基于网络编码技术的应用分析

刘俊辉，李 娜

(河南牧业经济学院信息工程系,河南郑州,450011)

0 引言

网络编码的工作原理是把不同的信息通过运算转化成新信息，新信息可以在多个中间节点间的多条路径上反复传递，最终被送往接收节点，然后在接收节点演绎还原。不需额外容量和路由，只需把新信息转换成位流即可。

1 网络编码工作原理

著名的“蝴蝶网络”(Butterfly Network)模型阐述了网络编码的工作原理。如图1所示的“单信源二信宿”蝴蝶网络，设各个链路容量为1，S是信源节点，Y和Z是信宿节点，其余为中间节点。根据“最大流最小割”定理，该多播的最大理论传输容量为2，即理论上信宿Y和Z能够同时收到信源S发出的2个单位的信息，也就是说能同时收到b1和b2。图1(a)表示的是传统的路由传输方式，节点W执行存储和转发操作。假定W转发信息b1，则链路WX、XY和XZ上传输的信息均为b1，虽然信宿Z收到b1和b2，但信宿Y却只能收到b1 (同时收到一个多余的b1)，因此信宿Y和Z无法同时收到b1和b2，该多播不能实现最大传输容量。

图1 “单信源二信宿”蝴蝶网络

图1(b)表示的是网络编码方法，节点W对输入的信息进行模二加操作，然后将操作结果发送至输出链路WX，然后又通过链路XY和XZ，最终达到信宿Y和Z。Y收到b1和后，通过译码操作就能解出b2，因此，信宿Y同时收到了b1和b2。同理，通过译码操作，信宿Z也同时收到b1和b2。由此，基于网络编码的多播实现了理论上的最大传输容量。可见，网络编码的核心思想是：具备编码条件的网络节点(比如该节点的入度至少为2，如图1中的节点W就具备编码条件，节点X则不具备编码条件)对接收到的信息进行一定方式的处理(编码) ，然后传输给下一级的网络节点，收到消息的下一级节点如果具备编码条件，又对其接收的信息按照同样的方式进行处理和传输，如此反复，直到所有经过处理后的信息都汇聚到信宿节点为止。最后，在信宿节点，通过逆过程的操作(译码)，即可译出信源发送的原始信息。网络编码是发生在域Fq上的操作,如果域Fq无限大，则运用网络编码的多播传输能达到理论上的最大传输容量等于各信宿节点的最大流的最小值，

即 h= min max flow(ti)，ti∈ T。

网络编码可以分为经典网络编码和随机网络编码两大类。在一个通信网络中，如果允许网络节点对其输入信息进行线性编码，则可以使网络中单播或组播的信息传输达到著名的最大流上届。经典网络编码中，局部编码核和与之对应的全局编码核是事先给定的，信息数据作为向量从发点发出；中间节点按照给定的局部编码核对接收到的若干向量作线性编码；当收点接收到足够的向量后，则根据全局编码何解出原始数据向量。随机网络编码，没有事先给定全局编码核：信息向量由发点出发到达中间节点，中间节点随机选取局部编码核对输入向量作线性编码，并由该局部编码和计算出相应的全局编码核，然后将相应的全局编码核附在每个数据包中进行发送。网络中无错误时，收点在收到足够多的数据包后，提取出全局编码核，并由其解得原始数据包。

2 网络编码技术的特点

2.1 网络编码技术的优点

（1）提升网络吞吐量，采用网络编码可以比路由具有更高的吞吐量；

（2）改善网络负载均衡，网络编码技术可有效的利用除多播树路径以外的其他网络路径；

（3）提高带宽利用率；

（4）节省无线网络节点能量消耗。

2.2 网络编码技术的缺点

（1）复杂性增大。中间节点参与编解码，与路由的存储转发相比，增加了CPU计算额外负担，信宿解码的复杂性为O，因为要实现编码同步，需要增加缓存消耗，而且无论是解码还是缓存，都需要延长信宿解码的时间，对实时应用有较大的影响。

（2）安全性问题凸显。无线网络中的网络编码，即线性网络编码，线性多播说明了凡是最大流量大于等于信源消息数量的节点都可以利用网络编码收到所有信源消息，线性广播说明每个节点可以根据自身的接入带宽收到相应的消息，相当于多速率接受；线性扩散则说明每个节点不仅多速率接受，而且保证信宿节点以互补的形式接受消息，而一般线性网络编码则要求每个需要线性独立的地方都必须线性独立，以保证最有效的传输；有环网络中的网络编码，即卷积网络编码，卷积多播，卷积广播，卷积扩散，卷积网络码。

