辛營營 劉曉娟 方春林 羅歡

摘 要：對于信息中心網(wǎng)絡(luò)（ICN）中原始數(shù)據(jù)恢復機制的網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率低下的問題，提出一種基于網(wǎng)絡(luò)編碼的實時數(shù)據(jù)重傳（NC-RDR）算法。首先，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的實時狀態(tài)對網(wǎng)絡(luò)中丟失的數(shù)據(jù)包進行統(tǒng)計;然后，將網(wǎng)絡(luò)編碼結(jié)合到信息中心網(wǎng)絡(luò)中，對統(tǒng)計的丟失的數(shù)據(jù)包進行組合編碼;最后，將編碼后的數(shù)據(jù)包重傳發(fā)送給接收端。對提出的方案進行分析，仿真結(jié)果表明，與基于網(wǎng)絡(luò)編碼的多播數(shù)據(jù)恢復（NC-MDR）算法相比，在傳輸帶寬（平均傳輸次數(shù)）方面，降低了約30%，因此，在信息中心網(wǎng)絡(luò)中，該算法能有效地減少網(wǎng)絡(luò)重傳次數(shù)，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸效率。

關(guān)鍵詞：信息中心網(wǎng)絡(luò);網(wǎng)絡(luò)編碼;多播傳輸;數(shù)據(jù)重傳;基于網(wǎng)絡(luò)編碼的實時數(shù)據(jù)重傳算法

中圖分類號： TP393.01

文獻標志碼：A

文章編號：1001-9081（2019）03-0829-05

Abstract： Aiming at the problem of low network bandwidth utilization rate of the original data recovery mechanism in Information Centric Networking （ICN）， a Network Coding based Real-time Data Retransmission （NC-RDR） algorithm was proposed. Firstly， the lost data packets in the network were counted according to the real-time status of the network. Then， network coding was combined into Information Centric NetworkingICN， and the statistical lost data packets were combinatorially coded. Finally， the encoded data packets were retransmitted to the receiver. The simulation results show that compared with NC-MDR （Network Coding based Multicast Data Recovery） algorithm， in the transmission bandwidth aspect， the average number of transmissions was reduced by about 30%. In ICN， the proposed algorithm can effectively reduce the number of data re-transmissions， improveing network transmission efficiency， and enhance network transmission performance.

Key words： Information Centric Networking （ICN）; network coding; multicast transmission; data retransmission; Network Coding based Real-time Data Retransmission algorithm （NC-RDR）

0 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)應用的不斷發(fā)展，人們越來越關(guān)注如何高效、快速地獲得網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容，這種變化使得一種新的以內(nèi)容為中心的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架——信息中心網(wǎng)絡(luò)（Information Centric Networking， ICN）[1]被催生。最近很多國家的研究項目都在關(guān)注以信息為中心的網(wǎng)絡(luò)來探討未來互聯(lián)網(wǎng)的研究，其中有歐洲的PSIRP（Publish-Subscribe Internet Routing Paradigm）[2]、4WARD[3]、PURSUIT（PUblish-SUbscribe Internet Technologies）[4]和SAIL（Scalable and Adaptive Internet solutions）[5]，以及美國的DONA（Data-Oriented Network Architecture）[6]、TRIAD（Translating Relaying Internet Architecture integrating active Directories）[7]、CCN（Content-Centric Networking）[8]和NDN（Named Data Networking）[9]。如今，信息中心網(wǎng)絡(luò)已引起廣泛關(guān)注，成為研究熱潮。

信息中心網(wǎng)絡(luò)越來越受到關(guān)注，并且一些人員已經(jīng)開始從事其多播方面的研究，但他們基本沒有研究到該網(wǎng)絡(luò)多播傳輸過程中數(shù)據(jù)重傳的問題。又因為網(wǎng)絡(luò)編碼[10]在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中對寬帶利用率的提升非常明顯，而且也有論文提到“ICN 天然支持多播”[11-12]，所以在其中引入網(wǎng)絡(luò)編碼非常合適。文獻[1]提出一種基于網(wǎng)絡(luò)編碼的多播數(shù)據(jù)恢復（Network Coding based Multicast Data Recovery， NC-MDR）算法，其將網(wǎng)絡(luò)編碼引入ICN中對傳輸數(shù)據(jù)包進行編碼，利用網(wǎng)絡(luò)編碼可以消除數(shù)據(jù)之間的差異性這一特點，來降低匯聚節(jié)點重傳次數(shù)，提高重傳效率;但是該算法假設(shè)了可靠控制分組交換機制這一條件，沒有考慮到網(wǎng)絡(luò)的實時狀態(tài)，因此針對該問題提出一種基于網(wǎng)絡(luò)編碼的實時數(shù)據(jù)重傳算法，即根據(jù)重傳過程中的實時網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)動態(tài)地形成編碼分組。對該方案進行了相應的理論性能分析，并進行仿真，表明該方案能很好地提高傳輸效率。

