网络编码理论与技术

网络编码理论与技术杨义先主编国防工业出版社2021年8月第一版1整理ppt包含八篇论文：1MANETs中基于网络编码和定向天线的有效播送2网络编码理论研究进展3融合网络编码理论的组播交换结构4可分级视频流的最优化网络传输5网络纠错码理论及其新进展6网络编码在协作分集中的应用7抗Byzantine攻击的平安网络编码研究综述8基于网络编码的无线Mesh网络路由协议与应用2整理ppt1MANETs中基于网络编码和定向天线的有效播送合肥工业大学数学系王青山3整理ppt2网络编码理论研究进展NetworkCoding的根本思想是允许网络中间节点参与编码，该理论具有到达最大容量的优势。划时代意义在于：推翻了独立比特(commodity)不能再被压缩的经典结论，指出网络信息流(NetworkInformationFlow)可以被压缩，从而进一步提升网络吞吐量。也称网络信息流理论。4整理ppt网络编码的优点：1提升网络吞吐量，采用网络编码可以比路由具有更高的吞吐量。2改善网络负载均衡。这里给出了一个图，很好的说明了这个问题。3提高带宽利用率。4节省无线网络节点能量消耗。5整理ppt网络编码的缺点1复杂性增大中间节点参与编解码，与路由的存储转发相比，增加了CPU计算额外负担，信宿解码的复杂性为O(k3)，k为传输消息数量，因为要实现编码同步，需要增加缓存消耗。而且无论是解码还是缓存，都需要延长信宿解码的时延，对实时应用有较大的影响2平安问题凸显6整理ppt2.1无环网络中的网络编码-线性网络编码线性多播说明了但凡最大流量大于等于信源消息数量的节点都可以利用网络编码收到所有信源消息；线性播送说明每个节点可以根据自身的接入带宽收到相应的消息，相当于多速率接收；线性扩散那么说明每个节点不仅多速率接收，而且保证信宿节点以互补的形式接收消息，而一般线性网络编码那么要求每个需要线性独立的地方都必须线性独立，以保证最有效的传输。7整理ppt2.2有环网络中的网络编码-卷积网络编码卷积多播，卷积播送，卷积扩散，卷积网络码8整理ppt4网络编码与路由比较和统一网络编码性能比路由优越是有条件的。分类比较的角度：拓扑：有向图无环图，有向图有环图和无向图。传输方式：单播，播送，多播，多源多播。会话个数：单会话，多会话。分层：物理层，网络层，应用层(覆盖层)。9整理ppt基于网络层比较有向无环图无向图有向有环图基于应用层比较在应用层，或者称为覆盖层，采用单播实现多播和播送，利用应用层上的单播来间接实现IP层的多播和播送。由于实际上是单播，所以可以归结为单会话单播的情形。10整理ppt基于物理层的比较[Physicallayernetworkcoding]提出了另一种多跳网络环境下的物理层网络编码PLNC(Physical-LayerNetworkCoding)，充分利用了无线信道的播送特性，引入适宜的机制，在物理层上利用同时到达的电磁波本身具备的加性特点进行类似于网络层的编码。PLNC的吞吐量与采用传网络编码和不采用网络编码相比可以到达50%-100%的增加。11整理ppt主要思想既是针对确定的编码调制方案找到相应的解调标准使得物理层电磁波叠加可以隐射到网络层比特流的叠加编码。aS1S3bS1+S3S1+S3三个节点双向线性无线网络中只需要2个时隙即可完成双向端节点S1和S3交换数据，而传统网络编码和不采用网络编码方案那么分别需要3个和4个时隙方可完成交换任务S1TS312整理ppt网络编码可看成是路由的超集。5网络编码复杂性降低网络编码需要中间节点参与编解码，比路由而言，节点需增加额外计算和存储要求，增加了节点复杂性，也引入较大时延，如何在保持网络编码提升网络吞吐量优势的前提下尽量降低网络编码复杂性(最小代价网络编码问题)，是网络编码研究的关键问题之一。13整理ppt代价定义保证较大吞吐量和较高解码成功率前提下，代价：参与网络编码的节点数最小；网络编码的操作数最小；参与网络编码的分组数量最小；消耗的资源最小；有限域的大小；14整理ppt基于图论最优化的方法基于线性规划的方法基于NUM的方法(NetworkutilityMaximization)借鉴经济学中描述消费者再接受效劳时所获得收益的效用思想，定义网络节点对网络所提供效劳的满意程度来作为网络的效用。通常采用对偶分解(DualDecomposition)方法将求解全局最优的目标转化为可在每个节点上执行的分布式算法，易于部署和实施。净效用，通过网络编码获得多播吞吐量的效用减去所付出代价，然后利用基于效用最大化的方法来求解。15整理ppt3融合网络编码理论的组播交换结构交换和路由的根本目的是相同的，都是尝试从一个局部转传信息到另一个。不过，路由的网络层级是更大型的，其在网络中，信息交换的两个节点间可以由一个大的距离隔开。而交换，通常是指在一个网络节点交换信息。此外，路由通常需要其他网络节点的合作，是基于路由协议的，而交换只是一个功能单一的设备，是基于转发表，交换结构和调度算法的。16整理ppt单播和组播吞吐量和提速阻塞和输出争用交换结构中的缓存策略：

