CN104506272A - X型无线网络拓扑结构中的网络编码侦听方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种“X”型无线网络拓扑结构中的网络编码侦听方法，在侦听缓存满但同时又侦听到新的数据包时，目的结点对新侦听的数据包做删除处理并记录该数据包ID标识；中间编码结点采用数据包信息交换算法获取目的结点侦听缓存中数据包信息，并根据该信息对编码队列数据包按编码要求排序；目的结点侦听缓存删除已用于解码的数据包并将侦听到的包加入队列。本发明在保证公平性前提下最大化网络吞吐量、提高网络编码率和降低网络时延。本发明分别比先入先出、尽力服务和基于历史信息等方式在网络吞吐量方面平均提升31.3％、27.1％和21.6％、在数据包编码率方面平均提高33.1％、29.5％和23.3％、在网络时延方面平均降低25.4％、23.2％和17.7％。

Description

X型无线网络拓扑结构中的网络编码侦听方法

技术领域

本发明涉及一种无线网络中网络编码侦听管理技术,特别是一种“X”型无线网络拓扑结构中的网络编码侦听方法。

背景技术

网络编码(network coding)是一种融合编码和路由的信息交换技术。在传统存储转发的路由方法基础上，通过允许对接收的多个数据包进行编码信息融合，增加单次传输的信息量，提高网络整体性能。其本质是利用节点的计算能力提高链路的带宽利用率。对于无线网络，网络编码解决了传统路由、跨层设计等技术无法解决的问题，减少了数据包重传次数，提高了网络吞吐量，降低了能耗。采用实用随机网络编码进行信息传输时，即使网络中某些节点失效，链路连接失败，但是信宿还是能够恢复出信源发送的信息数据，因此网络编码增强了无线网络的容错性、抗毁性和稳定性。

举例说明网络编码的基本思想，如图2(b)所示“X”型网络拓扑网络中，S是信源，X，Y是信宿，各边的带宽均为1比特/单位时间，现要将2比特数据a，b同时从S传到X，Y.易知S与X，Y之间均分别存在两条独立路径，若采用传统路由方法，如图2(a)所示，由于两组路径间存在共有链路WZ，a，b不能同时在边WZ上传输，则S到X，Y的最大信息流速率为1.5比特/单位时间。若采用网络编码方法，在节点W上对a，b执行异或操作并转发，则节点X可以通过 的计算解出b，同理Y也可以解出a，从而使得S到X，Y的信息流速率达到2比特/单位时间，带宽利用率提高了33％。

无线网络侦听是基于无线网络节点广播特性而实现的，在“X”型网络拓 扑结构中，如图1所示。在该网络拓扑结构下，存在两条数据流流A和流B，对应为S_A→D_A和S_B→D_B，S_A和S_B表示两个源节点，D_A和D_B表示两个目的节点。P表示源节点S_A经过中继节点R发送至目的节点D_A的数据包，Q表示源节点S_B经过中继节点R发送至目的节点D_B的数据包。左右两个带点的箭头表示目的节点D_B、D_A能分别侦听到源节点S_A、S_B发送至中继节点R的数据包。

为方便问题描述，将目的节点侦听缓存设置为相同的容量大小，用D表示；用M表示流虚拟缓存容量大小。

结合网络编码，先后提出了FIFO(First In First Out)方式的侦听管理策略、尽力服务(Best-effort Service)和基于历史信息(Historical Information-based)侦听管理策略。先入先出(FIFO)的侦听管理策略的缺点在于：在侦听缓存大小受限的条件下，先入先出策略永远保存的是最新侦听到的数据包，这样就会使得部分数据包还没有用于解码就被侦听缓存删除，导致编码节点编码率下降，造成网络吞吐量的下降。尽力服务策略的核心思想就是新侦听的数据包替换同一条流的先于该侦听数据包到达的数据包，不管被替换的数据包是否已用于解码操作，因此，很多情况下存在错误替换的问题，影响编码节点的编码率，从而导致网络吞吐率的下降。基于历史信息的网络编码策略是通过统计一段时间内侦听缓存用于解码的数据包所在流的百分比，当侦听到新的数据包后，根据该数据包所属流在解码操作的贡献大小，确定该数据包是否进入侦听缓存替换贡献度低的流对应数据包。其局限性在于：统计时间点如何选取以及统计时间段大小如何确定，并且存在概率性的缺陷，不能全面表征网络数据流对数据包解码的贡献。以FIFO方式为例，附图3详细描述该策略存在的问题和不足。

