量大和分布范圍廣的特點［3］，大規(guī)模的云數(shù)據(jù)跨區(qū)域傳輸占用了大量的網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，增加了網(wǎng)絡(luò)傳輸成本［4］。在云數(shù)據(jù)環(huán)境下，通過改變網(wǎng)絡(luò)帶寬［5］、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［6］和調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸方式［7］等技術(shù)可加速數(shù)據(jù)中心的傳播速度。本文在分布式云數(shù)據(jù)系統(tǒng)中構(gòu)建了多數(shù)據(jù)中心傳輸模型，通過建立網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑損耗和傳輸帶寬的衰落函數(shù)來對數(shù)據(jù)編碼的發(fā)散式傳輸進(jìn)行建模。在面對竊取數(shù)據(jù)信息的攻擊和白噪聲干擾網(wǎng)絡(luò)傳輸時，利用數(shù)據(jù)中心服務(wù)器引入編碼的方式，設(shè)計了私密信息校驗包編碼、譯碼和解碼的自適應(yīng)編碼方案，提高了數(shù)據(jù)中心加速傳輸?shù)膶嵱眯浴?/p>

2 系統(tǒng)模型

2.1數(shù)據(jù)中心

在分布式云數(shù)據(jù)中心資源調(diào)度系統(tǒng)中，假設(shè)多數(shù)據(jù)中心統(tǒng)一資源管理和調(diào)度的運營系統(tǒng)為本研究的數(shù)據(jù)中心。利用數(shù)據(jù)管理者i(1≤i≤M)與數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的帶寬為di，與數(shù)據(jù)中心的傳輸數(shù)據(jù)量θi來共同確定M個終端隨機(jī)分布在數(shù)據(jù)中心連接口的不同位置。數(shù)據(jù)中心向多個位于不同位置的終端校驗包信息［8］。一般情況下在數(shù)據(jù)中心周圍存在非法的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)竊取者，在數(shù)據(jù)中心發(fā)送終端校驗信息的同時嘗試竊取數(shù)據(jù)中心的校驗包信息［9］，其詳細(xì)的數(shù)據(jù)中心發(fā)散式網(wǎng)絡(luò)模型，如圖1所示。

圖1 多數(shù)據(jù)中心傳輸模型圖

2.2數(shù)據(jù)傳輸

為了體現(xiàn)帶寬用戶的區(qū)域分布以及不同路徑噪聲擾動所帶來的影響［10］，假設(shè)任意兩個傳輸點之間的有線傳輸鏈路中包含不同尺度衰落以及高斯白噪聲。本文主要將數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂綋p耗所導(dǎo)致的大尺度衰落納入考慮之中，一般來說，路徑損耗的主要影響因素包括傳輸環(huán)境以及傳輸點之間的距離，故可以將傳輸點i和j之間的路徑損耗建模如下其中，di,j表示傳輸點i與j之間的距離；η表示數(shù)據(jù)傳輸過程中的路徑損耗系數(shù)。假定尺度較小的衰落與尺度較大的衰落相互獨立互不干擾，且主要是由一個傳輸信號的帶寬在不同延時路徑傳輸后并在接收端疊加的衰落［11］，傳輸帶寬的衰落可建模為

其中，hi,j表示服務(wù)器和第i個傳輸點之間的網(wǎng)絡(luò)信道衰敗系數(shù)，CN(0,1)表示第i個傳輸點的均值為0，方差為N0的高斯白噪聲。加性高斯白噪聲下的衰敗信道丟包率Pn(γ)與接收數(shù)據(jù)信號的關(guān)系可以近似表示為

2.3數(shù)據(jù)建模

通過在數(shù)據(jù)中心服務(wù)器引入編碼，基于數(shù)據(jù)編碼的發(fā)散式數(shù)據(jù)傳輸模型，如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)編碼的發(fā)散式傳輸

由數(shù)據(jù)中心服務(wù)器完成從信息包到校驗包自動解碼的流程，同時將其傳輸給共享同一帶寬的帶寬用戶，此時位于有線傳輸環(huán)境中的可竊取到截獲的校驗包的字符信號［12］。在進(jìn)行有線數(shù)據(jù)傳輸之前，數(shù)據(jù)中心首先將等待傳輸?shù)乃矫苄畔嚎s包劃分為k個彼此相互聯(lián)系的信息包，然后數(shù)據(jù)中心通過使用啟發(fā)式自適應(yīng)編碼方法對k個信息包進(jìn)行編碼重組，并通過源發(fā)射傳輸節(jié)點想合法接收信號點進(jìn)行傳送。無論是合法的接收信號點用戶還是竊取端都需要獲得足夠的校驗包完成整個原始數(shù)據(jù)的解碼過程，當(dāng)合法接收信號點完成了整個原始數(shù)據(jù)的解碼過程時，則需向數(shù)據(jù)中心服務(wù)器發(fā)送信息反饋，源發(fā)射傳輸節(jié)點根據(jù)反饋信息將終止編碼的發(fā)送此時若竊取用戶未完成整個原始數(shù)據(jù)的解碼過程，則竊取用戶將無法獲得私密數(shù)據(jù)文件信息，數(shù)據(jù)安全得以保障。

