确定性网络中基于网络编码的多源组播研究

摘要

随着互联网用户数量的急速增长导致的网络规模大幅扩张，带宽资源越来越匮乏，以及用户对信息质量要求的不断提高，如何充分地利用有限的网络带宽资源成为通信领域的一个重要研究方向。在网络技术的革新中，组播技术凭借着避免了物理链路上数据包重复传输从而节省带宽资源的优势脱颖而出。随着网络编码理论的提出更使传统组播通信的组播容量、组播时延、带宽利用率等服务质量局限性问题的解决成为可能，因此研究如何设计出统一高效的网络编码组播策略具有十分重要的理论与现实意义。
　　基于此，本文针对确定性网络的特性，设计了一种由网络编码组播路由算法与网络编码构造算法相结合的组播策略，通过改进已有算法提出了一种集中式网络编码循环增广组播路由算法（Centralized Network Coding Cycle Augmented Multicast Routing Algorithm, NCCA）和与之匹配的集中式网络编码分层构造算法（Centralized Layered Structure Network Coding Algorithm, LSNC），NCCA算法能提高多源组播路由方案的组播容量并降低组播延迟，LSNC能降低网络编码构造算法的收敛时间，从而能进一步提高多源组播的平均传输速率。本文的主要工作如下：
　　（1）针对传统基于网络编码的多源组播路由算法如NCMA获得最大组播容量和最小组播延迟概率较低的问题，在 NCMA算法的基础上进行了改进，构建了一种集中式网络编码循环增广组播路由算法NCCA，其思想是首先各节点通过BFS算法遍历链路状态分组获得整个网络的拓扑信息，以 Dijkstra算法为基础增广每个信宿节点的路由集，然后选出最优路由集，最后将所有信宿节点的路由集进行组合，得到最终的整体路由方案。NCCA算法生成的组播路由方案进一步提高了组播容量并降低了组播延迟。
　　（2）针对现有编码构造算法如 SFDLNC的收敛时间较高的问题，进一步优化了SFDLNC算法，提出了一种集中式确定线性网络编码分层构造算法LSNC，其核心思想是首先规定组播路由算法所确定的组播路由方案中入度大于出度的中间节点为编码节点，然后通过虚拟试播从上游至下游逐层为编码节点分配编码系数，保证每个编码节点收到线性无关的全局编码向量，如果发现输入冗余数据的链路允许对原路由方案实行修剪枝，持续这个过程直到最终使信宿节点接收到满秩的全局编码矩阵，从而确定了编码节点的局部编码向量，保证了信宿节点可以进行解码。LSNC算法进一步降低了构造编码节点局部编码向量的收敛时间。
　　（3）使用了NS2自带的开源网络拓扑生成工具GT-ITM模拟了链路状态动态变化的确定性网络，编写了LSNC和NCCA程序，运用仿真软件NS2搭建了仿真实验，模拟了在确定性网络中的组播通信过程并生成了记录仿真过程的trace文件，通过编写awk程序提取trace文件的参数并用MATLAB进行分析，分别测试了两种算法的各项性能指标，研究了影响组播通信性能的相关参数，并与同类算法进行了比较，最后比较了不同组播策略的平均组播传输速率，验证了LSNC与NCCA相结合的多源组播策略在较稳定的网络上能进一步提高多源组播通信的平均传输速率。

目录

声明

致谢

1 绪论

1.1 组播路由与网络编码的研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 网络编码的主要内容及研究方向

1.4 本文创新点

1.5 本文的主要内容及结构安排

2 网络编码多源组播通信研究

2.1 网络编码概述

2.2 网络编码组播通信基本理论

2.3 网络编码构造算法分类

2.4 现阶段典型的网络编码构造算法

2.5 本章小结

3 基于网络编码的组播路由算法研究

3.1 组播路由概述

3.2 基于网络编码的组播路由算法的相关知识

3.3 现阶段典型的组播路由算法

3.4 本章小结

4 新型集中式网络编码循环增广组播路由算法 NCCA

4.1 NCCA组播路由算法概述

4.2 NCCA组播路由算法的原理及分析

4.3 NCCA组播路由算法流程

4.4 NCCA组播路由算法收敛性及复杂度分析

4.5 NCCA组播路由算法仿真实验及结果分析

4.6 本章小结

5 集中式确定线性网络编码分层构造算法LSNC

5.1 LSNC算法的背景及依据

5.2 LSNC算法的基本原理

5.3 LSNC算法的流程

5.4 LSNC算法的仿真实验及结果分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

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