现有的这些策略基于节点信息独立机制，并没有充分考虑到节点间缓存 信息的联系，容易造成节点缓存信息被错误删除替换等情况，直接影响了编码节点的数据包编码率和目的结点数据包解码率，存在很大的改进空间。

针对现有的方法，不管是采用FIFO策略，还是采用尽力服务，以及随后提出的基于历史信息的侦听缓存管理方式，当侦听缓存D小于流虚拟缓存M时(即D<M)，都存在侦听节点错误删除侦听缓存内数据包和编码节点没有根据侦听缓存数据包重组编码队列内数据包的缺陷，从而直接导致中间节点编码率下降和侦听缓存利用率下降，降低了网络吞吐量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种“X”型无线网络拓扑结构中的网络编码侦听方法，在保证公平性前提下最大化网络吞吐量，提高网络编码率，降低网络时延。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明的方法能在保证公平性前提下最大化网络吞吐量、提升网络编码率和降低网络时延，有效避免数据包被错误删除或者替换等情况的发生；本发明的方法具有较强的容错性和稳定性；与基于FIFO、Best-effort Service和Historical Information-based的网络编码侦听管理方式相比，本发明的方法在网络吞吐量方面平均提升31.3％、27.1％和21.6％、在数据包编码率方面平均提高33.1％、29.5％和23.3％、在网络时延方面平均降低25.4％、23.2％和17.7％。

附图说明

图1基于数据包交换和排序算法网络编码侦听管理网络拓扑图；

图2(a)传统网络传输数据包方式示意图；图2(b)采用网络编码方式传输数据包示意图；

图3是FIFO方式存在的问题说明图；

图4是本发明中侦听缓存对数据包丢弃处理示意图；

图5是本发明中编码节点获取侦听缓存数据包ID示意图；

图6是本发明中侦听节点向源节点获取数据包示意图；

图7是本发明中流均衡指标示意图；

图8是本发明中网络编码率对比示意图；

图9是本发明中吞吐率对比示意图；

图10是本发明中传输时延对比示意图。

具体实施方式

本发明的基本思想就是在传统侦听管理策略的基础上，通过记录侦听缓存满的情况下丢弃数据包的标识ID，当侦听缓存内数据包用于解码操作后，删除该数据包，并向源节点请求丢弃的数据包，确保在侦听概率丢失情况下，成功侦听到的数据包能进入侦听缓存，提高目的节点的解码率；与此同时，编码节点采用数据包交换算法向目的节点获取侦听缓存中数据包标识ID，重组编码队列中数据包顺序，方便节点编码，从而提升编码率，提高网络吞吐量。

本发明需要解决如下问题：

(1)数据包丢弃记录，在本发明应用的网络拓扑结构中，如何标识丢弃的数据包，才能确保该数据包的全局唯一性；(2)数据包信息交换，什么情况下进行数据包信息交换，采用什么方式进行；(3)数据包排序与编码，根据获取的侦听缓存数据包ID，如何进行数据包的排序与编码。

从上述三个问题出发，基于DPES思想的网络编码侦听策略实现过程如下。

1、数据包丢失记录

为了确定数据包的来源，必须在“X”型网络结构中采用全局唯一的标识ID来表示数据包。本发明采用二元组的方式进行数据包定义，形式上表现为{源ID，消息ID}，源ID表示发送节点的编号，消息ID表示为每个发送消息设置的序列号。

在侦听队列缓存满的情况下，对于新侦听到的数据包，本算法采用预丢弃但在目的节点记录该数据包的策略。主要思想是对于新侦听到的数据包，目的节点先记录该数据包ID，然后对该数据包进行丢弃处理。

