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        一種提高網(wǎng)絡(luò)編碼在P2P應(yīng)用中效率算法

        2015-05-30 10:48:04張雷
        中國新通信 2015年5期

        【摘要】 傳統(tǒng)P2P網(wǎng)絡(luò)中,每個中間節(jié)點都只是存儲轉(zhuǎn)發(fā),不會對接收到的文件塊做任何處理。在P2P中引入網(wǎng)絡(luò)編號后[3-4],在入度大于等于二的節(jié)點上進行網(wǎng)絡(luò)編碼,可以提高文件的傳輸效率,而且還能提高網(wǎng)絡(luò)的魯棒性。改進后的網(wǎng)絡(luò)編碼,不是對每個入度大于等于二的中間節(jié)點都進行網(wǎng)絡(luò)編碼,而是只對關(guān)鍵路徑的入度大于等于二的節(jié)點進行編碼,這樣就會節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)編碼和解碼消耗的時間,提高了傳輸效率。

        【關(guān)鍵詞】 網(wǎng)絡(luò)編碼 P2P網(wǎng)絡(luò) BT系統(tǒng)

        一、傳統(tǒng)的P2P方式

        在P2P網(wǎng)絡(luò)中,每個節(jié)點都是對等了,既充當服務(wù)器,又充當客戶端。與C/S模式不同。P2P中最流行的是BT系統(tǒng),它可以把每一個加入進來下載資源的主機變成服務(wù)器。BT系統(tǒng)中有跟蹤服務(wù)器,種子節(jié)點和下載節(jié)點。跟蹤服務(wù)器記錄了每個加入進來的主機的狀態(tài)。假如主機A上有個文件file,主機B、C、D、E分別想下載主機A上的file文件。主機B第一個加入進來下載主機A上的文件,主機B向主機A上的跟蹤服務(wù)器注冊,得到file在主機A上的信息塊,取得主機A的節(jié)點信息,此時主機B與主機A的節(jié)點信息建立了連接,告訴主機A上的跟蹤服務(wù)器要下載的文件信息,然后從種子節(jié)點開始下載,此時如果沒有其他的主機加入進來,這就是典型的C/S模式。當主機C加入進來時,主機C向A上的跟蹤服務(wù)器注冊,由于主機A此時還和主機B連著,這時主機A的跟蹤服務(wù)器會幫助主機B和主機C建立連接,主機C可以從主機A,B上獲取資源,同時也把自己已有的資源向主機B提供。這時主機B和主機C分別既當下載資源的客戶機,也當提供資源給別的主機下載的服務(wù)器。隨著主機D,E的加入進來,這樣就構(gòu)成的對等的局域網(wǎng)絡(luò)。假如主機A的file分成了4個文件塊,主機B,C,D,E分別只得到了文件塊file1,file2,file3,file4,此時主機A由于網(wǎng)絡(luò)故障退出了這個網(wǎng)絡(luò),要是在C/S模式下,這樣主機B,C,D,E都不能得到原來的文件file。但是在P2P模式下,他們分別可以為其他主機提供自己已有的資源,這樣即使沒有主機A,他們也能從其他主機上得到其余文件塊,最終復(fù)原想要下載的file文件。所以P2P還有很好的魯棒性。

        二、引入網(wǎng)絡(luò)編碼后的P2P方式

        在傳統(tǒng)的P2P模式下,每個節(jié)點都只是存儲轉(zhuǎn)發(fā),不會對文件進行任何操作,人們都認為在中間節(jié)點上對文件進行操作完全沒有必要,起不到任何有益作用,然而在2000年,R Ahlswede等人提出了網(wǎng)絡(luò)編碼這一個概念[1]。在網(wǎng)絡(luò)通信中,網(wǎng)絡(luò)中的中間節(jié)點會對要存儲轉(zhuǎn)發(fā)的信息進行一定的線性或者非線性的編碼操作[5],然后轉(zhuǎn)發(fā)給下一個節(jié)點,這樣會使網(wǎng)絡(luò)中的通信容量達到最大。

