基于網(wǎng)絡(luò )編碼的多信源組播通信系統

　　摘要：本文首先介紹網(wǎng)絡(luò )編碼理論的基本概念，回顧了近年來(lái)網(wǎng)絡(luò )編碼的研究動(dòng)態(tài)。接著(zhù)在使用NetFPGA開(kāi)發(fā)平臺的基礎上，提出網(wǎng)絡(luò )編碼組播通信系統及其整體設計方案。由于本系統的主要功能是由硬件實(shí)現，所以和傳統組播通信網(wǎng)絡(luò )相比，具有時(shí)延小，沒(méi)有了調度和排隊時(shí)間，使得網(wǎng)絡(luò )中鏈路負載更均衡，體現出了網(wǎng)絡(luò )編碼的優(yōu)勢。

　　關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò )編碼;組播;NetFPGA

　　網(wǎng)絡(luò )編碼理論基本概念

　　《科學(xué)美國人》雜志2007年6月，以“Breaking Network Logjams”(《打破網(wǎng)絡(luò )僵局》)為題，詳細介紹了17年前誕生于香港中文大學(xué)的網(wǎng)絡(luò )編碼理論[2]。其中指出，網(wǎng)絡(luò )編碼是繼60年前C.E.Shannon發(fā)表“通信的數學(xué)原理”后，網(wǎng)絡(luò )通信理論的一個(gè)全新突破。傳統網(wǎng)絡(luò )通信理論把信息流當成管道中流動(dòng)的水，是不可壓縮的;故傳統網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)上的路由交換機只是完成存儲轉發(fā)功能。NC理論的劃時(shí)代意義在于：提出網(wǎng)絡(luò )路由交換節點(diǎn)對輸入的信息流進(jìn)行編碼再發(fā)送，可進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò )吞吐量!從而改變了比特不能再被壓縮的經(jīng)典結論，即網(wǎng)絡(luò )信息流可以被壓縮。

　　網(wǎng)絡(luò )編碼最簡(jiǎn)單的概念來(lái)自“蝴蝶網(wǎng)”，如圖1所示。

　　圖1所示的網(wǎng)絡(luò )中，源節點(diǎn)S1想把信息流ai傳送給R1和R2。另一方面，源節點(diǎn)S2也希望在相同時(shí)間、以相同速度，把信息流bi傳送給同樣的接收節點(diǎn)R1和R2。假設每個(gè)路徑每秒可攜帶一個(gè)位元，而且只能順著(zhù)箭號所指的方向前進(jìn)。如果路由器只傳輸其所接收到的信息，那么中間鏈路將是個(gè)瓶頸，因為每秒總共接收到二位元的資料，但其容量只有一位元，路由器每秒只能傳送一位元資料給中間鏈路，這種瓶頸會(huì )造成可怕的塞車(chē)。相反，如果把一般的路由器換成編碼器，它可以把兩個(gè)信息通過(guò)異或或者線(xiàn)性組合運算成單一位元輸送給中間鏈路，并且發(fā)送ai + bi (或者ai和bi的任意線(xiàn)性組合)，這樣就輕而易舉地解決了塞車(chē)問(wèn)題[1][3]。網(wǎng)絡(luò )編碼另一個(gè)與路由系統不同之處在于充分利用網(wǎng)絡(luò )資源。圖1中，S1通過(guò)路徑S1R1把ai傳給R1，S2通過(guò)路徑S2R2把bi傳給R2，這在路由系統中是不會(huì )使用到的。節點(diǎn)R1接收到ai，并且根據每次編碼器運算結果，輸入到與編碼器使用的相同函數(異或或者線(xiàn)性組合)內，推導出bi。節點(diǎn)R2解出ai也是同樣的道理。

　　多信源組播系統結構及整體設計方案

　　本項目的主要研究目標是基于網(wǎng)絡(luò )編碼的多信源組播系統的實(shí)現?；趪鴥韧饩W(wǎng)絡(luò )編碼理論在組播通信中的最新研究成果和技術(shù)，對網(wǎng)絡(luò )編碼理論進(jìn)行深入學(xué)習和探討，提出一種基于網(wǎng)絡(luò )編碼的多信源組播系統和網(wǎng)絡(luò )。然后依據此系統設計出可實(shí)現組播的通信協(xié)議和相關(guān)算法，再利用開(kāi)放式的網(wǎng)絡(luò )設計硬件平臺NetFPGA[4]，使提出的協(xié)議和算法在硬件上實(shí)現，最后在實(shí)際的環(huán)境中用若干電腦和NetFPGA組成一個(gè)小型組播通信網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行系統測試和性能評估。

　　利用NetFPGA實(shí)現本設計的總體構想

　　由斯坦福大學(xué)開(kāi)發(fā)的NetFPGA是一個(gè)基于Linux操作系統的可重用開(kāi)放性硬件平臺，允許用戶(hù)在實(shí)驗室內搭建高性能的網(wǎng)絡(luò )模型進(jìn)行仿真和研究[5]。它具有以下特點(diǎn)：⒈很好地支持模塊化設計，它可以使研究人員在硬件上搭建Gbit/s高性能網(wǎng)絡(luò )系統模型;⒉NetFPGA是一個(gè)基于Linux系統的開(kāi)放性平臺，可以利用平臺上現有的資源，在前人開(kāi)發(fā)的基礎上添加自己的模塊和修改現有的系統，而不需要重復地搭建外圍模塊、開(kāi)發(fā)驅動(dòng)和GUI等，大大減輕了網(wǎng)絡(luò )研究的任務(wù)。

　　基于網(wǎng)絡(luò )編碼的組播通信系統將充分運用NetFPGA上面的各種硬件和軟件資源，實(shí)現系統的設計目標，具體是：⒈根據項目的需求，合理且充分利用NetFPGA卡上面的各種硬件資源，如FPGA、存儲芯片和輸入輸出接口。⒉由于基于NetFPGA實(shí)現的IPv4原理性路由器是一個(gè)開(kāi)源的系統，因此我們可以運用其提供的部分代碼和已經(jīng)設計好的底層硬件平臺，來(lái)幫助我們實(shí)現設計目標。例如，系統的編碼、解碼工作主要在網(wǎng)絡(luò )層完成，因此可以利用NetFPGA中已有的物理層、MAC層硬件邏輯來(lái)實(shí)現數據的接收和發(fā)送。⒊在軟件方面，由于NetFPGA平臺選擇了CentOS操作系統，并且開(kāi)發(fā)了軟硬件接口的驅動(dòng)程序，基于Linux內核的設備驅動(dòng)程序和Java程序開(kāi)發(fā)的圖形用戶(hù)界面(Java GUI)等，因此我們可以對其應用、改進(jìn)，使我們的系統更加完善，方便調試和后續的進(jìn)一步研究。