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基于網絡編碼的無線網絡技術
【摘要】網絡編碼可以優化網絡傳輸的性能，網絡編碼的基本思想是網絡節點不僅對數據進行存儲轉發，還參與數據處理。網絡編碼的出現更迎合了無線網絡技術的發展，本文關注了網絡編碼在無線網絡中的研究和應用，初步探討了面對網絡編碼，我們應采取和研究的信息安全措施，同時提出了針對網絡編碼應著力解決的研究問題以及無線網絡技術如何依靠網絡編碼進行安全有效的信息交換，并對其發展進行了展望。
關鍵詞：網絡編碼 無線網絡 信息交換
1、網絡編碼技術與傳統網絡的差異
在傳統的計算機網絡數據傳輸過程中，要借助路由器進行數據傳遞，根據數據的目標地址，路由器將數據包向各個鏈路發送。由于沒有統一的安排和協調，在同一鏈路中會出現很多數據包，必須排隊等待通過的情況，這就制約了計算機網絡的傳輸速度和效率的提升。2000年，新型網絡編碼技術一經出現就得到了廣泛關注。網絡編碼技術著力解決的問題是有效地將同時到達路由器的數據同時發送出去，不讓數據產生擁塞，從而提高數據傳輸速度。
2、網絡編碼技術在無線網絡中的應用
2.1網絡編碼的概念
網絡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絡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，然后轉發給下游節點，中間節點扮演著編碼器或信號處理器的角色。
2.2網絡編碼應用于無線網絡的優勢
網絡編碼融合了路由和編碼的概念，使網絡節點不僅可以對數據進行存儲轉發，還可以進行編碼處理，已證明了使用線性網絡編碼已經能足夠達到網絡多播容量。但網絡編碼的好處不止這些，尤其是當網絡編碼應用于無線網絡時。網絡編碼首先應被應用在無線網絡環境。無線網絡的特性是不可靠性和廣播特性，使網絡編碼非常適合應用在無線網絡上，因為無線鏈路的不可靠性和物理層廣播特性非常適合使用編碼的方法。應用網絡編碼，可以解決傳統路由、跨層設計等技術無法解決的問題，提高網絡編碼在無線網絡中的應用。無線網絡的廣播特性使其非常適合使用網絡編碼，當一個節點傳輸一個數據包給它的一個鄰居節點時，它的其它鄰居節點也可以接收到這個數據包。因此，當一個節點的鄰居節點對不同的數據包感興趣時，可以將這些數據包編碼后再一起傳輸，這樣子可以使其所有的鄰居節點都收到感興趣的數據包并可以節約無線資源。
應用網絡編碼，可以解決傳統路由、跨層設計等技術無法解決的問題，提高網絡性能。網絡編碼在無線網絡中的應用可以提高網絡的吞吐量，尤其是組播吞吐量。可以減少數據包的傳播次數，降低無線發送能耗。當網絡部分節點或鏈路失效時采用隨機網絡編碼，最終在目的節點仍然能恢復原始數據，增強網絡的容錯性和魯棒性。網絡編碼對無線網絡的性能改善主要體現在提高網絡編碼的吞吐量上，網絡編碼已經被證明對于提高某些網絡的吞吐量有著很大的作用。運用網絡編碼可以在很大程度上提高網絡吞吐量，但是同時會增加網絡的復雜性。不少研究者在研究提高無線網絡的組播吞吐量的同時，研究如何降低因采用網絡編碼帶來的復雜性。在網絡狀況惡劣的條件下，網絡編碼和路由之間組播吞吐量的差別不大，網絡編碼的優勢體現在降低網絡復雜性上;在網絡狀況較好的條件下，網絡編碼相對于路由方法，在很大程度上，提高了組播吞吐量。這為根據網絡狀況動態調整網絡編碼算法提供了可能。
2.3網絡編碼如何提高無線網絡的安全性
網絡編碼在提高無線網絡的安全性研究方面亦取得了一定的成果。在無線網絡組播中，對于數據包的惡意修改的檢測，過去是使用基于消息認證碼或者數字簽名的方法。基于網絡編碼產生了一種基于數據包的隨機網絡編碼檢測策略，這種方法計算量小，而且檢測概率可以根據通信控制開銷、網絡編碼復雜程度和檢測時間這些因素進行調控。但這種方法亦存在不足。這種方法要求接收節點需要預先獲得至少一個沒有被惡意修改過的數據包，并且數據包的內容不能被攻擊者知曉，因此，這種方法對抗攻擊效果不好。
無線網絡廣播重傳處理中,多個接收節點中的任意一個節點的丟包都要求源節點重傳數據包,需要廣播發送較多的重傳次數.本文將隨機線性網絡編碼技術應用在無線網絡廣播重傳中,提出一種新穎的廣播重傳方法(RLNCBR)。該方法中,源節點記錄多個接收節點中丟包最多的接收節點丟包數,再按照隨機線性網絡編碼的方法編碼組合該丟包數個線性編碼包。源節點廣播重傳，接收節點采用運算編碼線性組合的方法獲得信息包數據。數學分析表明,該方法能保證所有接收節點的編碼可解性,同時重傳次數可達到理論最優性。模擬測試結果表明:與傳統重傳方法相比,RLNCBR有效地減少了信息包的平均傳輸次數,提高了傳輸效率。
3網絡編碼在無線網絡的應用發展方向
網絡編碼正在給現有的網絡帶來革命性的變化：網絡編碼從用來達到有線網絡中的組播容量，發展到在有線和無線網絡中提高吞吐量、節省能量、增強魯棒性和安全性，甚至改變網絡結構、改變網絡協議設計方法。網絡編碼在無線網絡中的應用還存在著以下的幾個問題：網絡編碼的具體實現和降低網絡編碼的復雜性。現在已經提出了很多網絡編碼方法，有集中式線性網絡編碼和分布式隨機網絡編碼，但是如何在實際網絡環境中實現網絡編碼，需要考慮許多實際應用問題，例如同步、控制開銷等。網絡編碼在實際網絡環境中如何實現是一個很迫切的問題。采用網絡編碼可以在很大程度上提高網絡性能，但設計和實現上的復雜性也隨之增加。如何在不顯著增加網絡開銷，綜合考慮效率和性能的前提下，實現網絡編碼問題是將來需要進行深入研究的方向。
4結束語
無線網絡環境由于環境的多變性,使得數據包在傳輸過程中更加容易丟失。目前,重傳常被用來實現無線廣播的錯誤處理,普通重傳方法思想基于發送方通過反饋得到接收方的出錯情況,重傳出錯的數據報文來恢復出錯的報文。
網絡編碼技術是近十年來飛速發展的一個研究課題。雖然還沒有應用到實際的通信網絡中，但已引起了較大的關注，比如美國軍方已經意識到網絡編碼技術的優勢，已經撥款研究網絡編碼技術在移動自組網(Mobile Ad HocNetwork)中的應用。因此,我們也應當及時跟蹤國際上的網絡編碼技術的發展趨勢。同時,結合各種應用深入思考網絡所涉及的各種安全技術問題。
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