基于邏輯移位和異或運(yùn)算的多維全光網(wǎng)絡(luò)編碼方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種在基于網(wǎng)絡(luò)編碼全光組播環(huán)境下，能夠在全光條件下基于全光異 或門(mén)和全光移位寄存器實(shí)現(xiàn)的多維網(wǎng)絡(luò)編碼方法，尤其涉及一種能夠滿足邏輯移位和邏輯 異或運(yùn)算的網(wǎng)絡(luò)編碼向量設(shè)計(jì)方法，以及在該編碼向量基礎(chǔ)上根據(jù)組播樹(shù)分離路徑數(shù)目自 適應(yīng)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)編碼向量維度的方法，滿足不同分離路徑數(shù)目的組播樹(shù)對(duì)基于網(wǎng)絡(luò)編碼數(shù)據(jù) 傳輸?shù)男枨螅?br/>【發(fā)明內(nèi)容】
屬于光交換網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著寬帶多媒體網(wǎng)絡(luò)和終端技術(shù)的不斷發(fā)展，新型點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的組播通信業(yè)務(wù)，如 IPTV(網(wǎng)絡(luò)電視）、視頻會(huì)議、數(shù)據(jù)和資料分發(fā)、網(wǎng)絡(luò)音頻應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)視頻應(yīng)用、多媒體遠(yuǎn)程 教育等在整個(gè)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)中所占的比重在不斷增加。這類組播業(yè)務(wù)具有寬帶、實(shí)時(shí)以及互動(dòng) 等主要特征。在新技術(shù)不斷發(fā)展，新業(yè)務(wù)不斷涌現(xiàn)的條件下，人們對(duì)高品質(zhì)組播質(zhì)量的追 求也在不斷提高，導(dǎo)致對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求越來(lái)越高。另一方面，數(shù)據(jù)中心已經(jīng)成為云服務(wù) 的主要提供者，而數(shù)據(jù)中心內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中存在非常廣泛的組播通信模式，例如分布式集群系 統(tǒng)的高效數(shù)據(jù)復(fù)制、分發(fā)與狀態(tài)同步，云環(huán)境下虛擬機(jī)鏡像安裝，文件備份與分發(fā)等等。在 數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的組播業(yè)務(wù)，可以減少數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的數(shù)據(jù)發(fā)送量，降低網(wǎng)絡(luò)流量，提高網(wǎng)絡(luò) 資源使用效率，提高數(shù)據(jù)中心服務(wù)能力。
[0003] 傳統(tǒng)IP組播由于其自身帶寬不足以及數(shù)據(jù)處理速度低等原因?qū)㈦y于滿足組播業(yè) 務(wù)可靠性傳輸要求。光網(wǎng)絡(luò)正以其高速率、大容量的數(shù)據(jù)傳輸能力，智能和靈活的網(wǎng)絡(luò)管理 能力，良好的健壯性和生存性成為未來(lái)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢(shì)。另一方面，網(wǎng)絡(luò)編碼具有提高 網(wǎng)絡(luò)吞吐量、均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、增加網(wǎng)絡(luò)帶寬的利用率、減少網(wǎng)絡(luò)資源損耗、提高網(wǎng)絡(luò)安全性、 減少能量消耗等優(yōu)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)能夠提高數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的穩(wěn)定性、可靠性和安全性， 在組播場(chǎng)景中具有廣泛的應(yīng)用。因此，融合光網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)編碼實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)編碼的組播機(jī) 制是解決傳統(tǒng)IP組播不足的有效手段。
[0004] 目前由于光域中缺乏全光隨機(jī)存儲(chǔ)設(shè)備，難以實(shí)現(xiàn)基于線性運(yùn)算的全光網(wǎng)絡(luò)編碼 運(yùn)算。但是，由于有全光邏輯運(yùn)算器件的支持，光域中可以實(shí)現(xiàn)快速、高效的全光邏輯移位 和異或運(yùn)算。因此，在光網(wǎng)絡(luò)中利用全光邏輯異或和移位運(yùn)算從而避免使用光-電-光轉(zhuǎn) 換實(shí)現(xiàn)光層網(wǎng)絡(luò)編碼已成為目前唯一切實(shí)可行的高效解決方案。
