CN101588618B - 网络路径选择方法以及通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种网络路径选择方法以及通信系统，能够实现高可靠性通信，并能够尽可能避免不需要的通信。在该选择用于网络编码的路径的网络路径选择方法中，包括：初始化链路的长度的步骤，根据链路的长度求出从发送源节点到任一个目的地节点的独立路径的步骤(S25，S26)，对所求出的独立路径中使用的链路的长度乘以系数的步骤(S28)，对所有目的地节点反复上述步骤(S25、S26、S28)，将在独立路径中使用的链路以及节点作为子图(S30)，并根据子图选择路径。

Description

网络路径选择方法以及通信系统

技术领域

本发明涉及在有线以及无线网络中进行网络编码的网络路径选择方法以及通信系统。

背景技术

在以往的一般的分组通信中，在通过通信路(以下称为链路)连接通信装置(以下称为节点)的网络中，从发送源向目的地传输信息时，进行了将各节点输入的信息向期望的目的地输出的交换处理。在交换处理中，只是将分组分配给目的地，对分组内的用户信息并不进行处理。与此相对，近年来备受关注的网络编码技术中，各节点不仅进行交换处理，还进行编码，以谋求可进行网络整体的高效传输(参照下述专利文献1以及下述非专利文献1～5)。

网络编码的第一特长是传输的效率化，即频带等通信资源的有效利用。在至今为止的网络编码技术中，提出了向多个目的地广泛地、高效地传送应发送的信息的方法。

[专利文献1]日本特开2006-31693号公报

[非专利文献1]R.Ahlswede et.al.“Network information flow”IEEE trans.on Information Theory，vol.46，no.4，July，2000，pp.1204-1216

[非专利文献2]山本幹“ネツトワ一クコ一デイング(网络编码)”电子信息通信学会誌Vol.90，No.2，2007年2月，pp.111-116

[非专利文献3]S-Y.R.Li et.al.“Linear network coding”Vol.49，no.2，Feb.2003，pp.371-381

[非专利文献4]T.Ho，M.Medard，R.Koetter，D.R.Karger，M.Effros，B.Leong，“A random Linear Network Coding Approach toMulti-cast，”IEEE Trans.on Information Theory，vol.52，no.10，pp.4413-4430，Oct.2006

[非专利文献5]J.-S.Park，M.Gerla，D.S.Lun，Y.Yi，M.Medard，“Code-Cast：A Network-Coding-Based Ad Hoc Multicast Protocol，”IEEE Wireless Communication.vol.13，no.5，Oct.2006，pp.76-81

然而，根据上述以往的网络编码技术，提出了向多个目的地高效率地传输的方法，但并没有考虑以下情况：向特定的目的地可靠地传送必要的信息，还有，避免不必要的通信而减少被周围窃听通信的机会。因此，存在如下问题，即不能向特定目的地可靠地传送信息，而且并没有降低窃听的概率。

例如，在上述非专利文献4、5记载的技术中，各节点随机选择编码方式而传输信息，在失败的情况下，将该分组丢弃。从而，并没有考虑可靠的信息传送，不必要的通信的回避这样的情况。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于，得到一种能够实现向特定目的地可靠地传送信息的高可靠性通信，而且能够尽可能地避免不需要的通信而降低被窃听的概率的网络路径选择方法以及通信系统。

为了解决上述课题，并达到目的，本发明提供一种网络路径选择方法，利用网络模型选择在网络编码方式的通信中使用的路径，该网络模型由节点和连接上述节点的链路构成，将上述节点之中的一个节点作为信息的发送源、即发送源节点，将上述节点之中的两个以上节点作为信息的目的地、即目的地节点，该网络路径选择方法的特征在于，包括：初始化步骤，将上述链路的长度初始化为规定的值；独立路径检索步骤，根据上述链路的长度求出从上述发送源节点到上述各目的地节点之中的任一个目的地节点的独立路径；乘系数步骤，对在上述独立路径检索步骤中求出的独立路径中所使用的链路的长度乘以规定的系数；以及子图生成步骤，在直到对于所有目的地节点执行上述独立路径检索步骤以及上述乘系数步骤为止，反复执行上述独立路径检索步骤以及上述乘系数步骤，在上述反复之后，抽取在上述独立路径中使用的链路以及节点作为子图，根据上述子图选择在网络编码通信中使用的路径。

根据本发明，由于生成不包含不作为独立路径而使用的链路以及节点的子图，而且，每当各链路作为独立路径而使用时，对其链路的长度乘以加权系数p，考虑乘以加权系数p之后的链路的长度而选择独立路径，而且，利用子图决定网络编码方式，所以，达到如下效果：能够向特定目的地可靠地传送信息，而且尽可能避免不需要的通信而能够降低被窃听的概率。