具体过程如下(如图4所示)：

1)假定一段时间T内，源节点S_A需发送给N个数据包给中间节点R，目的节点D_B先后成功侦听到源节点S_A发送的数据包P₁、P₂,......和P_N，由于侦听缓存的大小只有D个数据包大小，节点根据先后到达顺序将D个数据包存储在缓存内，假如侦听缓存内存储的数据包为P₁,P₂,...,P_D；

2)在有保障的侦听条件下，对于接下来侦听到的数据包，目的节点D_B记录下这些数据包的ID号，并保存在向量V中；同时对这些数据包进行丢弃处理。

2、数据包信息交换

数据包交换采用的是请求-应答方式，包括侦听(目的)节点向源节点获取丢弃数据包(如图5所示)和编码节点向侦听(目的)节点获取侦听缓存数据包ID(如图6所示)两个过程。考虑到无线网络信号干扰的特性，节点之间的信息交互采用异步方式，节点内部的数据交互和处理采用并发方式。

以侦听节点向源节点获取丢弃数据包为例，具体步骤如下：

1)在侦听缓存出现空闲的时候，目的节点根据空闲的缓存容量Ns，比较 Ns和V中元素个数|V|的大小。若Ns<|V|，则从记录的丢弃数据包记录V中选取Ns个数据包ID；否则，根据V中所有数据包ID，向源节点发起获取数据包请求；

2)源节点根据该请求，从维护的节点数据队列内取出相应的数据包集合Is，并将该集合内的数据包发给目的节点；

3)目的节点根据收到的数据包集合ID，并将其与请求数据包ID进行比较，确保收到的数据包和请求数据包一致；如果不一致，则将不一致数据包请求重新发给源节点，返回步骤1)；否则，进入下一步；

4)目的节点将收到的数据包加入侦听缓存内空闲位置，并进入下一轮编码数据包的接收和解码。

图5中Request(R->D)表示编码节点向目的节点发送获取侦听缓存内数据包ID请求；Response(D->R)表示侦听目的节点向编码节点返回侦听缓存内数据包ID。

图6中Request(D->S)表示侦听目的节点向源节点发送获取丢弃数据包请求；Response(S->D)表示源节点向侦听目的节点返回丢弃的数据包数据信息。

3、数据包排序与编码

编码节点R获取目的节点侦听缓存内数据包ID，并根据获取到的数据包ID，重新组织编码队列内数据包。

在本发明的“X”型网络拓扑结构中，数据包重组与编码实现如下：

1)节点R获取目的节点D_i(i＝1,2)中侦听缓存队列里的数据包集合ID₁、ID₂；

2)节点R从编码队列数据包集合R₀里选择出属于ID₁或ID₂的数据包集合R_1,2；

3)将R_1,2内来自不同流或者源节点的数据包两两配对，将配对好的数据包从编码队列头位置开始置于队列内；若R_1,2为奇数，则将最后配对剩余的数据包置于配对好的数据包序列之后，并记录下队列内最后一个数据包的序号Rn；否则，记录下插入队列内最后一个数据包序号Rn′；

4)将R₀内剩余的数据包按照不同的来源两两组对加入到编码队列内；

5)将编码队列内序列号Rn之前的数据包两两之间采用异或操作进行编码，形成新的数据包，并将其发送至目的节点；

6)进入下一轮数据包编码。

为方便实验场景再现，本发明先给出相关约束，然后在相关约束后对网络拓扑结构中的数据包形式化描述，最后对算法进行理论分析和推理。

i.流守恒约束 

每个节点都必须满足流守恒约束，即对于每一条流的中间节点流出的流速率等于流入的流速率。每条流的源节点流出的流速率是该流的吞吐量，目的节点流入的流速率是该流的吞吐量，方向相反。

$\underset{v}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{uv}}^k{r}_k(u,v)-\underset{w}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{wu}}^k{r}_k(w,u)=h_k\left(u\right),\&ForAll;k\&Element;[1,K],\&ForAll;u\&Element;V---\left(1\right)$

