网络编码中的优化问题研究

简要回顾了网络编码的理论研究,阐述了网络编码优化问题研究的重要意义.在介绍网络信息流模型的基础上,针对优化问题的陈述、特点和解法,结合最新的研究成果进行了综述.根据优化目标的不同,优化问题可分成4类:最小花费组播,无向网络的最大吞吐率,最小编码节点、编码边,基于网络编码的网络拓扑设计.归纳了问题的求解性质,对其中的(线性或凸)规划问题总结了求解的一般方法,对NP完全问题讨论了最新的启发式算法及其设计难点.同时,展望了未来的发展方向.     

联合编码开销与安全性能的网络编码优化方案

网络编码技术在提高网络吞吐量和传输效率等方面具有很大优势,但该技术需要在节点处进行额外编码操作,增加了编码开销。针对在保证最大多播速率的前提下,降低编码开销的同时兼顾网络编码安全程度的问题,现提出一种联合编码开销与安全性能的网络编码优化方案。该方案首先在基于预选择机制的小生境遗传算法的基础上加入了预处理机制。其次,构建了新的适应度函数。最后采用了一种更科学的种群规模的确定方式。仿真结果表明,该算法比传统的基于遗传算法的网络编码优化方案在收敛时间、进化代数、编码开销和安全程度四个方面更具优势。     

基于遗传算法的网络编码优化

在前人优化研究方法的基础上,结合网络编码优化问题自身的特点提出了新的解决方案.首先是算法的预处理部分:1) 给出了统一的方法由不同的资源描述函数生成遗传算法所必须的适应值函数,使得各种不同的网络编码资源优化问题都能利用同样的遗传算法模型;2) 通过检验有多条输入链路的输出链路进一步缩小优化算法的搜索范围.其次,针对网络编码资源优化问题随机解几乎不能让所有接收者都达到组播速率的特点,在一般的遗传算法中加入以下新的处理:1) 在初始化阶段使用更为精细的算法产生更高质量的初始成员.2) 在遗传算法每次循环开始时额外调用初始成员生成算法,加入一定数量的新成员,从而避免了局部性问题.3) 对于不能达到最大组播速率的网络编码方案,基于各个接收者各自的接收速率确定更为合适的适应值而不是统一设为?1,从而使这些方案也能参与算法的进一步处理而不是完全被淘汰.模拟实验结果显示,新的优化算法不仅运行得更快,而且输出的网络编码方案所消耗的资源也更少.     

多单播模型下的网络编码研究

每个信源-信宿对之间只有一个商品流(Commodity)唯一地表示从信源到信宿的流量,该模型称为多单播模型.由于无线网络、P2P等应用均可看作基于多单播模型,所以如何在多单播模型下提升网络的性能成为研究的重点.网络编码近年来作为能有效提升网络性能的方法之一,其应用于多单播模型下的各种科学问题成为研究热点.本文研究多单播模型下的网络编码关键理论,主要内容包括网络容量区域、编码构造算法和联合编码等方面,最后讨论基于多单播模型下网络编码的研究前景.     

SDN中绿色路由的信令开销控制

为了降低在绿色路由条件下SDN控制器的信令开销,本文在SDN单控制器域中研究能量效率和信令开销之间的权衡。首先构建一个整型线性规划,在考虑整个网络能量消耗的基础上建立最小化控制器开销的目标函数;其次设计两种启发式算法来寻求该问题的近似最优解。仿真结果表明,在活跃链路数相同条件下,两种算法的控制器信令开销更小,故本文设计的启发式方法在绿色路由条件下可以减少控制器处理初始请求的信令开销。     

一种基于网络编码的应用层多播算法

研究了对多播网络进行网络编码的方法,提出了一种基于网络编码的应用层多播算法.该算法在计算网络拓扑时考虑了链路的花费.源端和-中间节点使用随机线性编码方法进行编码,在目的端进行解码操作使得目的端能从乱序的信息和部分丢失的信息中恢复出原始数据,提高了网络的可靠性.通过对ns-2的扩展并进行仿真实验,结果证明了基于网络编码的应用层多播算法是可以提高网络的吞吐量,并且和网络中最大的吞吐量比较接近.在信息块不是很大的情况下,编码延迟率的增长是在一定的范围内的.     

