网络编码技术及其在通信网络中的应用

摘 要：在网络通信不断发展的过程中，其相关的应用技术也得到了相应的发展。在目前的网络通信中，网络编码这种新技术得到了极大的应用，这种技术的应用不仅能够实现对网络部分节点的引入，还恩能够够使得网络的操作变得更加的简便，从而极大的推动了网络通信的发展。本文就主要针对网络编码技术及其在通信网络中的应用进行了简要的探究，仅供同行交流。

关键词：网络编码；无线组播；路由

我国原有的通信网络节点主要扮演的是一个转发器的角色，其只能够对接收到的信息进行有效的存储和转发，并没有其他的功能，这样就限制了网络通信的发展，因此，为了能够有效的推动网络通信的发展，就需要采用合理的技术对其相关的功能进行改进，使得其功能可以得到丰富，而网络编码这种新技术的应用，在一定程度上丰富了网络通信的功能，使得其不仅能够对接收的信息进行存储和转发，还能够利用网络编码技术实现对相关数据信息的非线性以及线形处理，从而有效的推动了网络通信的发展。

1 网络编码概述

在上世纪开始初期，我国香港的相关学者研究出了一种新的通信技术，其就是网络编码，这种技术主要应用于网络相关节点的传输中，在对数据进行传输的过程中，其经过多个节点，实现了节点的有效连接，而且利用这种技术可以实现对相关节点数据的线形和非线性处理，在相关的数据传送出去之后，还能够有效的进行还原，从而使得数据的传输更加的有效和快捷。

图1（a）中采用传统的广播技术，节点s分别向节点1和2发送b1和b2，节点1和节点2再分别将接收到的数据转发给其他节点。这样节点1可以直接获得b1，节点2可以直接获得b2。但是当b1和b2准备通过节点3进行转发时，由于节点3，节点4之间的链路容量为1，b1或b2必须在此排队等候一个单位时间。这样每个接收节点在单位时间内收到的比特数为1.5。图1（b）则采用了网络编码技术，中间节点3将两条输入链路上收到的信息b1和b2进行线性编码，得到b1+b2（异或和），然后送出。在接收节点t处，根据接收到的b1和b1+b2，即可恢复出来b2；同样，在接收节点u处也可以恢复处b1。由于不需要排队，每个接收节点在单位时间可以收到2个比特，即此时的编码增益为33%，并达到了广播的最大流量。

这种网络编码新通信技术的出现，对原有的数据传输模式造成了极大的冲击，在一定程度上使得原有的数据传输模式出现了改变，数据传输模式实现了对大规模网络流量的传输。网络编码技术的应用使得原有的路由方案出现了改变，在现今的通信传输中，其发挥了极大的作用。然而，利用这种方式对节点数据进行传输，其所接收到的信息只是一种排列的方式，要想对信息进行有效的解读，就需要采用解读器对信息进行有效的还原，才能够实现对信息的高效利用。

2 网络编码在通信网络中的应用

2.1 P2P文件

通常在一个P2P网络当中，服务器将一个待的很大的文件分成很多分组（blocks），开始一个端节点从服务器下载这些分组，然后将已经下载的分组出去以供其他节点下载，每个节点都可以供和它保持连接的节点下载分组，这样整个文件就可以在网络上快速的。而将网络编码应用到P2P的过程称之为雪崩（Avalanche），在雪崩的开始，服务器原始文件分组的任意线性组合，与之相类似的是，网络节点会已经得到分组的任意线性组合。一个节点通过比较它自己和相邻节点的解码参数矩阵来确定要传送多少新的分组给邻居节点，或者将这个过程简化为邻居节点收到第一个本身已经得到的分组时，传送过程结束。

网络编码应用在P2P网络中主要带来以下几个方面的好处：第一，减小了文件的下载时间。在一个大范围分布式的端到端系统中，找到最优的分组发送时间十分复杂，尤其是主机对于底层网络拓扑知之甚少的情况下更是如此，而使用网络编码，网络拓扑和发送先后对文件发送时间的影响将会大大减小。第二，与基于转发的协议相比，基于网络编码的协议仅仅在刺激合作机制实现的时候，性能受到一点影响。

2.2 无线网络

网络编码概念的提出以及现在大部分相关的工作都是是基于有线网络的，但根据网络编码的思想，无线网络节点间的信息交互也完全可以运用网络编码理论来实现。

以图2所示情况为例，节点A和节点B是两个移动终端，他们想要通过一个基站S交换信息，图2（a）表示的是传统的方式，而图2（b）则表示在基站中引入网络编码后整个信息交换的过程，S通过广播a+b（异或和），A和B可以很容易的恢复出b和a。

2.3 网络安全

就网络窃听问题有人进行了研究，设计了一种安全的网络编码。他们认为通信链路已经被窃听，信源中将原始数据和随机信息结合起来，并进行网络编码设计，使得只有接收方才能正确解码，得到原始的数据包。另外，窃听者得到的信息包和原始数据包之间没有任何相关性，互信息为零。

如果节点获得足够多的线性独立信息矢量，他们就可以进行解包，那么要考虑到比较不牢固的安全模式。这种编码很有效，但是只要攻击者知道其中的一个线性联合信息，就能猜测出单个包的内容，从而解出所有的包的信息。

最后，网络编码简化了对网络中修改的包的保护。在一般网络中（没额外保护），中间的攻击者可以任意修改包，已达到对目的地攻击的一定效果。尽管如此，在网络编码下，在不知道目的地将接收其它码包的情况下，攻击者无法控制目的地的解码输出。考虑到包的传输有很多不同的路径，这样使得中途人为的进行控制，从而达到某种目的变得非常困难。

结束语

综上所述，网络编码的出现不仅有效的改善了网络数据传输功能的单一性，其也在一定程度上使得网络传输的流量得到了极大的提升，从而极大地推动了网络通信的发展。而目前，这种网路编码技术已经被应用到网络通信的各个领域中，并且发挥了重要的作用，可以说，应用这种通信技术，可以最大限度的实现对网络宽带的节约、保障网络的安全性等，其所涵盖的理论也相当的丰富，已经逐渐成为网络通信研究中的重点，相信在不久的将来，这种通信技术会得到进一步的发展，实现对网络通信的进一步推动。

参考文献

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