[0005] 通常邏輯異或和移位運(yùn)算適合進(jìn)行二元運(yùn)算，而難以支持多元運(yùn)算，使得基于邏 輯運(yùn)算的全光網(wǎng)絡(luò)編碼機(jī)制通常僅僅支持組播樹(shù)中具有兩條分離路徑的兩路（二維）網(wǎng)絡(luò) 編碼操作。本發(fā)明將針對(duì)這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)全新的網(wǎng)絡(luò)編碼向量集合，拓展光層網(wǎng)絡(luò)編碼的維 度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于針對(duì)基于邏輯異或和移位運(yùn)算的光層網(wǎng)絡(luò)編碼機(jī)制僅僅支持 兩路網(wǎng)絡(luò)編碼操作的問(wèn)題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)滿足光層邏輯異或和移位運(yùn)算并且支持多路網(wǎng)絡(luò)編 碼操作的網(wǎng)絡(luò)編碼向量集合，并且在該編碼向量集合的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)編碼向量維度的自 適應(yīng)調(diào)整方法。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)上述的發(fā)明目的，本發(fā)明采用下述的技術(shù)方案： 一種支持基于邏輯異或和移位運(yùn)算多路網(wǎng)絡(luò)編碼的多維網(wǎng)絡(luò)編碼向量，其特征在于： 所述的光層網(wǎng)絡(luò)編碼向量能夠支持實(shí)現(xiàn)光域中基于邏輯異或和邏輯移 位運(yùn)算的多路（大于等于2路）全光網(wǎng)絡(luò)編碼機(jī)制。設(shè)該編碼向量集合為 其取值如公式（1)所示：
上式中i=l-k (k為自然數(shù)），其中i每取一個(gè)值，將對(duì)應(yīng)一個(gè)多維編碼向量集合；當(dāng)i 為某一確定值時(shí)，可由該值確定η個(gè)編碼向量，當(dāng)i值改變以后又可以確定另外η個(gè)不同的 編碼向量；每個(gè)編碼向量集合中的編碼向量的數(shù)量由η確定，其中η為組播樹(shù)中分離路徑的 數(shù)量（需要編碼的路徑數(shù)量，本發(fā)明中稱為編碼維度），因此編碼向量集合為η行η列矩陣， 矩陣每一個(gè)行向量的轉(zhuǎn)置作為一個(gè)編碼向量；該編碼向量的設(shè)計(jì)方法能夠保證編碼向量空 間有足夠的編碼向量可用，并且2 1便于通過(guò)邏輯移位操作實(shí)現(xiàn)；此外，在上述編碼向量集合 的基礎(chǔ)上，還定義一個(gè)基礎(chǔ)編碼向量
[0008] 為了保證通過(guò)邏輯異或和移位運(yùn)算實(shí)現(xiàn)多路網(wǎng)絡(luò)編碼運(yùn)算并正確解碼，當(dāng)基于網(wǎng) 絡(luò)編碼的多分離路徑組播樹(shù)（η維）中確定有m(m〈=n+l)個(gè)編碼節(jié)點(diǎn)時(shí)，為了保證編解碼 的正確性通常需要為這m個(gè)編碼節(jié)點(diǎn)分別分配不同的編碼向量，編碼向量選取規(guī)則如下所 述： (a) 當(dāng)m=n+l時(shí)，編碼向量的選取方式是：首先選擇基礎(chǔ)編碼向量然后令i=l并 從矩陣中任選m-Ι個(gè)編碼向量（任選m-Ι行）與基礎(chǔ)編碼向量一起組成m個(gè)η維編碼 向量； (b) 當(dāng)m>n+l時(shí)，編碼向量選取方式是：首先選擇基礎(chǔ)編碼向量然后令i=l，并從 矩陣中選擇全部η個(gè)編碼向量（矩陣中所有η行）；接著再令i=2,從中選擇剩余 的m-n-1個(gè)編碼向量；如若編碼向量數(shù)目仍然小于編碼節(jié)點(diǎn)數(shù)量m，則再令i=3,從^4?中選 擇其余編碼向量，以此類推直至編碼向量數(shù)目（包括基礎(chǔ)編碼向量）等于編碼節(jié)點(diǎn)數(shù)量m 為止。
[0009] 上述編碼向量設(shè)計(jì)和選取方法能夠保證在任何情況下任意一個(gè)編碼節(jié)點(diǎn)收到的η 路編碼數(shù)據(jù)表達(dá)式中任意2個(gè)表達(dá)式中至多有2個(gè)變量的系數(shù)是不同的，并且這兩個(gè)變量 的系數(shù)之商為2%其中X為整數(shù)。這樣能夠保證通過(guò)移位和異或運(yùn)算求得這兩個(gè)變量，然后 將變量代入該節(jié)點(diǎn)其余表達(dá)式中可求得其它變量，從而實(shí)現(xiàn)解碼操作。