其中，r_k(u,v)表示第k条流在链路(u,v)上的流速率，λ_k,s_k,d_k分别表示第k条流的吞吐量、源节点和目的节点。

进一步，只有当链路参与流的传输，链路上的流速率才不为0；否则，链路的流速率一定为0。这一约束可用式(2)表达：

${\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{uv}}^k{r}_k(u,v)=r_k(u,v),\&ForAll;k\&Element;[1,K],\&ForAll;(u,v)\&Element;E---\left(2\right)$

ii.编码约束

本发明中，节点的转发速率不受转发顺序的影响，只受对应链路的链路 质量约束。因此链路的实际流速率必然小于发送节点的平均广播速率和链路包投递率之积，即满足下式中的直接网络编码模型。

$b_k\left(u\right)*p(u,v)\&GreaterEqual;r_k(u,v),\&ForAll;k\&Element;[1,K],\&ForAll;(u,v)\&Element;E---\left(3\right)$

其中，p(u,v)表示链路(u,v)的包投递率。虽然这一约束不是很严格，但也能近似描述一个实际无线网的行为。虽然还存在更精确的约束模型，但却是指数性的约束，会导致问题很难解。

iii.形式化描述 

对于侦听节点，用一串二进制数Str表示节点缓存中存在的数据包，二进制串Str的长度n由被侦听的源节点发送数据包的个数决定。

在式(4)中，二进制串中对应位若为1，则表示侦听缓存中存在被侦听源节点的对应序列的数据包；如果为0，则表示被侦听源节点中对应序列的数据包不存在于侦听缓存内。对于图2(a)、图2(b)中目的节点D_B而言，若二进制串为101，则表示侦听缓存内对应的数据包为源节点的第一个和第三个数据包，即P₁和P₃。类似地，若二进制串为011，则表示侦听缓存内对应的数据包为P₁和P₂。若新侦听到的数据包取代缓存内已有的数据包，则将被替换的数据包对应的二进制位重置为0，新侦听到的数据包对应的二进制位则置为1。

对于中间编码节点R而言，在本发明的“X”型拓扑结构中，共有两条流，编码队列内数据包采用流标识加数据包二进制串的的方式表示：

在式(5)中，二进制串最高位表示对应的流，如最高位为0，则表示流A；如最高位为1，则表示流B。二进制串的低n位的长度取决于对应流内数据包的数量，该串对应的表示意义同表达式(1)中的Str。例如，串R_Str为0011则表示编码队列中存在流A的数据包P₁和P₂；若串R_Str为1011，则表示编码队列中存在流B的数据包Q₁和Q₂。

以下阐述本发明算法理论分析：

算法的理论分析主要包括编码率分析和传输实验分析。

i.数据包编码率分析

数据包编码率是指编码节点中编码数据包占节点收到数据包的比重。对于本发明采用的算法，有如下推理。

引理中间编码节点数据包的编码率的大小取决于目的侦听节点对数据包侦听丢失率的大小。

证明：假设链路为无损链路，目的节点对源节点侦听数据包的丢失率为P_i(i＝1,2,...,N),i表示侦听源节点发送数据包的个数。由于采用本发明所述算法后，对于存在于侦听缓存中的数据包，编码节点都能对存在于编码队列内的相同数据包进行编码操作。因此，对于单个数据包而言，它被侦听节点成功侦听到的概率就决定了其在编码队列内被编码的概率。对N个数据包来说，其分别到达侦听缓存的概率对应为1-P_i(i＝1,2,...,N)，可以近似理解为每个数据包大概有(1-P_i)个被侦听到，则所有侦听到的数据包个数

$N_{\mathrm{arr}}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}(1-P_i)---\left(6\right)$

这N_arr个数据包都能用于中间编码节点进行编码，而编码节点理论上收到的数据包个数为N个。那么编码率α对应计算为：

$\mathrm{\&alpha;}=\frac{N_{\mathrm{arr}}}{N}---\left(7\right)$

将表达式(6)代入表达式(7)后化简得到编码率α，

$\mathrm{\&alpha;}=1-\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_i---\left(8\right)$