附图说明

图1是示出本发明通信系统的网络模型的一个例子的图。

图2是示出本发明网络模型的独立路径的一个例子的图。

图3是示出子图的一个例子的图。

图4是示出网络编码设计方法步骤的一个例子的流程图。

图5是示出网络路径选择处理步骤的一个例子的流程图。

(符号说明)

L 链路

N 节点

NS 发送源节点

NT1、NT2 目的地节点

具体实施方式

下面，基于附图详细说明本发明的网络路径选择方法以及通信系统的实施方式。在此，本发明不会因本实施方式而受到限制。

实施方式

图1是示出本发明中的通信系统的实施方式的网络模型的一个例子的图。在本实施方式中，以图1所示的网络模型为前提说明本发明的网络通信方法。如图1所示，网络模型由表示通信装置的多个节点N和连接节点N间的通信路即链路L构成。如图1所示，链路L有方向分量，取向为用箭头表示的方向。如此，本实施方式以用有方向分量的链路L(以下称为有方向链路)连接节点N的网络为前提。

另外，如图1所示，设节点N之中的一个为信息发送源(S：Source)，即发送源节点NS。而且，设节点N之中的一个或者多个为作为信息目的地(T：Target)的通信装置，即目的地节点NT。在图1中，目的地节点NT为两个，分别用目的地节点NT1、NT2表示。

在本实施方式中，在利用网络编码技术，尽可能进行高效通信的网络编码中，网络模型中的从发送源节点NS到目的地节点NT的独立路径具有意义。独立路径是指，从一个发送源节点NS到一个目的地节点NTi(i是用于识别目的地节点的标号)，不经过与其他路径共同的链路L的路径(共同节点是可以经过的)。

在网络编码技术中，在“S-Y.R.Li et.al.“Linear network coding”vol.49，no.2，Feb.2003，pp.371-381”等中理论表示了在图1所示例的网络模型中从发送源NS到目的地节点NT的独立路径数目成为高效通信的上限值。因此，在网络编码技术中，确保从发送源节点NS到目的地节点NT的独立路径，在进行高效通信时具有重要意义。

图2是表示本实施方式的网络模型的独立路径的一个例子的图。在图2中，作为以NS为起始点并以NT1为目的地的情况下的两个独立路径的例子，示出独立路径RT1_1，RT1_2。另外，在该图中，作为以NS为起始点并以NT2为目的地的情况下的两个独立路径的例子，示出独立路径RT2_1，RT2_2。

查看图2，有在从NS到NT1的独立路径RT1_1，RT1_2和从NS到NT2的独立路径RT2_1，RT2_2的任意一个独立路径中都不使用(不贡献于独立路径结构)的多个链路L。在从NS到NT1、从NS到NT2的通信中使用的仅是在决定编码方式(决定各节点进行的编码、运算等具体内容)之前设定的独立路径，而不使用除此之外的链路以及节点。因此，关于不贡献于独立路径结构的链路以及节点，即使在决定编码方式之前从网络模型中删除，也不会对网络编码的高效通信产生影响。而且，如果考虑设定以及维持不贡献于独立路径结构的链路也需要通信资源，则通过删除这些链路，能够进一步提高通信效率。

而且，与没有冗余的链路或节点相应地，编码方式的决定变得容易。进而，即使在原始网络模型中存在循环路(环路)，即沿着链路L的方向绕一周时返回到原始节点N这样的网络部分，通过删除冗余的链路或节点来切断环路的一部分，可避免环路的可能性高。

在本实施方式中，从原始网络模型中删除冗余的链路以及节点之后的网络模型称为子图。图3是示出本实施方式的子图的一个例子的图。子图是节点N和链路L分别为原始图(图1示出的网络模型)的部分集合(子集)的图(网络部分模型)。高效的子图是指，不包含不贡献于独立路径结构的冗余链路以及节点的图。图3示出的子图是从图1或图2示出的原始网络模型中，删除在图2示出的独立路径RT1_1，RT1_2以及独立路径RT2_1，RT2_2中不使用(不贡献于独立路径结构)的链路L以及节点N之后的图。

另外，独立路径对于相同目的地节点不包含相同链路，但对应于不同目的地节点的独立路径之间，存在包含相同链路的情况。在此将“某一个链路包含于多少个独立路径中”称为链路的使用率。由于链路使用率越高则能够进行越有效利用资源的高效通信，因此，在本实施方式中，以提高链路使用率的方式选择独立路径。