3 自適應(yīng)編碼方案

3.1編碼設(shè)計

自適應(yīng)編碼方案的設(shè)計是本文的核心方案，采取自適應(yīng)啟發(fā)式算法來阻斷竊取數(shù)據(jù)信息的攻擊，其具體的編碼原理主要從以下三個層次展開：

1）按照啟發(fā)式算法的編碼原則將所有私密信息的k個信息包分別傳輸一遍，將“個別未進(jìn)行傳輸?shù)男畔迸c“所有帶寬用戶均成功解碼的信息包集合”（記為D*=D1∩D2∩···∩DN）作為當(dāng)前時刻校驗包字符信號進(jìn)行輸出。

2）完成數(shù)據(jù)的編碼準(zhǔn)則之后，由于有線傳輸信道存在差異性以及衰落信道存在干擾，帶寬用戶普遍出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，判別標(biāo)準(zhǔn)為所有帶寬用戶均成功譯碼的信息包集合D*小于閾值K 4［13］，此時首先篩選出被最少的帶寬用戶成功譯碼的信息包，并將其作為當(dāng)前時刻校驗包字符信號進(jìn)行輸出。

一方面，農(nóng)村土地的分散經(jīng)營，制約了農(nóng)業(yè)機(jī)械化、產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，降低了土地的有效利用率，影響了農(nóng)村勞動生產(chǎn)率的提高；另一方面，靜態(tài)的承包地?zé)o法根據(jù)市場需求進(jìn)行流轉(zhuǎn)，難以集中到種糧大戶手中，從而影響了農(nóng)業(yè)集約化經(jīng)營，造成農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)模小，效益得不到提高。

3）經(jīng)過篩選，解碼進(jìn)程加快，帶寬用戶普遍出現(xiàn)丟包現(xiàn)象得到緩解，這是應(yīng)當(dāng)篩選出被最多的帶寬用戶成功譯碼信息包，并將其作為當(dāng)前時刻校驗包字符信號進(jìn)行輸出。

以某一時刻私密數(shù)據(jù)校驗包的傳輸為例，數(shù)據(jù)中心編碼操作流程圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)傳輸流程圖

3.2算法實現(xiàn)

本文將私密信息校驗包編碼來對自適應(yīng)編碼方案的算法實現(xiàn)進(jìn)行描述。首先由記錄下所有帶寬用戶對于接收的信息報的具體的解碼情況，同時將其定義為編碼矩陣M。矩陣M為I行J列矩陣，K代表劃分的源信息包的個數(shù)，N代表帶寬用戶的個數(shù)，此外矩陣M中的元素為mij且mij∈(0,1)，mij=0的含義是第i個信息包成功由第j個用戶解碼，mij=1則表明第i個信息包未被第j個用戶解碼。默認(rèn)初始時矩陣M為I×J的全1矩陣。通過對編碼矩陣M進(jìn)行解碼是否成功的判斷，得到與自適應(yīng)編碼方案的算法編碼原理對應(yīng)的算法實現(xiàn)，其具體實現(xiàn)步驟如下：

Step1：由服務(wù)器端口記錄下矩陣M中的全為0的行和全為1的行的行標(biāo)，同時分別存于j0和j1中；

Step2：對j1進(jìn)行進(jìn)一步判斷看是否為空：若j1非空，則將j0的全部元素與j1中某一個元素編號相對應(yīng)的私密文件信息包作為當(dāng)前時刻校驗包字符信號進(jìn)行輸出；若j1為空，則算法繼續(xù)；

Step3：對j0中的元素個數(shù)進(jìn)行判斷：若j0中元素的個數(shù)小于閾值k 4，則篩選出與矩陣M中行的數(shù)量之和最大相對應(yīng)的行標(biāo)存于jmax，并將該行標(biāo)對應(yīng)編號的私密文件信息包與j0中全部元素編號相對應(yīng)的私密文件信息包作為當(dāng)前時刻校驗包字符信號進(jìn)行輸出；若j0中元素個數(shù)小于閾值k 4，則算法繼續(xù)；