3 网络编码与路由的比较

3.1 网络编码性能比路由优越

拓扑：有向图无环图，有向图有环图和无向图。传输方式：单播、广播、多播、多源多播。会话个数：单会话、多会话。分层：物理层，网络层，应用层（覆盖层）。

（1）基于网络层比较：有向无环图、无向图、有向有环图。

（2）基于应用层的 比较：在应用层，或者称为覆盖层，采用单播实现多播和广播，利用应用层上的单播来间接实现IP层的多播和广播。由于实际上是单播，所以可以归结为单会话单播的情形。

我便耐心地给这两位对足球看上去不怎么感兴趣的哥们补课，从荷兰队的三剑客说到德国战车，从西班牙斗牛士说到意大利绿茵风云，侃巴乔、范巴斯滕、克林斯曼、贝克汉姆。一个人兴致勃勃地说了半天，仍无人插口，我只好知趣地闭上了嘴，继续看我的球赛。要知道，在学校与陌生人熟悉最快的方式就是侃足球，一侃气氛就会热烈了。

（3）基于物理层的比较：[Physical Layer network coding]提出了另一种多跳网络环境下的物理层网络编码PLNC（ Physical Layer network coding），充分利用了无线信道的广播特性，引入合适的机制，在物理层上利用同时到达的电磁波本身具备的加性特点进行类似于网络的编码。PLNC的吞吐量与采用传网络编码和不采用网络编码相比可以达到50%-100%的增加。

网络编码的主要思想既是针对确定的编码调制方案找到相应的解调标准使得物理层电磁波叠加可以隐射到网络层比特流的叠加编码。网络编码可看成是路由的超集。

4 网络编码技术的应用

4.1 网络编码在无线网络的应用

网络编码技术可以有效减轻网络通信的负担，避免资源的无谓浪费。无论有多少个目标地址，在整个网络的任何一条链路上只传送单一的数据包。服务器只需要发出一个流，然后由网络中的路由器或交换器同时复制出n个流。在网络交换中，信息交换的两个节点间可以由一个大的距离隔开。而交换，通常是指在一个网络节点的合作，是基于路由协议的，而交换只是一个功能单一的设备，是基于转发表，交换结构和调度算法的。单速率组播的有点是，可以较快地响应网络拥塞并精确地控制发送速率。但大规模异构网络中，由于但速率组播以最慢接收者的速率发送数据，虽然对具有较高带宽的接收者是不公平的。提高发送速率固然固然能够增加快接收者的带宽利用率。

4.2 网络编码在协作分集中的应用

无线信道具有的多经衰落特性是阻碍信道容量增加，影响无线通信传输速率与质量的重要瓶颈，如何克服多经效应便成为提供通信质量要解决的首要问题。分集技术是抗多经衰落的有效方式，常见的分集方式主要有时间分集、频率分集合空间分集。

空间分集技术从不同的位置（天线）发送信号，在接收端得到经过独立衰落的多个信号副本，可以有效消除多经衰落的影响。空间分集不需要占用额外的时间和频带资源，并且可以和其他分集方式相结合，得到了广泛的关注。近些年来提出的多输入多输出（MIMO）天线技术，通过在接收端和发送端同时安置多个天线，形成MIMO信道结构，从而将传输通信系统中存在的多经因素变成对用户通信性能有理的因素，充分利用空域资源，大幅度提高了信道容量。

5 网络编码技术的研究

网络编码不仅仅是网络层的问题，实际上物理层的问题也值得研究。我那个落编码分散了信息，其编译码特性增加了信息破译难度，从而改善了系统安全性。

6 结语

Network Coding 的基本思想是允许网络中间节点参与编码，该理论具有达到最大容量的优势。划时代的意义在于：推翻了独立比特（commodity）不能再被压缩的经典结论，指出网络信息流（Network Information Flow）可以 被压缩，从而进一步提升网络吞吐量。

[1]《network coding theory》2006 R.W.Yeung,S.-Y.R.Li,N.Cai,and Z.Zhang.

[2]《network coding ：an introduction》2007 Tracey Ho,Desmond S.Lun

[3]黄佳庆,王帅,陈文清.网络编码在P2P网络中的应用[J].中兴通讯技术,2009,15(1):37-39.

[4]孙建镇.基于链路稳定性及网络编码的无线网络关键技术研究[D].北京邮电大学，2011.