CN101834699B - 光组播网络中基于逻辑运算的网络编码实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于全光组播网络的网络编码实现方法。该网络编码方法是基于光逻辑移位和光逻辑异或运算实现的。为实现所述的网络编码方法，设计了承载该编码方法的网络编码节点模块。该编码节点模块包括两个解码运算模块用于根据不同编码向量还原两路原始信号；两个光交换器件用于根据编码向量将不同数据包交换到所要求的器件中；一个编码单元用于将还原的或者直接输入到该节点的原始数据进行重新编码，其中编码单元包括一个移位寄存器用于实现编码向量的乘法运算，一个全光异或门用于完成两路数据的编码操作。该网络编码方法和编码节点模块能够在当前光器件条件下全光实现。

Description

光组播网络中基于逻辑运算的网络编码实现方法

技术领域

本发明涉及一种适用于全光组播网络的网络编码实现方法，尤其涉及一种能够在全光条件下基于全光异或门和全光移位寄存器实现的网络编码向量设计方法，以及在该编码向量条件下实现全光网络编码的过程和控制算法，属于光交换网络技术领域。

背景技术

光网络正以其高速率、大容量的数据传输能力，智能和灵活的网络管理能力，良好的健壮性和生存性成为未来网络发展的必然趋势。网络编码具有提高网络吞吐量、均衡网络负载、增加网络带宽的利用率、减少网络资源损耗、提高网络安全性、减少能量消耗等优点，为设计具有更高容量与更加优化的未来网络提供了切实可行的支持。

将网络编码技术引入到光网络中，可以充分结合网络编码和光网络两者的优势，提高光网络的安全性和容错性，并且在WDM波长管理和分配方面可以发挥重要作用。但是，由于受到光信号本身速率高、逻辑简单等特性的影响以及当前光器件的限制，要将网络编码技术应用到光网络当中并充分发挥光网络和网络编码两者的优势还面临很多的挑战。首先，在当前条件下，由于没有可读、写光器件，信息的复制多是通过星型耦合器等光功率分配器件再加上光交换矩阵和波长变换器组成，光交换/路由设备的结构设计受到很大限制，不具备电路由器的灵活性；其次，要在光域上实现传统网络编码使用的复杂线性运算几乎是不可能的，将光信号调制成电信号后在电域中进行编码计算后再将所得信号重新调制到光域进行传输是一个常用的方案，但是这必将增加网络传输时延降低网络性能，将使编码结点成为系统瓶颈。

随着光器件的发展，在光域中可以快速、高效的实现逻辑移位和异或操作。无溢出的逻辑左移表示乘法运算，用逻辑异或取代传统的加法运算，两种运算结合可以在光网络中实现编码操作。因此，在光网络中使用逻辑异或和移位操作从而避免使用光-电-光转换完成网络编码已成为目前唯一切实可行的高效解决方案。

发明内容

本发明的目的在于针对传统网络编码技术不适合在全光组播网络中实施这一问题，为全光组播网络提供一种基于逻辑移位和逻辑异或运算的光网络编码方法，该网络编码方法能够在全光组播网络中无需光电光转换而高效率的实现。

为实现上述的发明目的，本发明采用下述的技术方案：

一种用于支持该网络编码方法的编码向量集合，其特征在于：

所述的编码向量选自列向量集{(1，2ⁿ)^T，n∈N}或者{(2^m，1)^T，m∈N，m＞0}，其中N为自然数集合。

编码向量选自该向量集可以保证输入到编码结点的数据包与编码向量的乘法运算能够通过对相应的数据包进行向左移位实现，然后通过对两路移位后数据进行异或运算从而在编码结点完成编码运算。

一种编码结点模块结构，该模块用于控制在上述编码向量条件下的网络编码的实现过程。该模块包括全光移位寄存器、全光异或门、光分路器、光纤延迟线、光交换器件和光功率补偿器件等关键器件，其特征在于：

(1)当组播数据包到达编码结点后，编码控制中心提取数据包标签中记录的编码标志和编码向量；

(2)控制中心根据标签记录的编码标志和编码向量将相应数据包的数据部分交换到完成特定功能的运算模块中，相关的运算模块由上述光器件组成；

其中，根据编码不同形式的编码向量，编码结点模块包括如下相应运算模块用于完成相关功能：

解码运算模块1(DEP_1)：当输入的两个数据包中有一个编码标志未被置位(未被上游编码结点编码)另一个编码标志被置位，则将输入到该编码结点的两数据包的数据部分送入到运算模块DEP_1中；控制中心根据获取的被编码数据包的编码向量，控制未被编码的数据包的数据部分在移位寄存器中移动相应的bit位后与另一输入数据包的数据部分进行异或运算来还原一路原始信号。该模块最后将两路原始数据送入到编码运算模块进行再编码运算。