Step4：矩陣M去掉全為0的行之后得到矩陣記為M0，并篩選出M0中行的數(shù)量之和最小對應(yīng)的行標(biāo)存于jmin中，從jmin中篩選出由若干行組成的矩陣并且其列和均小于2，再將選出行標(biāo)的全部元素編號相對應(yīng)的私密文件信息包作為當(dāng)前時刻校驗包字符信號進(jìn)行輸出。

4 實驗仿真

4.1參數(shù)設(shè)置

自適應(yīng)編碼的數(shù)據(jù)中心加速傳輸方案的模擬仿真環(huán)境是由信息包源發(fā)送端以及N個合法的帶寬用戶均勻分布。模擬實驗仿真中，有線傳輸信號通道的路徑損耗系數(shù)為α=2.75。同時由于竊取用戶的位置存在不穩(wěn)定性，假設(shè)竊取用戶位于半徑為1的圓上。仿真中發(fā)送端源信息包的個數(shù)設(shè)為K=130。根據(jù)式（3）中接收信號的信道丟包率的映射關(guān)系，自適應(yīng)編碼的校驗包在經(jīng)過衰落信道之前需要經(jīng)過調(diào)制解調(diào)器，且碼率近似為0.56，映射關(guān)系中的擬合參數(shù)取值如表1所示。

表1 實驗參數(shù)

為了驗證本研究提出的關(guān)于數(shù)據(jù)中心自適應(yīng)編碼下的加速傳輸，利用LT編碼和最優(yōu)度編碼對自適應(yīng)編碼網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行對比。其中，LT編碼針對大規(guī)模數(shù)據(jù)分發(fā)使用數(shù)字噴泉碼進(jìn)行設(shè)計［14］；而最優(yōu)度編碼利用信息包編碼分組度的隨機(jī)概率進(jìn)行選擇，具體的公式如下［15］：

其中，K和θ分別代表網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)源信息包總數(shù)和待解碼數(shù)據(jù)個數(shù)。

4.2實驗結(jié)果

通過Matlab數(shù)值仿真模擬，系統(tǒng)帶寬信道設(shè)為30dB，帶寬用戶個數(shù)設(shè)定為100個，仿真中統(tǒng)計105次實現(xiàn)，考查網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心信息包在不同的編碼方案下，截獲率和傳輸效率隨帶寬用戶個數(shù)和信道變化。如圖4和圖5所示。

由圖4可得，從編碼方案的模擬仿真結(jié)果中不難看出，伴隨著帶寬用戶的不斷增多，通過使用本文所提出的自適應(yīng)編碼方案能夠有效地降低竊取用戶端截獲私密文件信息包的概率。當(dāng)帶寬用戶的數(shù)量小于等于10時，本文所提出的編碼方案下竊取用戶端截獲私密文件信息包的概率幾乎為0，當(dāng)帶寬用戶的數(shù)量大于10時，隨著帶寬用戶數(shù)的增多，竊取用戶端截獲私密文件信息包的概率在上升，同時另外兩條曲線也存在遞增的情況。這主要是由于帶寬用戶數(shù)量的增多使得仿真系統(tǒng)所面臨的信息包丟失的情況更加多變和復(fù)雜，為了對較多帶寬用戶信息包丟失的情況進(jìn)行維護(hù)，信息包源發(fā)送端需要發(fā)送更多的校驗包，而此時竊取用戶端更加有機(jī)會截獲更多的校驗包從而完成對原始數(shù)據(jù)的解碼和破譯。

圖4 不同編碼方案下的截獲率

圖5不同編碼方案下的傳輸效率

圖5 （a）描繪了數(shù)據(jù)源發(fā)端私密文件信息的傳輸效率在不同編碼方案下隨系統(tǒng)帶寬信道的變化而變化的曲線。仿真中帶寬用戶的個數(shù)N=100。從編碼方案的模擬仿真結(jié)果中不難看出，伴隨著系統(tǒng)帶寬信道的不斷增多，無論是LT編碼和最優(yōu)分布編碼兩種基準(zhǔn)方案還是本文提出的自適應(yīng)編碼方案，數(shù)據(jù)源發(fā)端的私密文件信息的傳輸效率曲線都在攀升。出現(xiàn)這樣現(xiàn)象的原因可能在于帶寬用戶端的接收帶寬信道隨著系統(tǒng)帶寬信道的增加而增加。再參考接收端帶寬信道與帶寬用戶信道的丟包率之間的存在的關(guān)聯(lián)情況，帶寬用戶信道丟包率隨著接收端帶寬信道的增加而減小，因此會出現(xiàn)帶寬用戶丟包率降低的情況。此時接收端依照自適應(yīng)編碼方案的原則所傳輸?shù)牡男ｒ灠畔⒁惨虼藴p少，本文提出的自適應(yīng)編碼方案傳輸效率較高。