共享存储排队

输出排队

输入排队

虚拟输出排队

组合输入输出排队

交叉点排队17整理ppt流(flow)，具有共同的源和接收集合的一个数据分组流。18整理ppt4可分级视频流的最优化网络传输组播技术可以有效减轻网络通信的负担，防止资源的无谓浪费。无论有多少个目标地址，在整个网络的任何一条链路上只传送单一的数据包。组播环境中，效劳器只需要发出一个流，然后由网络中的路由器或交换机同时复制出n个流。在传统的单速率组播中，发送方根据最慢接收者的速率，选择统一的速率发送数据。这使得所有接收者无论其接收能力如何，都将以相同的速率接收数据。19整理ppt单速率组播的优点是，可以较快地响应网络拥塞并精确地控制发送速率。但大规模异构网络中，由于单速率组播以最慢接收者的速率发送数据，显然对具有较高带宽的接收者是不公平的。提高发送速率固然能够增加快接收者的带宽利用率，却可能影响慢接收者的正常接收。异构性问题更加严重。为解决网络的异构性问题，多速率组播技术应运而生。20整理ppt信息理论证明，采用网络编码技术，信息源发送速率可以到达所有组播成员的最大流/最小割的最小值。如何设计分层组播的传输结构，实现每个组成员在每一层的速率和路由的最优化分配。21整理ppt数据包调度过程，简而言之，就是节点按照特定的调度原那么或算法，为到达队列的数据包安排输出的先后顺序。传统的包调度算法包括排序优先型(sorted-priority)和帧结构型(framed-based)，两大类都是基于公平性的调度原那么。公平性原那么要求节点必须公平地为每个流提供效劳，链路带宽必须在不同的流之间进行公平分配。22整理ppt5网络纠错码理论及其新进展网络编码可以分为经典网络编码和随机网络编码两大类。在一个通信网络中，如果允许网络节点对其输入信息进行线性编码，那么可以使网络中单播/组播的信息传输到达著名的最大流上届。23整理ppt经典网络编码中，局部编码核和与之对应的全局编码核是事先给定的，信息数据作为向量从发点发出；中间节点按照给定的局部编码核对接收到的假设干向量作线性编码；当收点接收到足够的向量后，那么根绝全局编码核解出原始数据向量。随机网络编码，没有事先给定全局编码核：信息向量(即数据包)由发点出发到达中间节点，中间节点随机选取局部编码核对输入向量作线性编码，并由该局部编码核计算出相应的全局编码核，然后将相应的全局编码核附在每个数据包中进行发送。网络中无错误时，收点在24整理ppt收到足够多的数据包后，提取出全局编码核，并由其解得原始数据包。什么是局部编码核？什么是全局编码核？网络节点对信息进行编码的系数是编码核！25整理ppt6网络编码在协作分集中的应用无线信道具有的多径衰落特性是阻碍信道容量增加，影响无线通信传输速率与质量的重要瓶颈，如何克服多径效应便成为提供通信质量要解决的首要问题。分集技术是抗多径衰落的有效方式，常见的分集方式主要有时间分集、频率分集合空间分集。26整理ppt空间分集技术从不同的位置(天线)发送信号，在接收端得到经过独立衰落的多个信号副本，可以有效消除多径衰落的影响。空间分集不需要占用额外的时间和频带资源，并且可以和其他分集方式相结合，得到了广泛的关注。近些年来提出的多输入多输出(MIMO)天线技术，通过在接收端和发送端同时安置多个天线，形成MIMO信道结构，从而将传统通信系统中存在的多径因素变成对用户通信性能有利的因素，充分利用空域资源，大幅度提高信道容量。27整理ppt提出全新的空域分集技术-协作分集。单天线的移动终端也实现空域分集。根本思想：在一个多用户的环境中，每个单天线的移动终端都有一个或多个合作伙伴，每个终端在发送自己的信息时也帮助其他伙伴传输信息。这样，每个终端在传输信息的过程中，既利用了自己又利用了合作伙伴的空间信道，从而获取了一定的空间分集增益。本质上说，协作分集就是希望借助合作伙伴的天线，与其自身天线共同构造多发射天线，从而获得空间分集增益。28整理ppt协作分集的思想来源于中继通信，但不同于中继通讯。中继系统中，中继节点的作用是形成主信道，是单纯作为中继而存在的，本身没有信息要传送。传统中继没有分集功能，通过协作可以使单天线用户也获得分集增益。29整理ppt分类：双跳协作和多跳协作CDMA,TDMA,FDMA.放大中继模式，解码中继模式，编码协作模式编码协作是将协作技术和信道编码技术相结合的传输，根本思想是：对正确解出的合作伙伴的信号重新进行编码。相当于将空域分集与码域分集相结合。无线网络中网络编码的一个潜在研究方向就是基于网络编码的合作通信，使无线网络中的中继节点具有编码功能。30整理ppt网络编码算法集中式算法，分布式算法，线性以及随机编码算法。频率选择性衰落信道下的分集性能研究。31整理ppt7抗Byzantine攻击的平安网络编码研究综述网络通信中,按照攻击者的攻击方式,攻击主要分为以下两种:搭线窃听(被动攻击)和Byzantine攻击(主动攻击)。搭线窃听，攻击者只是窃听而无其他行为。目的是通过窃听降低对要传送给接收者信息的不确定性，或者解码出这些信息的片段。32整理pptByzantine攻击即Byzantine将军问题，是一个协议问题。Byzantine攻击者是隐藏在网络中的恶意节点，不仅具有无线计算能力，而且具有恶意攻