应用于多源多汇网络的组播间网络编码控制方法

摘要

本发明公开了一种应用于多源多汇网络的组播间网络编码控制方法，该方法在网络中间节点通过比较直接存储转发数据的传输增益和进行组播间网络编码的传输增益的大小，判断是否需要进行组播间网络编码；同时中间节点通过与其下游节点交换所收到的数据信息判断组播间网络编码是否可以解码，以及选择最佳的组播组进行组播间网络编码。该方法可以有效提高网络吞吐量，同时保证了组播间网络编码的解码性能。在网络链路带宽有限时，该方法可以有效保证各个组播组之间的传输公平性。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种应用于多源多汇网络的组播间网络编码控制方法，网络中的中间节点通过比较单纯存储转发数据的传输增益和进行组播间网络编码增后的传输增益的大小，可以判断是否需要进行网络编码；同时中间节点和其下游节点交换所收到的数据信息可以判断组播间网络编码是否可以解码，以及如何进行组播间网络编码。

技术背景

在网络通信中，如何最大化信息交互提高网络吞吐量一直是信息论理论和网络技术研究的热点。网络编码技术允许网络中间节点进行数据融合编码，与不同于传统的存储转发技术相比，可以有效地提高网络的吞吐量。

一般的通信网络，通常存着多个组播组，即有多个源节点和多个目的节点。每一个组播组由一个源节点发起，通过中间转发节点，将采集的数据发送到多个目的节点。传统的网络编码，通常是将网络编码技术应用一个组播组内部，网络中的中间节点可以将收到来自同一个源节点的数据进行线性组合，并将编码生成的数据分发出去。这种组播内的网络编码可以提高单独一个组播的吞吐量，而对于整个网络整体的吞吐量提高并没有贡献。因为多个组播组之间存着大量公用的中间转发节点，相应的链路带宽被多个组播组公用，其有限的链路带宽制约了整个网络的吞吐量提高。

传统的组播内网络编码，可以看作是一种特殊的组播间网络编码。当网络中的只存在一个组播时，组播间网络编码将退化成组播内网络编码。比较起传统组播内网络编码，组播间网络编码更为复杂。如何选择编码的组播组和保证组播间网络编码的可解码性是组播间网络编码的主要研究问题。

发明内容

本发明的目的在于针对如何在多个组播组之间应用网络编码技术的问题，提出了一种应用于多源多汇网络的组播间网络编码的控制方法，该方法能来提高链路利用增加网络的吞吐量，并保证网络编码可解码性。

为达到上述目的，本发明的构思是：网络中间节点在收到来自不同组播组的数据时，比较存储转发获得的传输增益和进行组播间网络编码获得的传输增益的大小，判断是否需要进行组播间网络编码；中间节点与其下游节点交换收到的数据信息，判断组播间网络编码的解码性，从而选择合适的组播组，对它们的数据进行组播间网络编码。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种应用于多源多汇网络的多组播间网络编码的控制方法，其特征在于具体步骤如下：

步骤1：初始化，各个组播中的源节点采集数据，并将数据打包依次发送出去；

步骤2：中间节点接收来自不同源节点的数据包；

步骤3：中间节点对收到的数据包进行相关性判断：线性无关则转至步骤5；

步骤4：接收到数据包之间存在线性相关，表明收到的数据包进行过网络编码，则中间节点先进行网络编码解码得到线性无关的数据包；

步骤5：接收到数据包之间线性无关，将其放入不相关数据队列；

步骤6：中间节点计算单纯转发每个源节点数据得到的传输增益和发送组播间网络编码数据得到的传输增益；

步骤7：中间节点得到转发最佳源节点传输增益和最佳组播间网络编码的传输增益；

步骤8：中间节点比较两者增益和的大小：转发传输增益大于等于编码传输增益时转至步骤9，否则转至步骤10

步骤9：中间节点不进行网络编码而是单纯转发源节点的数据，则返回转至步骤2，如此循环上述步骤直到源节点中的数据发送完毕；

步骤10：中间节点与其下游节点交换收到数据的信息；

步骤11：判断下游节点能否收到用于组播间网络编码解码的数据：能收到用于解码的数据则转至步骤12，否则转至步骤9；

步骤12：网络编码传输增益大于转发传输增益时，中间节点对于来自源节点和的数据进行组播间网络编码；

步骤13：中间节点发送编码后的数据，则返回转至步骤2，如此循环上述步骤直到源节点中的数据发送完毕。

本发明中的多源多汇网络的组播间网络编码控制方法与现有技术相比较，具有的优点：

1，该方法中网络中间节点可以根据收到的来自多个组播组的数据，通过比较直接转发和进行组播间网络编码带来的传输增益，判断是否进行组播间网络编码，能最大化网络传输增益，提高网络的整体吞吐量；

2，该方法中网络中间节点通过与下游节点交换数据，可以选择最佳的组播组进行组播间网络编码，在提高网络吞吐量的同时，保证了组播间网络编码的解码性能；

3，该方法在网络链路带宽有限时，可以有效保证各个组播组之间的传输公平性。

附图说明

图1本发明应用于多源多汇网络的组播间网络编码控制方法的流程图。

图2本发明的实施例中传输数据进入中间节点后的示意图。

图3本发明的实施例中通信网络拓扑示意图。

图4在固定链路带宽条件下，组播组和的传输速率可达区域的示意图。

图5在固定链路带宽条件下，采用本发明传输和传统存储转发方式传输性能比较的示意图。

图6在随机链路带宽条件下，采用本发明传输和传统存储转发方式传输性能比较的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和优选实施例对本发明的实施例作进一步详细的描述。

