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基于網(wǎng)絡編碼的無線網(wǎng)絡技術
【摘要】網(wǎng)絡編碼可以優(yōu)化網(wǎng)絡傳輸?shù)男阅埽W(wǎng)絡編碼的基本思想是網(wǎng)絡節(jié)點不僅對數(shù)據(jù)進行存儲轉發(fā)，還參與數(shù)據(jù)處理。網(wǎng)絡編碼的出現(xiàn)更迎合了無線網(wǎng)絡技術的發(fā)展，本文關注了網(wǎng)絡編碼在無線網(wǎng)絡中的研究和應用，初步探討了面對網(wǎng)絡編碼，我們應采取和研究的信息安全措施，同時提出了針對網(wǎng)絡編碼應著力解決的研究問題以及無線網(wǎng)絡技術如何依靠網(wǎng)絡編碼進行安全有效的信息交換，并對其發(fā)展進行了展望。
關鍵詞：網(wǎng)絡編碼 無線網(wǎng)絡 信息交換
1、網(wǎng)絡編碼技術與傳統(tǒng)網(wǎng)絡的差異
在傳統(tǒng)的計算機網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸過程中，要借助路由器進行數(shù)據(jù)傳遞，根據(jù)數(shù)據(jù)的目標地址，路由器將數(shù)據(jù)包向各個鏈路發(fā)送。由于沒有統(tǒng)一的安排和協(xié)調，在同一鏈路中會出現(xiàn)很多數(shù)據(jù)包，必須排隊等待通過的情況，這就制約了計算機網(wǎng)絡的傳輸速度和效率的提升。2000年，新型網(wǎng)絡編碼技術一經(jīng)出現(xiàn)就得到了廣泛關注。網(wǎng)絡編碼技術著力解決的問題是有效地將同時到達路由器的數(shù)據(jù)同時發(fā)送出去，不讓數(shù)據(jù)產(chǎn)生擁塞，從而提高數(shù)據(jù)傳輸速度。
2、網(wǎng)絡編碼技術在無線網(wǎng)絡中的應用
2.1網(wǎng)絡編碼的概念
網(wǎng)絡編碼是一種融合了路由和編碼的信息交換技術，它的核心思想是在網(wǎng)絡中的各個節(jié)點上對各條信道上收到的信息進行線性或者非線性的處理，然后轉發(fā)給下游節(jié)點，中間節(jié)點扮演著編碼器或信號處理器的角色。
2.2網(wǎng)絡編碼應用于無線網(wǎng)絡的優(yōu)勢
網(wǎng)絡編碼融合了路由和編碼的概念，使網(wǎng)絡節(jié)點不僅可以對數(shù)據(jù)進行存儲轉發(fā)，還可以進行編碼處理，已證明了使用線性網(wǎng)絡編碼已經(jīng)能足夠達到網(wǎng)絡多播容量。但網(wǎng)絡編碼的好處不止這些，尤其是當網(wǎng)絡編碼應用于無線網(wǎng)絡時。網(wǎng)絡編碼首先應被應用在無線網(wǎng)絡環(huán)境。無線網(wǎng)絡的特性是不可靠性和廣播特性，使網(wǎng)絡編碼非常適合應用在無線網(wǎng)絡上，因為無線鏈路的不可靠性和物理層廣播特性非常適合使用編碼的方法。應用網(wǎng)絡編碼，可以解決傳統(tǒng)路由、跨層設計等技術無法解決的問題，提高網(wǎng)絡編碼在無線網(wǎng)絡中的應用。無線網(wǎng)絡的廣播特性使其非常適合使用網(wǎng)絡編碼，當一個節(jié)點傳輸一個數(shù)據(jù)包給它的一個鄰居節(jié)點時，它的其它鄰居節(jié)點也可以接收到這個數(shù)據(jù)包。因此，當一個節(jié)點的鄰居節(jié)點對不同的數(shù)據(jù)包感興趣時，可以將這些數(shù)據(jù)包編碼后再一起傳輸，這樣子可以使其所有的鄰居節(jié)點都收到感興趣的數(shù)據(jù)包并可以節(jié)約無線資源。
應用網(wǎng)絡編碼，可以解決傳統(tǒng)路由、跨層設計等技術無法解決的問題，提高網(wǎng)絡性能。網(wǎng)絡編碼在無線網(wǎng)絡中的應用可以提高網(wǎng)絡的吞吐量，尤其是組播吞吐量�？梢詼p少數(shù)據(jù)包的傳播次數(shù)，降低無線發(fā)送能耗。當網(wǎng)絡部分節(jié)點或鏈路失效時采用隨機網(wǎng)絡編碼，最終在目的節(jié)點仍然能恢復原始數(shù)據(jù)，增強網(wǎng)絡的容錯性和魯棒性。網(wǎng)絡編碼對無線網(wǎng)絡的性能改善主要體現(xiàn)在提高網(wǎng)絡編碼的吞吐量上，網(wǎng)絡編碼已經(jīng)被證明對于提高某些網(wǎng)絡的吞吐量有著很大的作用。運用網(wǎng)絡編碼可以在很大程度上提高網(wǎng)絡吞吐量，但是同時會增加網(wǎng)絡的復雜性。不少研究者在研究提高無線網(wǎng)絡的組播吞吐量的同時，研究如何降低因采用網(wǎng)絡編碼帶來的復雜性。在網(wǎng)絡狀況惡劣的條件下，網(wǎng)絡編碼和路由之間組播吞吐量的差別不大，網(wǎng)絡編碼的優(yōu)勢體現(xiàn)在降低網(wǎng)絡復雜性上;在網(wǎng)絡狀況較好的條件下，網(wǎng)絡編碼相對于路由方法，在很大程度上，提高了組播吞吐量。這為根據(jù)網(wǎng)絡狀況動態(tài)調整網(wǎng)絡編碼算法提供了可能。
