基于網(wǎng)絡(luò)編碼的多信源組播通信系統(tǒng)

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1、48責(zé)任編輯：王瑩基于網(wǎng)絡(luò)編碼的多信源組播通信系統(tǒng)*MultisourceMulticastCommunicationSystemBasedonNetworkCoding張明龍李揮李亦寧塵福興北京大學(xué)深圳研究生院（廣東深圳518055）把信息流ai傳送給R1和R2o另一方面,源節(jié)點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R1和R2o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o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

2、頸會造成可怕的塞車o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]o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o圖1中,S1通過路徑S1R1把ai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o節(jié)點R1接收到ai,并且根據(jù)每次編碼器運算結(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bio節(jié)點R2解出ai也是同樣的道理o*國家自然科學(xué)基金(60872010)和北京大學(xué)深圳研

3、究生院院長基金(2009002)支持；本項目獲2010年“第二屆OpenHW開發(fā)源碼硬件與嵌入式大賽”第一名。本文于2011年1月28日收到。張明龍：碩士生；李揮：副教授，博導(dǎo)；李亦寧：碩士生；塵福興：博士生。他們主要從事網(wǎng)絡(luò)編碼及其相關(guān)通信領(lǐng)域的研究。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o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)點上的路由交換機只是完成存儲轉(zhuǎn)發(fā)功能oNC理論的劃時代意義在于:提出網(wǎng)絡(luò)路由交換節(jié)點對輸入的信息流進行編碼再發(fā)送,可進一步提升網(wǎng)絡(luò)吞吐量!從而改變了比特不能再被壓縮的經(jīng)

4、典結(jié)論,即網(wǎng)絡(luò)信息流可以被壓縮o網(wǎng)絡(luò)編碼最簡單的概念來自“蝴蝶網(wǎng)“,如圖1所示o圖1所示的網(wǎng)絡(luò)中,源節(jié)點S1想網(wǎng)絡(luò)編碼理論基本概念u科學(xué)美國人v雜志2007年6月,以“BreakingNetworkLogjams“(u打破網(wǎng)絡(luò)僵局v)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]o其中指出,網(wǎng)絡(luò)編碼多信源組播系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及整體設(shè)計方案本項目的主要研究目標(biāo)是基于網(wǎng)圖1網(wǎng)絡(luò)編碼的基本原理232011.3www.eepw.com.cn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

5、系統(tǒng)及其整體設(shè)計方案。由于本系統(tǒng)的主要功能是由硬件實現(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；NetFPGADOI:10.3969/j.issn.1005-5517.2011.02.00349責(zé)任編輯：王瑩要重復(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)o基于網(wǎng)絡(luò)編碼的組播通信系統(tǒng)將充分運用NetFPGA上面的各種硬件和軟件資源,實現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo),具體是:⒈根據(jù)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o

6、⒉由于基于NetFPGA實現(xiàn)的IPv4原理性路由器是一個開源的系統(tǒng),因此我們可以運用其提供的部分代碼和已經(jīng)設(shè)計好的底層硬件平臺,來幫助我們實現(xiàn)設(shè)計目標(biāo)o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層硬件邏輯來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送o⒊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(JavaGUI)等,因此我們可以對其應(yīng)用>改進,使我們的系統(tǒng)更加完善,方便調(diào)試和后續(xù)的進一步研究o系統(tǒng)實現(xiàn)的整體設(shè)計方案說明如圖2所示,是擬

7、采用的組播通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋱Do為了易于在工程上實現(xiàn),將網(wǎng)絡(luò)編碼路由器分為編碼路由器EC和解碼路由器DC,分別專門負(fù)責(zé)編碼和解碼o具體講,如圖2所示,信源S1,S2,S3發(fā)送數(shù)據(jù)包,編碼路由器EC0和EC1負(fù)責(zé)將接收到的數(shù)據(jù)包以隨機的系數(shù)進行線性編碼后發(fā)送給組播路由器R,注意,這里的組播路由器更準(zhǔn)確地說是轉(zhuǎn)發(fā)路由器,因為它的功能只是將收到的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到其三個輸出端口,而沒有IGMP(組播管理)和相應(yīng)的組播路由功能o當(dāng)然,我們也可以直接在EC上實現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)的功能,增加R的原因是考慮到NetFPGA端口數(shù)量的限制(每塊NetF