[0010] 一種可以動(dòng)態(tài)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)編碼向量維度以滿足具有不同分離路徑數(shù)量組播網(wǎng)絡(luò)對(duì) 網(wǎng)絡(luò)編碼向量不同維度需求的編碼向量維度動(dòng)態(tài)調(diào)整方法，其特征在于：網(wǎng)絡(luò)編碼向量分 配過(guò)程中綜合考慮組播網(wǎng)絡(luò)吞吐量、組播數(shù)據(jù)傳輸可靠性和組播可擴(kuò)展性等方面，根據(jù)組 播場(chǎng)景中組播節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)加入、退出組播分組后導(dǎo)致的組播樹(shù)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化的問(wèn)題，按照變 化后的組播樹(shù)中分離路徑的數(shù)量自適應(yīng)調(diào)整編碼向量維度而不改變編解碼運(yùn)算方式。具體 方法為： (a) 首先根據(jù)給定的組播樹(shù)確定編碼向量維度d =min (PpP2,…，pnt)，其中nt為組播 樹(shù)中目的節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，P1為源節(jié)點(diǎn)到第i個(gè)目的節(jié)點(diǎn)之間的分離路徑數(shù)目；由于基于網(wǎng)絡(luò) 編碼組播網(wǎng)絡(luò)所能達(dá)到的最大吞吐量受最小獨(dú)立路徑數(shù)量的限制，因此這樣確定編碼向量 維度d能夠保證組播數(shù)據(jù)的傳輸達(dá)到組播網(wǎng)絡(luò)的吞吐量上限； (b) 按照公式（1)的編碼向量規(guī)則產(chǎn)生維度為d的編碼向量集合，根據(jù)基于網(wǎng)絡(luò)編碼 組播樹(shù)中確定的編碼節(jié)點(diǎn)數(shù)量m從編碼向量集合中選擇m-Ι個(gè)編碼向量，然后將基礎(chǔ)編碼 向量和選取的m-Ι個(gè)編碼向量分配給組播樹(shù)中m個(gè)編碼節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)編碼的數(shù)據(jù)傳 輸機(jī)制； (c) 當(dāng)組播樹(shù)中有節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)加入或退出組播分組時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致組播樹(shù)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變， 從而導(dǎo)致編碼向量維度發(fā)生改變；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)編碼向量維度增大k維的時(shí)候，將原始編碼向量 矩陣改為d+k維方陣；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)編碼向量維度減少k維的時(shí)候，將原始編碼向量矩陣動(dòng)態(tài)調(diào)整 成d-k維方陣（方陣中的每個(gè)元素按照公式（1)生成規(guī)則產(chǎn)生）；上述操作可通過(guò)增、減編 碼向量中元素" 1"的數(shù)量實(shí)現(xiàn)，具體可描述為： 編碼向量維度增加規(guī)則：將d階方陣擴(kuò)展為d+k階方陣，并且保證主對(duì)角線元素為21 且方陣中其它所有元素均為" 1"。具體操作過(guò)程可描述為：矩陣左側(cè)增加 k列元素" 1"，同 時(shí)矩陣上側(cè)增加 k行元素" 1"，然后將第一行第一列的元素（本文涉及到的行列號(hào)排序?yàn)?自上而下，自左而右，下同）設(shè)為21，第二行第二列的元素設(shè)為2 1，直至將第k行第k列元素 設(shè)為21，其余空位補(bǔ)" 1"，得到d+k階方陣；或者在矩陣右側(cè)和下側(cè)增加 k列元素" 1"，然后 將矩陣第d+k行和第d+k列的元素設(shè)為21，將d+k-Ι行和第d+k-Ι列的元素設(shè)為2 1，直至第 d+Ι行和第d+Ι列的元素設(shè)為21，并將其余空位補(bǔ)"1"得到d+k階方陣；至此編碼向量維度 增加操作完成；編碼向量維度縮減規(guī)則：矩陣自左向右刪除k列元素，同時(shí)矩陣自上向下刪 除k行元素；或者，矩陣自右向左刪除k列元素，同時(shí)矩陣自下向上刪除k行元素；至此編碼 向量維度縮減操作完成。
【附圖說(shuō)明】
[0011] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明： 圖1為網(wǎng)絡(luò)編碼場(chǎng)景不意圖； 圖2為編碼向量維度增加后的編碼場(chǎng)景示意圖； 圖3為編碼向量維度縮減后的編碼場(chǎng)景示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012] 圖1給出了一個(gè)簡(jiǎn)化的4路網(wǎng)絡(luò)編碼場(chǎng)景示意圖。圖1中