网络编码研究综述

网络编码研究综述

摘要：网络编码是通信网络中信息处理和传输理论研究上的重大突破，它的核心思想是允许网络节点对所传输的信息进行编码处理。它在提高网络数据吞吐量即数据传输可靠性等方面拥有显著的优势。本文介绍网络编码的基本原理以及主要优缺点，对网络编码的研究进展进行分析，分析网络编码当前面临的重要问题，以及解决网络编码问题可能采取的方法。

关键词：网络编码；随机网络编码；网络编码机制

引言

香港中文大学的R. Alshwede 等在2000年的IEEE信息会议上发表的一篇著名论文[1]，该论文首次提出了网络编码(Network Coding)的概念，并从理论上证明了：如果允许网络节点对传输的信息按照合适的方式进行编码处理，而不是局限于传统的存储和转发，则基于该方式的网络多播总能够实现理论上的最大传输容量。网络节点对传输信息进行操作和处理的过程，就称为网络编码。

网络编码的提出是网络通信领域中的一项重要突破，自其被Ahlswede提出以来，已迅速发展成为一个重要的研究领域，对信息论、编码、通信网络、网络交换理论、无线通信、计算机科学、密码学、矩阵论等研究领域产生了深远的影响，已成为当今最热门的研究领域之一。网络编码是一种融合编码和路由的信息交换技术。它的原理是，网络中的节点对接收到的多个数据分组进行编码融合，经过编码后的数据被中间节点以多播的方式进行转发，目的结点可依据相应的编码系数进行解码，从融合的数据中还原出原始的数据，网络编码通过允许网络中间节点对不同数据流数据编码获得网络最大流传输理论的上界，从而改变了传统网络节点智能从当存储、转发的角色。

网络编码已引起国内外学者的广泛关注，国外一些著名的院校和实验室都对网络编码进行了研究，例如MIT、普林斯顿大学和微软研究院等，它们的研究侧重点在应用网络编码提高网络吞吐量及提高网络能量利用率，以及编码提高网络传输的可靠性和安全性等方面。其中，前一个侧重点的研究多集中在传输中编码策略的研究[2-3]，而在提高数据传输的可靠性等方面的研究多集中在数据的重传策略方面[4]。国内香港中文大学和西安电子科技大学等方面的学者对网络编码的研究做出了重要的贡献，网络编码的思想是由杨伟豪和李硕彦首次提出。他们将网络编码应用于检测和纠正网络错误的研究。杨伟豪和蔡宁[5]在经典纠错码的基础上引入了网络纠错码的概念，通过引入空间域的冗余代替时间域的冗余来纠正

网络通信中的错误，将经典纠错码的Hamming界、Singleton界和Gilbert-Vashamov界推广到网络编码中。

本文对网络编码的基本概念和网络编码的研究现状以及在研究中存在的问题进行描述和分析。

1.网络编码的原理和优缺点

1.1网络编码的原理

在传统的网络中，节点仅对接收的数据进行存储和转发，难以达到网络传输的最大吞吐量和带宽利用率，若数据传输路径出现瓶颈链路，则网络数据传输性能将受到限制。为此，引入网络编码技术，增加节点对数据的编码运算能力，节约网络链路的带宽资源，减小网络数据传输中瓶颈链路的影响。R. Alshwede等以著名的“蝴蝶网络”模型为例，阐述了网络编码的基本原理。如图1所示，“单信源二信宿”蝴蝶网络，设各链路容量为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，该多播模型理论最大传输容量为2，即信宿Y和Z能够同时接收信源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，假定节点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，但是信宿Y时能收到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容量传输。图1(b)表示的是网络编码方法，节点W对收到的信息不再仅仅是存储、转发了，而是对收到的信息进行异或操作，然后将操作结果b1^b2转发出去，经过链路最终到达信宿Y和Z。信宿节点收到信息后进行解码操作（对于Y节点，解码操作为b1^（b1^b2））就能解出b1或b2，因此信宿Y和Z就能同时收到信源发出的b1和b2。因此基于网络编码的多播实现了理论上的最大传输容量。

由此知道，网络编码的核心思想是，具备编码条件的网络节点对收到的信息进行一定方式的处理，然后传传输给下一级的网络节点，如果收到信息的下一级网络节点拥有编码能力，同样进行对信息编码，如此一级级传递下去，直到所有经过处理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，即译码，解码出信宿节点传递的原始信息。网络编码是发生在域F q上的操作，如果域F q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(t i)}, t i∈T。

图1. 单信源二信宿蝴蝶网络

1.2网络编码的优缺点

1.2.1网络编码的优点

提升网络吞吐量是网络编码带来的最大优势，而且理论证明，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。如果Ω为信源节点的符号空间，|V|为通信网络的节点数目，对于每条链路都是单位容量的通信网络，基于网络编码的多播的吞吐量是路由多播的Ω倍[6]。

网络编码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，有助于解决网络拥塞等问题。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性失败对网络连接的影响，提高网络连接的鲁棒性，减少网络管理的开销。在无线网络中，还能降低网络传输能耗，增加网络传输的安全性[7]。

1.2.2网络编码的缺点

虽然网络编码有很多的优势，但是网络编码在带来优势的同时也有伴随着一些不利因素，例如，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网络传输延时和节点的额外的输入输出功耗。在节点中进行编译码所耗费的时间也是不容忽视的问题，此外，应用网络编码还存在同步问题，也就是说，信宿节点必须等待收到足够的编码信息，才能够开始译码，同步问题给实时系统中应用网络编码提出来挑战。