在编码结点还原原始信号就是使编码结点配备解码功能。其目的是使在本结点编码后数据的系数向量能够保持在逻辑运算可解的向量维数之内，保证目的节点正确解码。这是因为基于逻辑运算的编码方法经过逻辑编码运算后导致编码向量不封闭，并且没有基于逻辑运算的逆运算用于解码，从而造成目的结点无法正常解码。解决这一问题的可行方法就是在目的结点配备解码功能，将在目的结点不能完成的解码操作分布到各个编码节点中完成。

解码运算模块2(DEP_2)：当输入到该编码结点的两个数据包标签中的编码标志均被置位，则将两路输入信号交换到DEP_2模块中。控制中心根据获取的编码向量控制相应的光器件将数据包进行移位、交换、缓存和异或运算，以在本模块还原出两路原始数据，最后将原始数据送入到编码运算模块进行再编码。

编码运算模块(Encoding Unit)：当输入到该编码结点的两个数据包标签中的编码标志均未被置位，或者从DEP_1和DEP_2还原出的原始信息输入到本模块后，控制中心根据分配给该编码结点的编码向量控制相应光器件对原始数据进行移位、异或运算以完成重新编码操作。

(3)当完成网络编码运算后，编码结点将数据包标签中相应的编码标志置位并在标签中记录该编码节点所采用的编码向量用于下游结点的解码或者重新编码运算。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

图1为承载网络编码方法的编码结点设计图。

图2为解码运算模块1(DEP_1)设计图。

图3为解码运算模块2(DEP_2)设计图。

具体实施方式

如图1所示，当组播数据包到达编码结点模块时，控制中心(Controlcenter)提取两个数据包的标签。数据包标签包括编码标志和编码向量。如果两个标签中的编码标志都未被置位，说明两个数据包未被上游结点编过码。这时将两个数据包的数据部分通过光交换矩阵OXC_1和OXC_2交换到编码单元(Encoding unit)。编码单元根据分配给该编码结点的编码向量将需要移位的一路输入数据送到移位寄存器(SR_1)中左移相应的bit数，完成相应的输入数据与编码向量的乘法操作；另一路用光纤延迟线(FDL_1)缓存，以使移位后的信号和被延时的信号能够同时进入全光异或门(XOR gate)完成组播数据包中数据部分的编码操作。编码操作在编码单元完成后将编码结果输入到编码节点的标签重写器中完成新数据包标签的编码标志置位和记录编码向量工作。

若控制中心得到的两个编码标志一个被置位另一个未被置位，这说明输入到该编码结点的两个数据包一个已被上游编码结点编码，另一个未被编码。这种情况下，控制中心将两路输入数据包的数据部分交换到解码运算模块1中(DEP_1)，如图2所示。然后控制中心根据被编码数据包的编码向量控制控制OXC_1将未被编码的数据送入P_1端口，将已编码的数据送入P_2端口。根据编码向量形式的不同，输入到DEP_1模块的数据分为如下两类：输入数据为a和输入数据为a和

如图2所示，控制中心根据被编码数据包的编码向量区分输入数据的类型。就第一类输入数据而言，未被编码的数据a被交换到P_1端口后由3db splitter复制成为两份，一份输入到光交换开关OSW_1中，另一份作为本模块的一路原始信号输出。输入到OSW_1的原始数据根据控制中心获取的编码向量(1，2ⁿ)^T被控制中心控制OSW_1直接交换到全光异或门XORgate_1中。从输入端口P-2输入的输入数据

被输入到光交换开关OSW_2中。OSW_2根据控制中心获取的编码向量(1，2ⁿ)^T将数据直接交换到全光异或门XOR gate_1中并与另一路进入异或门的原始数据a进行异或运算，并将运算结果2ⁿ*b输入到光交换开关OSW_3中。OSW_3根据控制中心获取的编码向量将2ⁿ*b交换到移位寄存器SR_2中，并控制其向右移n位，得到另一个原始数据b并将其输出。至此，DEP_1已经还原并输出两路原始数据a和b到编码单元用于完成本编码结点的重编码操作。