        如圖1(a)A為信源節(jié)點,E,F(xiàn)為信宿節(jié)點,假設(shè)每條鏈路的容量為1比特/單位時間。A分別向中間節(jié)點B,C發(fā)送兩個比特的信息a,b。在一個單位時間內(nèi),B接收到一個信息比特a,C接收到一個信息比特b。在下一個單位時間內(nèi),E,F(xiàn)分別可以得到a,b信息中一個,D點可以同時接收到a,b信息。如果不引入網(wǎng)絡(luò)編碼,而是傳統(tǒng)的存儲轉(zhuǎn)發(fā),由于每條鏈路容量為1比特/單位時間,G點要接收到信息a,b需要兩個單位時間。但是如果在D點引入網(wǎng)絡(luò)編碼,如圖1(b),信息a,b會通過網(wǎng)絡(luò)編碼,組合成一個信息a+b。這樣,只需一個單位時間就可以把D點的信息傳到G節(jié)點上。這點在現(xiàn)實生活中很重要。S.Y.R. Li進一步證明了在單信源多信宿情況下,應(yīng)用線性網(wǎng)絡(luò)編碼理論[6],一定能夠達到該上界[2]。G點得到信息a+b。在下一個單位時間,G點把信息分別傳到信宿節(jié)點E,F(xiàn)上。E,F(xiàn)通過解碼,在E上得到信息b,在F上得到信息a。這樣在信宿節(jié)點E,F(xiàn)就分別都獲取到a,b兩比特信息。

        數(shù)學模型,服務(wù)器有一個文件D,分成n份,每個數(shù)據(jù)包為M1,M2,M3,…,Mn,則原數(shù)據(jù)可以表示為D=(gi) (Mi)(其中g(shù)i為Mi數(shù)據(jù)片段隨機產(chǎn)生的編碼系數(shù)),在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臑閿?shù)據(jù)D和編碼系數(shù)gi。數(shù)據(jù)從發(fā)送端到接收端經(jīng)過的每個節(jié)點通過迭代進行編碼。假設(shè)一個節(jié)點收到的數(shù)據(jù)包為(g1,D1),(g2,D2),…,(gj,Dj),(gm,Dm),(gj,Dj)表示第j個數(shù)據(jù)包編碼系數(shù)向量和信息向量,這個節(jié)點的隨機產(chǎn)生的編碼系數(shù)為V1,V2,…, Vm得到的信息向量D=(Vi) (Di),從而得到新的數(shù)據(jù)包(g,Di), gi=Vjgij。每經(jīng)過一個節(jié)點進行一次編碼迭代,最后在接收端進行譯碼,通過接收到的系數(shù)向量恢復(fù)出原來的信息,接收端的數(shù)據(jù)包至少等于發(fā)送端的數(shù)據(jù)包。

        三、改進網(wǎng)絡(luò)編碼后的P2P方式

        在網(wǎng)絡(luò)中,并不是對每個節(jié)點都需要進行網(wǎng)絡(luò)編碼的。只需對入度大于等于2的節(jié)點需要進行網(wǎng)絡(luò)編碼。如圖2(a)是傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)編碼,在節(jié)點A,B,C的入度均為1,無需進行網(wǎng)絡(luò)編碼,節(jié)點D,E的入度為2,需要進行網(wǎng)絡(luò)編碼。但是進行網(wǎng)絡(luò)編碼和解碼時,也會消耗一定的時間。

        如圖2(b)是經(jīng)過改進后的網(wǎng)絡(luò)編碼,在D節(jié)點無需進行網(wǎng)絡(luò)編碼,這樣就節(jié)省了在D節(jié)點的編碼時間和在F節(jié)點的解碼時間。

        作者簡介:

        刊物郵寄地址:北京市豐臺區(qū)蓮花池東路106號匯融大廈建行開發(fā)中心 張雷 15590264889

        參 考 文 獻

        [1] R. Ahlswede, N. Cai, S.-Y. R. Li and R. W. Yeung, "Network information flow", IEEE Transactions on Information Theory,vol.IT-46,NO.4, pp. 1204-1216, July.2000.

        [2] S.Y.R. Li, R. W. Yueng, and N. Cai, "Linear network coding", IEEE-IT, vol.IT-49, no.2,pp.371-381, Feb.2003.

        [3] Han Liu,Xiaodong Tu,Jun Xie, "Network Coding For P2P Live Media Streaming". IFIP International Conference Network and Parallel ComPuting.2008.

        [4] 陶少國,黃佳慶,楊宗凱, “網(wǎng)絡(luò)編碼研究綜述”.通信技術(shù).2010.

        [5] 張璇,張博,慕建軍, “線性網(wǎng)絡(luò)編碼及其在P2P文件共享系統(tǒng)中的應(yīng)用”, 2008年西安電子科技大學研究生學術(shù)年會.

        [6] 周偉偉,線性網(wǎng)絡(luò)編碼研究.通信技術(shù).2008.

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