基于网络编码的多播路由算法研究

网络编码的提出在一定程度上提高了多播通信的传输性能。简要总结了网络编码多播传输理论的研究进展,并对网络编码多播路由问题进行了研究。分析了已有算法的优势及不足,同时考虑影响资源消耗的因素,文中提出了一种基于最短路径和最大共享链路集的网络编码多播路由算法。通过在随机网络拓扑模型下的性能仿真实验分析,发现与传统的IP最短路多播和约简网络下网络编码多播路由算法相比,该算法可显著减少网络带宽资源消耗,同时能够有效均衡链路负载。     

无线网络中网络编码子图优化问题的研究

文中主要针对存在链路时延且节点缓存受限的无线网络来考虑网络编码子图优化问题。提出所研究问题的连续时间模型,进而又推导出离散时间模型。为简化所研究问题,引入时间扩展网络拓扑模型,基于该模型提出网络编码子图分布式优化算法,并通过仿真评估节点缓存大小对系统性能的影响。仿真结果表明,节点缓存越长,最优子图的总能耗越少。最后,对比网络编码技术和路由技术对系统性能的影响,仿真结果表明有网络编码的系统性能优于传统的无网络编码系统。     

随机线性网络编码污染数据的检测分析

网络编码对注入网络的污染数据攻击具有固有的脆弱性,针对该问题,讨论2种分别基于同态哈希函数和线性空间签名来检测随机线性网络编码中污染数据的方案,推导同态哈希函数的一般形式并证明方案的正确性。对比分析2种方案在不同数据分块大小情况下的计算开销和荷载效率,并给出一种新的组合检测方案。     

基于非对称网络编码的无线多媒体广播重传算法*

现有的网络编码广播重传算法都没有考虑对长度不等的数据分组进行编码重传时的编码效率及相应的编码算法优化问题。为此,针对性地提出一种基于非对称网络编码的无线多媒体广播重传算法(wireless multimedia Broadcast Retransmission algorithm based on Asymmetric Network Coding,BRANC)。BRANC在编码包可解条件限定下将不等长的数据分组进行拼接,并自适应地选择数据分组进行编码,从而有效地减少重传次数。同时,BRANC增加标志位的数据分组分割方式减小了传输的控制开销。理论分析和仿真结果表明,BRANC算法较对称网络编码广播重传算法可以有效地提升网络性能。     

软件定义空基骨干网中的编码感知机会路由方案

为保障空基通信任务的高效实施,针对软件定义空基骨干网中路由信息交互时存在的时延、开销以及可靠性方面的不足,提出一种改进的兼具软件定义与网络编码优势的CAOR-SD方案。该方案在沿用编码感知机会路由基本思想的前提下,将节点距离与编码收益综合考虑构造转发消耗函数进行候选转发节点优先级的分配,从而提高网络传输效率;同时对控制报文的反馈机制和节点的流表结构进行设计,控制开销有效降低。仿真结果表明,该路由方案可较好地适应空基通信场景,能够降低传输时延和路由开销,提高网络吞吐量和数据成功传输率。     

应用累积系数确认的网络编码机会路由协议

在无线mesh网络中,机会路由通过高效使用无线传输的广播特性显著地提高了无线网络的吞吐量.引入网络编码,使得机会路由协议可以避免复杂的调度,更加易于实现.然而,网络编码的引入给机会路由协议带来新的问题：转发节点应该发送多少编码包?MORE等协议依据平均链路状况信息来预计节点转发编码包数目的方法,无法准确判定发送的冗余.以CCACK为代表的研究采用逐跳反馈的方式来减少编码包的冗余发送.首先,针对采用正交向量确认的CCACK机制进行分析,说明了CCACK尽管可以减少确认开销,减少误判,但却带来了“信息空间已覆盖而无法正交”的漏判问题.在此基础上,提出了一种基于累积编码系数反馈确认的网络编码机会路由协议CFACK.该确认机制中转发节点通过侦听下游节点的编码系数向量,并与来自上游节点的编码系数向量进行相关性分析,从而获知下游节点信息是否覆盖自身信息.证明了在无差错网络环境下该确认机制不存在误判和漏判的可能,同时,在有差错网络环境下对该确认机制的有效性进行了分析.结果表明：在一般节点分布情况下,利用额外的一次携带确认,可以确保90%以上的准确性.仿真测试结果表明：CFACK相比CCACK,显著提高了网络的吞吐量,平均提高率为72.2%,同时在编码计算、存储和包头开销上都少于CCACK.     