2.3網(wǎng)絡編碼如何提高無線網(wǎng)絡的安全性
網(wǎng)絡編碼在提高無線網(wǎng)絡的安全性研究方面亦取得了一定的成果。在無線網(wǎng)絡組播中，對于數(shù)據(jù)包的惡意修改的檢測，過去是使用基于消息認證碼或者數(shù)字簽名的方法�；诰W(wǎng)絡編碼產(chǎn)生了一種基于數(shù)據(jù)包的隨機網(wǎng)絡編碼檢測策略，這種方法計算量小，而且檢測概率可以根據(jù)通信控制開銷、網(wǎng)絡編碼復雜程度和檢測時間這些因素進行調控。但這種方法亦存在不足。這種方法要求接收節(jié)點需要預先獲得至少一個沒有被惡意修改過的數(shù)據(jù)包，并且數(shù)據(jù)包的內(nèi)容不能被攻擊者知曉，因此，這種方法對抗攻擊效果不好。
無線網(wǎng)絡廣播重傳處理中,多個接收節(jié)點中的任意一個節(jié)點的丟包都要求源節(jié)點重傳數(shù)據(jù)包,需要廣播發(fā)送較多的重傳次數(shù).本文將隨機線性網(wǎng)絡編碼技術應用在無線網(wǎng)絡廣播重傳中,提出一種新穎的廣播重傳方法(RLNCBR)。該方法中,源節(jié)點記錄多個接收節(jié)點中丟包最多的接收節(jié)點丟包數(shù),再按照隨機線性網(wǎng)絡編碼的方法編碼組合該丟包數(shù)個線性編碼包。源節(jié)點廣播重傳，接收節(jié)點采用運算編碼線性組合的方法獲得信息包數(shù)據(jù)。數(shù)學分析表明,該方法能保證所有接收節(jié)點的編碼可解性,同時重傳次數(shù)可達到理論最優(yōu)性。模擬測試結果表明:與傳統(tǒng)重傳方法相比,RLNCBR有效地減少了信息包的平均傳輸次數(shù),提高了傳輸效率。
3網(wǎng)絡編碼在無線網(wǎng)絡的應用發(fā)展方向
網(wǎng)絡編碼正在給現(xiàn)有的網(wǎng)絡帶來革命性的變化：網(wǎng)絡編碼從用來達到有線網(wǎng)絡中的組播容量，發(fā)展到在有線和無線網(wǎng)絡中提高吞吐量、節(jié)省能量、增強魯棒性和安全性，甚至改變網(wǎng)絡結構、改變網(wǎng)絡協(xié)議設計方法。網(wǎng)絡編碼在無線網(wǎng)絡中的應用還存在著以下的幾個問題：網(wǎng)絡編碼的具體實現(xiàn)和降低網(wǎng)絡編碼的復雜性�，F(xiàn)在已經(jīng)提出了很多網(wǎng)絡編碼方法，有集中式線性網(wǎng)絡編碼和分布式隨機網(wǎng)絡編碼，但是如何在實際網(wǎng)絡環(huán)境中實現(xiàn)網(wǎng)絡編碼，需要考慮許多實際應用問題，例如同步、控制開銷等。網(wǎng)絡編碼在實際網(wǎng)絡環(huán)境中如何實現(xiàn)是一個很迫切的問題。采用網(wǎng)絡編碼可以在很大程度上提高網(wǎng)絡性能，但設計和實現(xiàn)上的復雜性也隨之增加。如何在不顯著增加網(wǎng)絡開銷，綜合考慮效率和性能的前提下，實現(xiàn)網(wǎng)絡編碼問題是將來需要進行深入研究的方向。
4結束語
無線網(wǎng)絡環(huán)境由于環(huán)境的多變性,使得數(shù)據(jù)包在傳輸過程中更加容易丟失。目前,重傳常被用來實現(xiàn)無線廣播的錯誤處理,普通重傳方法思想基于發(fā)送方通過反饋得到接收方的出錯情況,重傳出錯的數(shù)據(jù)報文來恢復出錯的報文。
網(wǎng)絡編碼技術是近十年來飛速發(fā)展的一個研究課題。雖然還沒有應用到實際的通信網(wǎng)絡中，但已引起了較大的關注，比如美國軍方已經(jīng)意識到網(wǎng)絡編碼技術的優(yōu)勢，已經(jīng)撥款研究網(wǎng)絡編碼技術在移動自組網(wǎng)(Mobile Ad HocNetwork)中的應用。因此,我們也應當及時跟蹤國際上的網(wǎng)絡編碼技術的發(fā)展趨勢。同時,結合各種應用深入思考網(wǎng)絡所涉及的各種安全技術問題。
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