网络编码

网络通信研究领域

网络编码理论是由香港中文大学信息工程学系李硕彦教授、杨伟豪教授、蔡宁博士与德国的Rudolf Ahlswede教授开创的网络通信研究新领域。

介绍

网络编码是2000年Ahlswede等人在IEEE Transactions on Information Theory上发表的论文《Network Information Flow》最先提出来的。网络编码主要用于多播网络中，在节点进行编码以提高信息传输速率。按传统方案，节点一般是使用“存储-转发”机制的路由器，由于传统观点认为“在中间节点上对数据进行加工不会带来收益”，所以路由器不对信息本身进行处理。网络编码则在节点上对数据进行处理，从而提高了信息的传输率。

传统的通信网络传送数据的方式是存储转发，即除了数据的发送节点和接收节点以外的节点只负责路由，而不对数据内容做任何处理，中间节点扮演着转发器的角色。长期以来，人们普遍认为在中间节点上对传输的数据进行加工不会产生任何收益，然而R Ahlswede等人[1]于2000年提出的网络编码理论彻底推翻了这种传统观点。

网络编码是一种融合了路由和编码的信息交换技术，它的核心思想是在网络中的各个节点上对各条信道上收到的信息进行线性或者非线性的处理，然后转发给下游节点，中间节点扮演着编码器或信号处理器的角色。根据图论中的最大流-最小割定理[2]，数据的发送方和接收方通信的最大速率不能超过双方之间的最大流值(或最小割值)，如果采用传统多播路由的方法，一般不能达到该上界。R Ahlswede等人以蝴蝶网络的研究为例，指出通过网络编码，可以达到多播路由传输的最大流界，提高了信息的传输效率，从而奠定了网络编码在现代网络通信研究领域的重要地位。

网络编码技术自七年前诞生以来，可以说基本上藏身于各大学和实验室中而鲜为人知。这是一种编码算法，支持者们声称它可以将现有的网络吞吐量提高一倍，同时还能改善网络的可靠性和防范攻击的能力。网络编码技术最热心的支持者们说，该技术将会引发网络的下一代革命；其他人则认为，网络编码技术更有可能会潜移默化地改变基于路由的网络架构。

工作原理

网络编码的工作原理是把不同的信息转化成位数更小的“痕迹”，然后在目标节点进行演绎还原，这样就不必反复传输或者复制全部信息了。痕迹可以在多个中间节点间的多条路径上反复传递，然后再被送往最终的目的端点。它不需要额外的容量和路由—只需把信息的痕迹转换成位流即可，而这种转换现有的网络基础设施是可以支持的。

安全问题

研究人员承认，窃听方式与xor位流概念的混合可能会引发对安全性的担忧。

但是麻省理工学院的Medard却认为，网络编码在执行过程中伪装了数据，并且能有效地承载数据，所以实际上增强了信息的安全性，要比在网络上传输不可破译的算法流的传统加密技术更安全。

“在你做这种数据包的混合时，其本身就具备了数据隐藏的性能。”Medard说。“比如有两个位组A和B，对两个位组执行xor操作，从得出的结果中哪个位组的数据你都看不到。你可能知道其中的某些位的值，但你却不可能还原出A位组的数据，除非你完全知道B位组的数据。”

她说，网络编码技术还能在P2P传输中检测恶意“污染”攻击，并纠正错误。

当然，还需要做大量的工作，以便确定网络编码对于安全的影响。至于网络编码能否在互联网这种共享基础设施中最终取代路由器，也同样还需要解决很多问题才行。比如说，客户必须知道，当信息在共享网络中不能够进行混合的时候该如何实施网络编码；他们还需要注意网络编码在有线和无线基础设施中的细微差别；而业界必须能够找出某种办法，当运营商把不同客户的不同流量相互混合时，客户到底应该如何付费。

Medard说，她和其他研究人员一起正在考虑解决这些问题的办法，继续探索改进网络的各种途径，以便让网络成为人类社会不可或缺的组成部分。

研究进展

网络编码允许网络节点在传统数据转发的基础上参与数据处理，已成为提高网络吞吐量、鲁棒性和安全性的有效方法。在介绍网络编码基本原理的基础上，比较了集中式和分布式网络编码构造方法的优缺点，并对实用网络编码设计中涉及的同步、纠错、编解码速度等问题进行了评述；进而，对网络编码在无线网络、P2P系统、分布式文件存储和网络安全等领域的最新应用进行了总结；最后对网络编码的理论和应用研究的发展趋势进行了分析与展望。设计简单高效的实现机制，并与其他领域的技术如信道编码与调制、路由算法、队列调度以及流媒体技术等的结合，将是网络编码发展的一个重要趋势。

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