接着，说明本实施方式的网络路径选择处理。图4是示出本实施方式的包含网络路径选择处理的网络编码设计方法的步骤的一个例子的流程图。首先，决定发送源节点和目的地节点，生成原始的网络模型(步骤S11)。该网络模型由节点和有方向链路构成，在本实施方式中假设生成图1示出的网络模型，生成方法与以往的一般的网络编码的情况同样。

接着，按照后述的网络路径选择处理步骤，决定用于网络编码的高效的子图(步骤S12)。然后，根据在步骤S12中决定的子图，决定网络编码方式(步骤S13)。网络编码方式的决定是指，具体决定在各节点N中对输入信号乘以哪种矩阵而得到输出信号，决定网络编码的编码方式、运算方式。网络编码方式的决定方法与在一般的网络编码技术中进行的方法相同。在以往的网络编码技术中，不进行步骤S12。在本实施方式中，通过在步骤S11和步骤S13之间进行步骤S12，由此能够高效地实施步骤S13。

图5是示出本实施方式的网络路径选择处理步骤的一个例子的流程图。在此，该网络路径选择处理可以由包含在网络中的节点(例如，发送源节点NS，或者控制网络的节点等)进行，也可以预先在与网络独立的计算机中进行处理。

首先，将各链路的长度初始化为1。对于目的地节点NT1，NT2，......，分配编号1，2，......，m(m是目的地节点的数目)(步骤S21)。接着，将变量d设定为大的初始值，其中，变量d用于求出向各目的地节点的独立路径的数目的最小值(步骤S22)。该大的初始值例如设为比设想的向各目的地节点的独立路径的数目大的数即可。

下面，对于各目的地节点NTi(i＝1～m)进行步骤S23至步骤S29。在第i次的步骤S23～步骤S29的处理中，进行与第i个目的地节点相关的处理。首先，将参数k初始设定为0，其中，参数k作为用于对每一个目的地的独立路径进行计数的计数器而使用(步骤S23)。接着，判断是否存在从发送源节点NS到与编号(在步骤S21中分配的编号)i对应的目的地节点NTi的路径(步骤S24)。在步骤S24中，在第i次实施步骤S24时，判断是否存在到与编号i对应的目的地节点NTi的路径。

在步骤S24中，当判断为存在到目的地节点NTi的路径时(步骤S24中“是”)，选择从发送源节点NS到第i个目的地节点NTi的最短路径(步骤S25)。作为此时的最短路径选择方法，例如使用在“茨城俊秀、福岛雅夫，“最优化方法”，共立出版，1993，pp.43-44”中示出的Dijkstra法。关于最短路径的选择方法，除此以外也已知各种方法，并不局限于此，可以采用任何方法。另外，也可以利用不选择严格的最短路径而选择大致接近于最短的路径的算法来作为最短路径进行选择。

接着，将参数k增加1(设为k＝“k+1”)，从网络模型中删除在步骤S25中选择的最短路径中所使用的链路，并返回到步骤S24(步骤S26)。在步骤S26中成为删除基础的网络模型，在k＝1的情况下，是在上述步骤S11中生成的网络模型。另外，在k为2以上的情况下，在步骤S26中成为删除基础的网络模型是通过在第(k-1)次为止的步骤S26的处理进行了链路删除之后的网络模型。

在k为2以上的(对于相同目的地节点的第2次以后)步骤S24的处理中，对在(k-1)的步骤S26的处理中进行了链路删除之后的网络模型，判断是否存在从发送源节点NS到目的地节点NTi的路径。

在步骤S24中，判断为不存在从发送源节点NS到目的地节点NTi的路径时(在步骤S24中“否”)，如果k＜d，则设定为d＝k(步骤S27)。在不是k＜d的情况下，d的值保持原值。然后，将在步骤S26中删除的全部链路(以下称为删除链路)返回为原始(返回为在步骤S11中生成的状态)，在返回时，对删除链路的各个长度乘以加权系数p(0＜p＜1)(步骤S28)。

然后，判断是否对所有目的地节点结束步骤S23～步骤S28的处理(步骤S29)，在没有结束时(在步骤S29中“否”)，返回到步骤S23而执行接着的关于目的地节点的处理。在步骤S29中判断为对所有目的地节点的处理结束时(在步骤S29中“是”)，保持在步骤S11中生成的网络模型之中最短路径所使用的全部链路，并将其他链路以及节点全部删除(步骤S30)，结束处理。