本实施例以图3所示网络拓扑为例进行说明。

用表示多源多汇通信网络，其中表示网络中的节点集合，表示网络中的链路集合。和分别表示网络中的源节点集合和目的节点集合。每个源节点（）可以通过多条路径发送数据到相应的目的节点。表示中的一对源节点和目的节点，代表间的多条路径。网络中每条链路均有一个带宽容量。

表示为个不相关的随机过程，每个随机过程代表相应源节点采集发送的数据。表示源节点分配给第路径到目的节点的传输速率。网络中每个节点，均有和两个集合分别表示节点的上游节点和下游节点。对源节点而言，为空集。对目的节点而言，为空集。对网络中的链路而言，表示源节点到目的节点的第路径占用链路的流量，表示链路上网络编码后数据的传输速率。

多组播网络中，各源节点发送数据到相应目的节点时，存在大量共用的中间节点和链路。当中间节点收到多个组播的数据时，链路带宽被多个源节点共用，其有限的带宽使得链路变成瓶颈链路限制了源节点发送速率和网络的吞吐量。定义为链路上，节点直接转发源节点获得的传输增益；为链路上，节点将对源节点和的数据网络编码后获得的传输增益，如下：

其中，是节点的下游节点，代表节点的下游节点收到的用于组播间网络编码解码的数据流量。

中间节点通过计算单纯转发每个源节点数据得到的传输增益集合和发送多组播间网络编码数据得到的传输增益集合，可以得到最大的转发传输增益，其最佳的源节点记为，最大的多组播间网络编码的传输增益，其最佳的源节点集合为。最大的转发传输增益和最大的多组播间网络编码的传输增益分别定义为：

如图1、2所示，本应用于多源多汇网络的多组播间网络编码控制方法，其具体步骤如下:

步骤1：初始化，各个组播中的源节点采集数据，并将数据打包依次发送出去；

步骤2：中间节点接收来自不同源节点的数据包；

步骤3：中间节点对收到的数据包进行相关性判断：线性无关则转至步骤5；

步骤4：接收到数据包之间存在线性相关，表明收到的数据包进行过网络编码，则中间节点先进行网络编码解码得到线性无关的数据包；

步骤5：接收到数据包之间线性无关，将其放入不相关数据队列；

步骤6：中间节点计算单纯转发每个源节点数据得到的传输增益和发送组播间网络编码数据得到的传输增益；

步骤7：中间节点得到转发最佳源节点传输增益和最佳组播间网络编码的传输增益；

步骤8：中间节点比较两者增益和的大小：转发传输增益大于等于编码传输增益时转至步骤9，否则转至步骤10

步骤9：中间节点不进行网络编码而是单纯转发源节点的数据，则返回转至步骤2，如此循环上述步骤直到源节点中的数据发送完毕；

步骤10：中间节点与其下游节点交换收到数据的信息；

步骤11：判断下游节点能否收到用于组播间网络编码解码的数据：能收到用于解码的数据则转至步骤12，否则转至步骤9；

步骤12：网络编码传输增益大于转发传输增益时，中间节点对于来自源节点和的数据进行组播间网络编码；

步骤13：中间节点发送编码后的数据，则返回转至步骤2，如此循环上述步骤直到源节点中的数据发送完毕。

下面给出使用本发明的方法的数值仿真实验。假设网络中每条链路具有相同的固定带宽容量，图4给出了组播组和的传输速率可达区域。不采用组播间网络编码，源节点和不能同时达到最大组播传输容量；采用组播间网络编码，组播组和可以同时达到最大组播传输容量，即和。

图5中给出了三个组播组，采用组播间网络编码传输和传统存储转发方式传输时，三个组播组各自的吞吐量。由于组播组中，源节点到目的节点的路径均要与另两个组播共用，不进行组播间网络编码，源节点不能将采集的数据发送到目的节点，组播的吞吐量为。

考虑网络中链路拥塞和突发错误，网络链路带宽为随机分布。图6中给出了在链路带宽随机下，采用组播间网络编码传输和传统存储转发方式传输时，三个组播组各自的吞吐量。采用组播间网络编码可以提高各个组播的吞吐量，从而提高了网络的整体吞吐量。

为了计算组播间网络编码对整个网络吞吐量的提高量，定义网络吞吐量增益为：

其中，表示传统存储转发模式下，各个组播组吞吐量之和；表示组播组网络编码模式下，各个组播组吞吐量之和。表1给出了两种不同带宽下，组播组网络编码的网络吞吐量增益。

链路带宽(Mbps)固定随机吞吐量增益 0.50.9440

表1 不同链路带宽下本发明传输的网络吞吐量增益

用最大最小公平性系数来衡量表示采用组播间网络编码后，各个组播组之间的公平性：

最大最小公平性系数

其中，为最小的组播吞吐量，为最大的组播吞吐量。表2给出了用三种不同传输方式（最短路径树方式、最大流传输方式和组播间网络编码方式）下的公平性系数。由于不采用组播网络编码，三个组播组中至少有一个组播组没有吞吐量，所以公平性系数为零。而采用组播组网络编码可以保证三个组播公平地传输数据，其公平性系数为。

公平性系数最短路径方法最大流方法组播间网络编码001

表2 本发明与其他传输方式的公平性系数比较。