仍然如图2所示，就第二种数据而言，未被编码的数据a被交换到P_1端口后，仍然由3db splitter复制成为两份，一份输入到光交换开关OSW_1中，另一份作为本模块的一路原始信号输出。不同点在于，OSW_1根据控制中心获取的编码向量将经过它的数据交换到移位寄存器SR_1中。控制中心根据编码向量控制移位寄存器将原始数据a左移n位变成2ⁿ*a后送入到异或门XOR_gate_1中。另一路从P_2端口输入的已编码数据

被OSW_2根据控制中心获取的编码向量交换到FDL_1所在路径中并被FDL_1控制延时n位bit时间后与SR_1的输出结果2ⁿ*a同时进入到全光异或门XOR_gate1中完成异或运算得到另一路原始数据b。得到原始数据后，全光异或门XOR_gate1将原始数据b输出到OSW_3中。控制中心根获取的编码向量控制OSW_3将原始数据b直接输出。原始数据a由FDL_2延迟相应时间后输出，原始数据b由OSW_3控制输出。至此，DEP_1完成了两种不同编码向量下的原始数据还原计算，并将两路原始数据a和b输出到编码单元用于完成本编码结点的重编码操作。

若控制中心得到的两个编码标志均被置位，说明输入到该编码结点的两个数据包均被上游编码结点编过码。此时控制中心提取两个被编码数据包的编码向量，并将两路输入数据包的数据部分交换到解码运算模块2中(DEP_2)。根据数据包中编码向量的不同，进入到DEP_2的数据也包括两种类型：输入数据为

和

输入数据为

和

控制中心根据输入数据的编码向量区分两种数据类型。如图3所示，就第一种数据而言，数据

被交换到P_1端口。数据

被交换到P_2端口。数据

被3db splitter复制为两份，一份送到移位寄存器SR_1中，另一份经FDL_2延时后送入全光异或门XOR gate_2中。控制中心根据获取的编码向量控制移位寄存器SR_1中的数据左移n位，将其变成

后与P_2端口的输入数据同时进入异或门XORgate_1进行异或运算得到数据2^(m+n)*a。数据2^(m+n)*a进入逻辑运算模块(calculation module)被还原成为一路原始数据a。原始数据a被另外一个3dbspliter复制为两份，一份通过光纤延迟线延时一定时间后作为本解码模块的一路输出结果，另一份由控制中心根据获取的编码向量控制OSW_2将其交换到移位寄存器SR_2中并将其左移m位变为2^m*a后与另一路数据

同时进入全光异或门XOR gate_2中完成异或运算，还原得到另一路原始数据b。至此，第一类数据输入类型在本解码模块中解码完成并经OXC_2输出到编码单元中用于完成本结点的重编码计算。

仍然如图3所示，就第二种数据类型而言，假设m＞n(反之同样)数据

被OXC_1交换到P_1端口，数据

被交换到P_2端口。数据

被3db splitter复制为两份，一份被输入到移位寄存器SR_1中后被SR_1左移m/n bit(设m/n＝x)变为

另一份经FDL_2延迟后输入到全光异或门XOR gate_2中。

被交换到P_2端口，经FDL_1延时x bits时间后与数据

同时输入到异或门XOR gate_1中得到异或结果

该异或运算结果被输入到逻辑运算部件calculation module中得到一路原始信号b。该信号被另一3db splitter复制为两份，一份经由OSW_3直接进入到异或门XOR gate_2中，另一份作为本模块的输出结果经FDL_3延时后输出。进入到异或门XOR gate_2中的原始数据和另一份进入该异或门的数据做异或运算得到结果2ⁿ*a。输出结果2ⁿ*a进入到OSW_1，控制中心根据获取的编码向量控制OSW_1将数据2ⁿ*a交换到移位寄存器SR_3中并对其进行右移n位操作得到原始数据a。至此，两路原始信号在本解码模块中解码完成，并经OXC_2输出到编码单元中完成本结点的重编码。

当输入到本编码结点的数据包未被置位或者从模块DEP_1和DEP_2输出的数据输入到编码单元时，控制中心根据分配给本编码结点的编码向量，假设为(1，2^s)^T，控制OXC_2将数据b输入到移位寄存器将数据a输入到光纤延迟线FDL_1。然后控制中心再根据分配给该编码结点的编码向量控制移位寄存器SR_1(如图1)将数据b左移s位变为2^s*b。数据a被FDL_1延时s bit时间之后与2^s*b同时输入到全光异或门XORgate中完成编码运算，并输出编码结果