由这样保持的链路和节点构成的子图为本实施方式的子图。另外，对于各目的地节点在步骤S26中删除的k个最短路径为向该目的地节点的独立路径，处理结束的时刻的最终的d值为向各目的地节点的独立路径的数目的最小值。根据网络编码的一般论，从发送源节点NS到目的地节点NTi(i＝1～m)，可以通过一次发送来传输d维数据。

另外，考虑“优选使一个链路尽量使用于多个路径”这一点是本发明的特征之一。当一个链路尽量使用于多个路径时，能够减少必要的链路以及节点的数目，能够进行高效通信。因此，在本实施方式的网络路径选择处理中，通过对作为在步骤S26中选择的最短路径而使用的链路的长度乘以加权系数p，从而定量地求出其优选度。在此，由于0＜p＜1，所以链路被使用的次数越多，链路长度越短。于是，如果链路长度短，则在步骤S25的最短路径的选择时，容易被选中。因此，通过如上所述乘以p，从而一个链路容易作为更多个路径而被使用。其中，p值可以在0＜p＜1的范围内自由设定，但p值越小，则能够更好地实现“优选使一个链路尽量使用于多个链路”这样的目的。

如上所述，在本实施方式中，从网络模型中生成删除了不作为独立路径而使用的链路以及节点的子图，而且，每当各链路作为独立路径而使用时，对其链路的长度乘以加权系数p。于是，考虑乘以加权系数p的链路长度来选择独立路径，而且，利用子图来决定网络编码方式。因此，为了高效的网络编码，不多不少地包含每一个目的地所需要的节点以及链路，而且，删除了不需要的节点以及链路。因此，能够实现向特定目的地可靠地传送信息的高可靠性通信，而且尽可能避免不需要的通信从而能够降低被窃听的概率。

产业上的可利用性

如上所述，本发明的网络路径选择方法以及通信系统，在采用网络编码的通信系统中有用，特别适用于要求隐蔽性的通信系统。

Claims (6)

1.一种网络路径选择方法，利用网络模型选择在网络编码方式的通信中使用的路径，该网络模型由节点和连接上述节点的链路构成，将上述节点之中的一个节点作为信息的发送源、即发送源节点，将上述节点之中的两个以上节点作为信息的目的地、即目的地节点，该网络路径选择方法的特征在于，包括：

初始化步骤，将上述链路的长度初始化为规定的值；

独立路径检索步骤，根据上述链路的长度求出从上述发送源节点到上述各目的地节点之中的任一个目的地节点的最短独立路径；

乘系数步骤，对在上述独立路径检索步骤中求出的独立路径中所使用的链路的长度乘以大于0且小于1的规定的系数；以及

子图生成步骤，在直到对于所有目的地节点执行上述独立路径检索步骤以及上述乘系数步骤为止，反复执行上述独立路径检索步骤以及上述乘系数步骤，在上述反复之后，抽取在上述独立路径中使用的链路以及节点作为子图，

根据上述子图选择在网络编码通信中使用的路径。

2.根据权利要求1所述的网络路径选择方法，其特征在于，

上述初始化步骤中，将上述链路的长度设为1。

3.根据权利要求1或2所述的网络路径选择方法，其特征在于，

求出每一个目的地节点的独立路径数的最小值，将该最小值作为用上述网络编码发送的数据的维数。

4.一种网络路径选择系统，利用网络模型选择在网络编码方式的通信中使用的路径，该网络模型由节点和连接上述节点的链路构成，将上述节点之中的一个节点作为信息的发送源、即发送源节点，将上述节点之中的两个以上节点作为信息的目的地、即目的地节点，该网络路径选择系统的特征在于，包括：

初始化单元，将上述链路的长度初始化为规定的值；

独立路径检索单元，根据上述链路的长度求出从上述发送源节点到上述各目的地节点之中的任一个目的地节点的最短独立路径；

乘系数单元，对在上述独立路径检索单元中求出的独立路径中所使用的链路的长度乘以大于0且小于1的规定的系数；以及

子图生成单元，在直到对于所有目的地节点执行上述独立路径检索单元以及上述乘系数单元的操作为止，反复执行上述独立路径检索单元以及上述乘系数单元的操作，在上述反复之后，抽取在上述独立路径中使用的链路以及节点作为子图，

根据上述子图选择在网络编码通信中使用的路径。

5.根据权利要求4所述的网络路径选择系统，其特征在于，

上述初始化单元中，将上述链路的长度设为1。

6.根据权利要求4或5所述的网络路径选择系统，其特征在于，

求出每一个目的地节点的独立路径数的最小值，将该最小值作为用上述网络编码发送的数据的维数。

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