根据表达式(8)，侦听数据包丢失概率越小，对应的数据编码率越大。

证毕。

ii.网络时延分析 

在本发明的研究中，数据包从源节点到达目的节点，相比传统方法，增加了侦听节点对侦听范围内丢弃的源节点数据包的交换过程和编码节点对侦听缓存的数据包信息交换等两个过程，相应地产生了这两个阶段的传输延迟。其计算公式可以表示为：

$T_{\mathrm{avg}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N_{\mathrm{num}}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{T}_i}{N_{\mathrm{num}}}---\left(9\right)$

其中，T_avg表示数据包从源节点至侦听缓存的平均达到时间，T_i表示第i个数据包从源节点到达侦听缓存的时延，N_num表示从源节点交换到侦听节点的数据包个数。

而编码节点对侦听缓存数据包信息交换的过程是获取侦听缓存内数据包ID号的过程，并不需要将侦听缓存数据包传输至编码节点，因此，其产生的时延可以通过网络传输时间计算公式得到。

$T_{\mathrm{tran}}=\frac{C_F}{V}---\left(10\right)$

其中，T_tran表示数据包ID组成的数据从侦听缓存传输至编码节点所需的传输时间，C_F表示由数据包ID号组成数据的大小，V表示数据传输速率。

我们通过实验说明本发明的性能。

在”X”型网络拓扑结构中，仿真节点数量是5个，流虚拟队列数据包容量大小是80个，两个源节点和编码节点接入信道的概率相等，均为1/3。每个实验时间为4000s，重复10次，取统计结果的平均值。具体参数见表1。

表1参数设置

比较的指标为不同侦听丢失率下的网络编码率、吞吐量和网络时延。

下面对本算法的性能进行分析和比较。

我们将本发明算法分别与FIFO、Best-effort Service和Historical information based三种方法进行比较。

网络编码率的大小随侦听丢失率的变化关系如图7所示。随着侦听数据包丢失率的增大，四种方法对应的网络编码率都是呈现下降趋势，这主要是由于侦听缓存数据包丢失的越多，直接导致了侦听缓存中参与数据解码的数据包减少，从而造成了编码队列中数据包不能编码，使得节点编码率下降。本发明方法比其它三种方法具有更好的编码率，这主要是由于本方法通过交换侦听节点和编码节点的数据包信息，重新组合了编码节点中数据包的顺序，确保了进入侦听缓存队列的数据包都能参与解码，更有利于编码节点数据包编码操作，从而带来了更高的编码率。

网络吞吐量的大小随侦听丢失率的变化关系如图8所示。随着数据包侦听丢失率的变大，网络吞吐量整体都是呈现下降趋势，这主要是由于侦听数据包丢失率越大，目的节点用于解码的数据包越少，侦听缓存的利用率下降，进而降低了吞吐量。对比FIFO、尽力服务和基于历史信息的方式，本发明在系统吞吐量上有了很大的提高，主要是由于编码队列充分获取了已有侦听缓存中的数据包信息，同时并重组了编码队列里数据包的顺序，从而提高了编码缓存的利用率，提升了网络吞吐量。即使在数据包侦听丢失率达到最大值25％时，网络吞吐量还能保持在60％以上，而此时其它三种方式的网络吞吐量都降低到30％以下。

网络时延的大小随侦听丢失率的变化关系如图9所示。侦听数据包丢失率越大，四种方法对应的网络时延都呈现增加的趋势，这主要是由于侦听数据包丢失率越大，网络编码节点中参与编码的数据包越少，采用单播方式发送的数据包增多，因而网络时延增大；本发明比其它三种方法的网络时延要低，这是因为DPES算法充分利用了被成功侦听到的数据包，并保证被侦听的数据包能用于最终目的节点的解码操作，提升了编码节点的编码率，增加了一次发送的信息量，提高了网络吞吐量，从而降低了传输时延；另一方面，在本发明中，由于编码节点采用了多线程并发技术，极大地降低了中间节点对数据包的处理时延(如图10所示)。