基于节点社会性的无线网络编码传输策略研究

延迟容忍网络是一种缺乏持续连接的新型网络体系结构,选择合适的转发节点是实现延迟容忍网络高效的转发和投递消息的关键问题。由于节点移动性和网络拓扑动态变化等会对延迟容忍网络的传输效率产生影响,提出了一种基于节点社会性和利用随机线性网络编码的DTN网络模型NSNC-DTN。NSNC-DTN网络模型利用网络中的社团结构、社团紧密度以及节点活跃度,选择出最合适的转发节点。离线计算节点的社会性,对源节点和Center节点进行随机线性网络编码,在线完成转发,从而达到高效转发和投递的目的。仿真结果表明NSNC-DTN网络能够有效的提高信息投递成功率,减小端对端的网络延迟和网络开销。     

基于网络编码的无线网络容量分析

无线网络容量一直是无线网络领域的研究热点,而网络编码通过赋予中间节点对接收数据包进行编码、组合的能力,可以有效提高网络容量,达到最大流—最小割定理确定的理论上限.本文在Gupta和Kumar提出的信号干扰噪声比模型基础上,首先分析网络节点均匀分布时发送节点与目的节点进行多跳传输的无线网络容量计算方法;接着推导出了基于网络编码的无线网络容量计算公式,并利用MATLAB中求解线性规划问题的函数linprog()求解网络最大流及各链路流量,以此求出无线网络容量上界.通过对无线网络容量上界进行MATLAB仿真,得到如下结论:无线网络容量上界随节点数量的增加呈现先增加后减少的趋势;且当节点数量趋于无穷大时,网络容量趋于零;与传统的存储转发模式相比,采用网络编码有利于提高网络容量.     

网络编码下不可靠自组织网络高效路由算法

无线自组织网络(wireless ad hoc network)中链路的不可靠性与高丢包率是影响网络性能和应用的主要缺陷.为了优化多跳的不可靠无线网络中完成数据传输所需的数据分组发送次数,提出了融合路径切换思想的基于网络编码的路由协议(network coding routing with path switching,简称NCPS).为了发现潜在的适合网络编码的路径,首先分析并提出了网络中路径可编码与可解码条件;其次对比于传统的最优路径,分析得出了在网络编码下路径切换所能获取的编码收益;最后以优化网络中数据分组发送次数为目标,设计了网络编码下结合路径切换的路由协议.实验结果表明,在不同的网络环境参数下,NCPS能够有效减少网络中的数据发送次数,获取稳定的编码收益.     

多描述编码与网络编码在无线传感器网络中的应用

多描述编码可以有效地防止图像数据的丢失,防止对单份数据的依赖,保证接收端收到图像的质量。网络编码可以有效提高网络带宽利用率。为了适应数据在无线传感器网络中的可靠传输,并节省网络的带宽,提出将多描述编码与网络编码相结合的思想,以多条路径传输为基础,将其应用在无线传感器网络中。     

基于势博弈的多路径网络编码研究

介绍反向共乘的网络编码形式,基于博弈理论提出用于多路径网络编码通信分割的势博弈模型。分析一种8个节点的网络拓扑,以网络传输总成本作为优化目标设计势函数,使用博弈中的BNN动态作为激励结构调整流在不同路径上的通信分割,使网络系统收敛于Wardrop均衡,即最低成本状态。仿真结果表明,该模型使用BNN动态能够有效调整流的通信分割,从而最小化网络传输总成本。