基本介紹
- 中文名：網路編碼
- 外文名：Network Coding
- 方式：存儲轉發
- 學科：計算機學
介紹,工作原理,安全問題,研究進展,
介紹
網路編碼是2000年Ahlswede等人在IEEE Transactions on Information Theory上發表的論文《Network Information Flow》最先提出來的。網路編碼主要用於多播網路中，在節點進行編碼以提高信息傳輸速率。按傳統方案，節點一般是使用“存儲-轉發”機制的路由器，由於傳統觀點認為“在中間節點上對數據進行加工不會帶來收益”，所以路由器不對信息本身進行處理。網路編碼則在節點上對數據進行處理，從而提高了信息的傳輸率。
傳統的通信網路傳送數據的方式是存儲轉發，即除了數據的傳送節點和接收節點以外的節點只負責路由，而不對數據內容做任何處理，中間節點扮演著轉發器的角色。長期以來，人們普遍認為在中間節點上對傳輸的數據進行加工不會產生任何收益，然而R Ahlswede等人[1]於2000年提出的網路編碼理論徹底推翻了這種傳統觀點。
網路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路中的各個節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，然後轉發給下游節點，中間節點扮演著編碼器或信號處理器的角色。根據圖論中的最大流-最小割定理[2]，數據的傳送方和接收方通信的最大速率不能超過雙方之間的最大流值(或最小割值)，如果採用傳統多播路由的方法，一般不能達到該上界。R Ahlswede等人以蝴蝶網路的研究為例，指出通過網路編碼，可以達到多播路由傳輸的最大流界，提高了信息的傳輸效率，從而奠定了網路編碼在現代網路通信研究領域的重要地位。
網路編碼技術自七年前誕生以來，可以說基本上藏身於各大學和實驗室中而鮮為人知。這是一種編碼算法，支持者們聲稱它可以將現有的網路吞吐量提高一倍，同時還能改善網路的可靠性和防範攻擊的能力。網路編碼技術最熱心的支持者們說，該技術將會引發網路的下一代革命；其他人則認為，網路編碼技術更有可能會潛移默化地改變基於路由的網路架構。
工作原理
網路編碼的工作原理是把不同的信息轉化成位數更小的“痕跡”，然後在目標節點進行演繹還原，這樣就不必反覆傳輸或者複製全部信息了。痕跡可以在多箇中間節點間的多條路徑上反覆傳遞，然後再被送往最終的目的端點。它不需要額外的容量和路由—只需把信息的痕跡轉換成位流即可，而這種轉換現有的網路基礎設施是可以支持的。
安全問題
研究人員承認，竊聽方式與xor位流概念的混合可能會引發對安全性的擔憂。
但是麻省理工學院的Medard卻認為，網路編碼在執行過程中偽裝了數據，並且能有效地承載數據，所以實際上增強了信息的安全性，要比在網路上傳輸不可破譯的算法流的傳統加密技術更安全。
“在你做這種數據包的混合時，其本身就具備了數據隱藏的性能。”Medard說。“比如有兩個位組A和B，對兩個位組執行xor操作，從得出的結果中哪個位組的數據你都看不到。你可能知道其中的某些位的值，但你卻不可能還原出A位組的數據，除非你完全知道B位組的數據。”
她說，網路編碼技術還能在P2P傳輸中檢測惡意“污染”攻擊，並糾正錯誤。
當然，還需要做大量的工作，以便確定網路編碼對於安全的影響。至於網路編碼能否在網際網路這種共享基礎設施中最終取代路由器，也同樣還需要解決很多問題才行。比如說，客戶必須知道，當信息在共享網路中不能夠進行混合的時候該如何實施網路編碼；他們還需要注意網路編碼在有線和無線基礎設施中的細微差別；而業界必須能夠找出某種辦法，當運營商把不同客戶的不同流量相互混合時，客戶到底應該如何付費。
Medard說，她和其他研究人員一起正在考慮解決這些問題的辦法，繼續探索改進網路的各種途徑，以便讓網路成為人類社會不可或缺的組成部分。
研究進展
網路編碼允許網路節點在傳統數據轉發的基礎上參與數據處理，已成為提高網路吞吐量、魯棒性和安全性的有效方法。在介紹網路編碼基本原理的基礎上，比較了集中式和分散式網路編碼構造方法的優缺點，並對實用網路編碼設計中涉及的同步、糾錯、編解碼速度等問題進行了評述；進而，對網路編碼在無線網路、P2P系統、分散式檔案存儲和網路安全等領域的最新套用進行了總結；最後對網路編碼的理論和套用研究的發展趨勢進行了分析與展望。設計簡單高效的實現機制，並與其他領域的技術如信道編碼與調製、路由算法、佇列調度以及流媒體技術等的結合，將是網路編碼發展的一個重要趨勢。