通过上述的步骤可以在全光组播网络中实现所提出的网络编码方法。由于该网络编码方法采用逻辑运算实现，能够在当前光逻辑器件中保证所有网络编码运算在全光环境下完成而不需要光电光转换。

上面对本发明所述的用于光组播网络的网络编码实现方法进行了详细的说明，但本发明的具体实现形式并不局限于此。对于本技术领域的一般技术人员来说，在不背离本发明所述方法的精神和权利要求范围的情况下对它进行的各种显而易见的改变都在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种光网络中基于光逻辑移位和光逻辑异或运算的网络编码的具体实现方法，其特征在于：

编码向量选自向量集{(1，2ⁿ)^T，n∈N}或者{(2^m，1)^T，m∈N，m＞0}；其中，N为自然数集合，编码向量选自该向量集保证输入到编码结点的数据包与编码向量的乘法运算能够通过对相应的数据包进行向左移位实现，然后通过对两路移位后数据进行异或运算从而在编码结点完成编码运算；

当组播数据包到达编码结点后，编码节点中的控制中心提取数据包标签中记录的编码标志和编码向量，编码结点根据两路数据的编码情况将接收到的两路数据分为三类并根据不同的分类情况对数据进行相应的操作；若两路数据均未被上游结点编码，将两路数据包的数据部分通过光交换矩阵OXC_1和OXC_2交换到编码单元，编码单元根据分配给该编码结点的编码向量将需要移位的一路输入数据送到移位寄存器SR_1中左移相应的位数，完成相应的输入数据与编码向量的乘法操作；另一路用光纤延迟线FDL_1缓存，以使移位后的信号和被延时的信号能够同时进入全光异或门XOR gate完成组播数据包中数据部分的编码操作，编码操作在编码单元完成后将编码结果输入到编码节点的标签重写器中完成新数据包标签的编码标志置位和记录编码向量工作；

若两路数据其中有一路数据被上游结点编码而另一路数据未被上游结点编码，控制中心将两路输入数据包的数据部分交换到解码运算模块1中，控制中心根据被编码数据包的编码向量控制OXC_1将未被编码的数据送入第一输入端口P_1，将已编码的数据送入第二输入端口P_2，未被编码的数据a被交换到解码运算模块1的第一输入端口后由3db分路器复制成为两份，一份输入到光交换开关OSW_1中，另一份作为本模块的一路原始信号输出，输入到OSW_1的原始数据根据控制中心获取的编码向量(1，2ⁿ)^T由控制中心控制直接交换到全光异或门XORgate_1中；解码运算模块1的第二输入端口为编码数据

其被输入到光交换开关OSW_2中，OSW_2根据控制中心获取的编码向量(1，2ⁿ)^T将数据直接交换到全光异或门XOR gate_1中并与另一路进入异或门的原始数据a进行异或运算，并将运算结果2ⁿ*b输入到光交换开关OSW_3中；OSW_3根据控制中心获取的编码向量将2ⁿ*b交换到移位寄存器SR_2中，并控制其向右移n位，得到另一个原始数据b并将其输出；至此，解码运算模块1已经还原并输出两路原始数据a和b到编码单元用于完成编码结点的重编码操作；

若两路数据均被上游结点编码，此时控制中心提取两个被编码数据包的编码向量，并将两路输入数据包的数据部分交换到解码运算模块2中，数据

被交换到解码运算模块2的第一输入端口P_1，数据

被交换到解码运算模块2的第二输入端口P_2，数据

被3db分路器复制为两份，一份送到解码运算模块2的移位寄存器SR_1中，另一份经解码运算模块2的FDL_2延时后送入全光异或门XORgate_2中；控制中心根据获取的编码向量控制解码运算模块2的移位寄存器SR_1中的数据左移n位，将其变成后与解码运算模块2的P_2端口的输入数据

同时进入解码运算模块2的异或门XORgate_1进行异或运算得到数据2^(m+n)*a；数据2^(m+n）*a进入逻辑运算模块被还原成为一路原始数据a；原始数据a被解码运算模块2的另外一个3db分路器复制为两份，一份通过光纤延迟线延时一定时间后作为本解码模块的一路输出结果，另一份由控制中心根据获取的编码向量控制解码运算模块2的OSW_2将其交换到解码运算模块2的移位寄存器SR_2中并将其左移m位变为2^m*a后与另一路数据

同时进入全光异或门XOR gate_2中完成异或运算，还原得到另一路原始数据b；至此，本解码模块中解码完成并经OXC_2输出到编码单元中用于完成本编码结点的重编码计算。

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