基于網(wǎng)絡(luò)編碼的多信源組播通信系統(tǒng)

　　摘要：本文首先介紹網(wǎng)絡(luò)編碼理論的基本概念，回顧了近年來網(wǎng)絡(luò)編碼的研究動態(tài)。接著在使用NetFPGA開發(fā)平臺的基礎(chǔ)上，提出網(wǎng)絡(luò)編碼組播通信系統(tǒng)及其整體設(shè)計(jì)方案。由于本系統(tǒng)的主要功能是由硬件實(shí)現(xiàn)，所以和傳統(tǒng)組播通信網(wǎng)絡(luò)相比，具有時延小，沒有了調(diào)度和排隊(duì)時間，使得網(wǎng)絡(luò)中鏈路負(fù)載更均衡，體現(xiàn)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(xì)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(shù)學(xué)原理”后，網(wǎng)絡(luò)通信理論的一個全新突破。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信理論把信息流當(dāng)成管道中流動的水，是不可壓縮的;故傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上的路由交換機(jī)只是完成存儲轉(zhuǎn)發(fā)功能。NC理論的劃時代意義在于：提出網(wǎng)絡(luò)路由交換節(jié)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(jié)論，即網(wǎng)絡(luò)信息流可以被壓縮。

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

　　圖1所示的網(wǎng)絡(luò)中，源節(jié)點(diǎn)S1想把信息流ai傳送給R1和R2。另一方面，源節(jié)點(diǎn)S2也希望在相同時間、以相同速度，把信息流bi傳送給同樣的接收節(jié)點(diǎn)R1和R2。假設(shè)每個路徑每秒可攜帶一個位元，而且只能順著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瓶頸，因?yàn)槊棵肟偣步邮盏蕉辉馁Y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，這種瓶頸會造成可怕的塞車。相反，如果把一般的路由器換成編碼器，它可以把兩個信息通過異或或者線性組合運(yùn)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的任意線性組合)，這樣就輕而易舉地解決了塞車問題[1][3]。網(wǎng)絡(luò)編碼另一個與路由系統(tǒng)不同之處在于充分利用網(wǎng)絡(luò)資源。圖1中，S1通過路徑S1R1把a(bǔ)i傳給R1，S2通過路徑S2R2把bi傳給R2，這在路由系統(tǒng)中是不會使用到的。節(jié)點(diǎn)R1接收到ai，并且根據(jù)每次編碼器運(yùn)算結(jié)果，輸入到與編碼器使用的相同函數(shù)(異或或者線性組合)內(nèi)，推導(dǎo)出bi。節(jié)點(diǎn)R2解出ai也是同樣的道理。

　　多信源組播系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及整體設(shè)計(jì)方案

　　本項(xiàng)目的主要研究目標(biāo)是基于網(wǎng)絡(luò)編碼的多信源組播系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。基于國內(nèi)外網(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(xí)和探討，提出一種基于網(wǎng)絡(luò)編碼的多信源組播系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)。然后依據(jù)此系統(tǒng)設(shè)計(jì)出可實(shí)現(xiàn)組播的通信協(xié)議和相關(guān)算法，再利用開放式的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)硬件平臺NetFPGA[4]，使提出的協(xié)議和算法在硬件上實(shí)現(xiàn)，最后在實(shí)際的環(huán)境中用若干電腦和NetFPGA組成一個小型組播通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行系統(tǒng)測試和性能評估。

　　利用NetFPGA實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的總體構(gòu)想

　　由斯坦福大學(xué)開發(fā)的NetFPGA是一個基于Linux操作系統(tǒng)的可重用開放性硬件平臺，允許用戶在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)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(shè)計(jì)，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(tǒng)模型;⒉NetFPGA是一個基于Linux系統(tǒng)的開放性平臺，可以利用平臺上現(xiàn)有的資源，在前人開發(fā)的基礎(chǔ)上添加自己的模塊和修改現(xiàn)有的系統(tǒng)，而不需要重復(fù)地搭建外圍模塊、開發(fā)驅(qū)動和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(tǒng)將充分運(yùn)用NetFPGA上面的各種硬件和軟件資源，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，具體是：⒈根據(jù)項(xiàng)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(xiàn)的IPv4原理性路由器是一個開源的系統(tǒng)，因此我們可以運(yùn)用其提供的部分代碼和已經(jīng)設(shè)計(jì)好的底層硬件平臺，來幫助我們實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。例如，系統(tǒng)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層硬件邏輯來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)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(tǒng)，并且開發(fā)了軟硬件接口的驅(qū)動程序，基于Linux內(nèi)核的設(shè)備驅(qū)動程序和Java程序開發(fā)的圖形用戶界面(Java GUI)等，因此我們可以對其應(yīng)用、改進(jìn)，使我們的系統(tǒng)更加完善，方便調(diào)試和后續(xù)的進(jìn)一步研究。