圖5（b）描繪了數(shù)據(jù)源發(fā)端私密文件信息的傳輸效率在不同編碼方案下隨系統(tǒng)帶寬用戶個數(shù)的變化而變化的曲線。隨著系統(tǒng)帶寬用戶個數(shù)的不斷增多，本文提出的自適應(yīng)編碼方案在私密文件信息包的傳輸性能方面遠(yuǎn)高于LT編碼和最優(yōu)分布編碼兩種基準(zhǔn)方案。當(dāng)帶寬用戶數(shù)量小于等于20時，隨著帶寬用戶數(shù)量的增多，三種方案的數(shù)據(jù)源發(fā)端的私密信息傳輸效率曲線下降較為明顯。當(dāng)帶寬用戶數(shù)量大于20時，隨著帶寬用戶數(shù)量的增多，三條曲線的下降速度趨于平緩。出現(xiàn)這種情況的原因在于帶寬用戶數(shù)量的增多使得仿真系統(tǒng)所面臨的信息包丟失的情況更加多變和復(fù)雜，為了對較多帶寬用戶信息包丟失的情況進(jìn)行維護(hù)，信息包源發(fā)送端需要發(fā)送更多的校驗包，此時的數(shù)據(jù)源發(fā)端的傳輸效率也將越大。

綜上所述，本文提出的自適應(yīng)編碼數(shù)據(jù)傳輸加速方案在竊取端截獲私密文件信息包的概率性能方面遠(yuǎn)低于LT編碼和最優(yōu)度編碼兩種基準(zhǔn)方案，同時，該編碼設(shè)計隨著帶寬信道和用戶個數(shù)的增加，傳輸效率明顯優(yōu)于LT編碼和最優(yōu)度編碼。因而可以應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心加速分發(fā)傳輸，且具有較高的安全性。

5 結(jié)語

運用網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑損耗和傳輸帶寬的衰落函數(shù)來模擬數(shù)據(jù)中心發(fā)散式傳輸，將傳輸路徑的白噪聲干擾和竊取數(shù)據(jù)信息的攻擊考慮到數(shù)據(jù)傳輸過程中，利用數(shù)據(jù)編碼的方式對數(shù)據(jù)中心傳輸信息包進(jìn)行編碼，設(shè)計了私密信息校驗包編碼、譯碼和解碼完成自適應(yīng)編碼方案。通過將本研究提出的自適應(yīng)編碼網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)加速方案與LT編碼和最優(yōu)度編碼方案進(jìn)行對比分析，結(jié)果顯示：在數(shù)據(jù)傳輸通訊噪聲環(huán)境下，自適應(yīng)編碼方案通過將信息包源進(jìn)行編碼，確保了數(shù)據(jù)加速傳輸?shù)陌踩?；在不同的帶寬信道與帶寬用戶個數(shù)條件下，自適應(yīng)編碼可以更好地提升網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分發(fā)的傳輸效率，為數(shù)據(jù)中心安全可靠的加速傳輸提供了理論依據(jù)。

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Data Center Accelerated Transmission Based on Adaptive Coding

XIE QunLI Jingli
（Yunnan Power Grid Co.，Ltd.Kunming Power Supply Bureau，Kunming650200）

Faced with the problem that network bandwidth is difficult to meet the growing cloud data inter-regional transmis?sion，this study is to unify multiple data center resource management and scheduling of operating system for the data center.In order to reduce the effect of noise on the network data transmission and improve data center acceleration the purpose，the design of the pri?vate information encoded parity packet decoding and decoded adaptive coding scheme is designed.In the divergent data transmis?sion process distributed data centers，the establishment of the data transfer is completed decay model data center servers from pack?et to packet checksum automatically decode process.Through the data center network transmission adaptive coding matrix informa?tion，the data packet decoding accelerated reliability and practicality transmission are validated.

data center，adaptive coding，transmission speed，server

TP872

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.05.032

2016年11月20日，

2016年12月31日

國家自然科學(xué)基金資助項目（編號：51277085）資助。

謝群，男，工程師，研究方向：云計算與信息技術(shù)。李靜力，女，碩士研究生，高級工程師，研究方向：大數(shù)據(jù)與信息安全。