基于数据包交换与排序的网络编码侦听策略，通过侦听节点向邻近源节点获取所需数据包，同时编码节点通过周期地获取目的侦听节点缓存内数据包ID，重组编码节点内数据包顺序，从而进一步提高了编码节点编码率、提升网络吞吐量和降低网络时延。

Claims (5)

1.一种X型无线网络拓扑结构中的网络编码侦听方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在侦听缓存满的情况下，对于新侦听到的数据包，侦听目的节点丢弃新侦听到的数据包，并记录丢弃的数据包的ID；

2)侦听目的节点根据丢弃数据包ID向源节点获取对应的数据包，同时，编码节点向侦听目的节点获取侦听缓存数据包ID；

3)编码节点获取侦听目的节点侦听缓存内的数据包ID，并根据侦听缓存内的数据包ID重新组织编码队列内的数据包并进行编码操作。

2.根据权利要求1所述的X型无线网络拓扑结构中的网络编码侦听方法，其特征在于，所述步骤1)的具体实现过程如下：

1)假定一段时间T内，源节点需发送给N个数据包给中间节点R，侦听目的节点先后成功侦听到源节点发送的数据包P₁、P₂,......和P_N，若侦听缓存的大小为D个数据包大小，侦听目的节点根据先后到达顺序将D个数据包存储在侦听缓存内，即侦听缓存内存储的数据包为P₁,P₂,...,P_D；其中D＜N；

2)对于接下来侦听到的数据包，侦听目的节点记录下这些数据包的ID号，并保存在向量V中，同时对这些数据包进行丢弃处理。

3.根据权利要求2所述的X型无线网络拓扑结构中的网络编码侦听方法，其特征在于，所述步骤2)中，侦听目的节点向源节点获取丢弃的数据包的具体过程为：

1)在侦听缓存出现空闲的时候，侦听目的节点根据空闲的缓存容量 Ns，比较Ns和V中元素个数|V|的大小；若Ns<|V|，则从向量V中选取Ns个数据包ID；否则，根据V中所有数据包ID，向源节点发起获取数据包请求；

2)源节点根据上述请求，从维护的节点数据队列内取出相应的数据包集合Is，并将该数据包集合内的数据包发送给侦听目的节点；

3)侦听目的节点将收到的数据包集合ID与请求数据包ID进行比较，比较收到的数据包集合和请求数据包是否一致，如果不一致，则将不一致数据包请求重新发给源节点，返回步骤1)；否则，进入步骤4)；

4)侦听目的节点将收到的数据包集合加入侦听缓存内空闲位置。

4.根据权利要求3所述的X型无线网络拓扑结构中的网络编码侦听方法，其特征在于，编码节点向侦听目的节点获取侦听缓存数据包ID的具体过程如下：编码节点向侦听目的节点发送获取侦听缓存内所有数据包ID的请求；侦听目的节点根据编码节点请求，将侦听缓存内所有数据包ID作为响应发送给编码节点；编码节点反馈侦听目的节点数据包ID发送响应，并保存收到的数据包ID。

5.根据权利要求4所述的X型无线网络拓扑结构中的网络编码侦听方法，其特征在于，所述步骤3)的具体实现过程如下：

1)中间节点R获取侦听目的节点中侦听缓存队列里的数据包集合；

2)中间节点R从编码队列数据包集合R₀里选择出属于上述数据包集合的数据包集合；

3)将步骤2)选择出的数据包集合内来自不同流或者源节点的数据包两两配对，将配对好的数据包从编码队列头位置开始置于编码队列 内；若选择出的数据包集合数为奇数，则将最后配对剩余的数据包置于配对好的数据包序列之后，并记录下该最后配对剩余的数据包在编码队列内的序号Rn；否则，记录下插入编码队列内的最后一个数据包序号Rn′；

4)将R₀内剩余的数据包按照不同的来源两两组对加入到编码队列内；

5)将编码队列内序列号Rn或Rn′之前的数据包两两之间采用异或操作进行编码，形成新的数据包，并将新的数据包发送至侦听目的节点；

6)返回步骤1)。