1 網(wǎng)絡(luò)編碼

1.1 網(wǎng)絡(luò)編碼起源

網(wǎng)絡(luò)編碼（Network Coding， NC）最早提出于2000年。多用于多播網(wǎng)絡(luò)，以提高網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率。

1.2 網(wǎng)絡(luò)編碼的基本原理

NC利用中間節(jié)點對收到的數(shù)據(jù)進行線性或非線性的處理，之后將被處理的信息轉(zhuǎn)發(fā)出去，以此減少傳輸次數(shù)[13]。

為了更直觀地理解，本文以圖1為例，通過和原始路由的性能進行比較，來對其基本原理進行描述。

在圖1（a）網(wǎng)絡(luò)中每條鏈路只能通過1bit的數(shù)據(jù)、并且沒有時延也沒有鏈路丟包。圖1（b）中和圖1（c）中均采用傳統(tǒng)路由傳輸，且鏈路WX不能同時通過數(shù)據(jù)c和d（數(shù)據(jù)c和d均為1bit）。圖1（b）中鏈路WX傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)c，所以節(jié)點Y只收到數(shù)據(jù)c，節(jié)點Z收到數(shù)據(jù)c和d。故圖1（b）中的平均網(wǎng)絡(luò)吞吐量為（2+1）bit/2=3/2bit/節(jié)點。同上，圖1（c）的平均網(wǎng)絡(luò)吞吐量也為3/2bit/節(jié)點。圖1（d）采用網(wǎng)絡(luò)編碼，節(jié)點W在收到上游節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)c和d時，對其進行編碼（c⊕d），后將編碼數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)給節(jié)點X。故節(jié)點Y和Z進行譯碼后均會收到兩種數(shù)據(jù)c和d，故圖1（d）的平均網(wǎng)絡(luò)吞吐量為2bit/節(jié)點。綜上所述，采用網(wǎng)絡(luò)編碼，整個網(wǎng)絡(luò)的吞吐量要明顯大于采用路由時的情況。

1.3 網(wǎng)絡(luò)編碼的分類

與傳統(tǒng)的路由傳輸方式相比，采用網(wǎng)絡(luò)編碼可有效地均衡網(wǎng)絡(luò)流量，提高帶寬利用率，提升網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。為了選擇合適的網(wǎng)絡(luò)編碼，將對下列三種編碼方式進行比較。

噴泉碼[14]具有很高的效率，對于那種對時延非常敏感的易錯網(wǎng)絡(luò)非常適用;但編碼包的隨機性較大，并且在譯碼時會有一定的幾率失敗，它采用的次優(yōu)譯碼算法[15]，該算法在降低解碼復雜度的同時減小了譯碼正確率。

系統(tǒng)碼[16]的特點為可以直接在原始數(shù)據(jù)后面添加檢驗數(shù)據(jù)，若成功接收則不需再對校驗數(shù)據(jù)進行解碼，若出現(xiàn)錯誤則通過可以校驗位進行數(shù)據(jù)恢復;其解碼操作需要耗費一定的時間。

線性網(wǎng)絡(luò)編碼[17]的提出具有很大的意義。它的原理是：消費者接收的編碼數(shù)據(jù)包是線性組合包，此組合的系數(shù)是一個編碼向量。若向量確定，即稱其確定性網(wǎng)絡(luò)編碼;否則（即從某個有限域隨機選取系數(shù)）稱其為隨機線性網(wǎng)絡(luò)編碼[18]。

對比分析可知，噴泉碼比隨機線性網(wǎng)絡(luò)編碼冗余數(shù)據(jù)量大，浪費帶寬多，而隨機線性網(wǎng)絡(luò)編碼比系統(tǒng)碼會以更小的概率發(fā)生反饋風暴，故選擇隨機線性網(wǎng)絡(luò)編碼與信息中心網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合。

2 數(shù)據(jù)重傳的基本原理

ICN是一類以信息內(nèi)容本身為中心的未來互聯(lián)網(wǎng)體系機構(gòu)的統(tǒng)稱。其中CCN為目前較為主流的研究對象，故本文以CCN為例闡述網(wǎng)絡(luò)中的多播數(shù)據(jù)重傳機制。

內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)（CCN）的通信由內(nèi)容消費者驅(qū)動，數(shù)據(jù)可以進行塊級傳輸。網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)陌愋陀袃煞N：興趣包（Interest）和數(shù)據(jù)包（Data）。其中，Interest包包含了內(nèi)容消費者所請求內(nèi)容的名字，Data包包含了消費者所請求的內(nèi)容。圖2為CCN的節(jié)點模型[8]示意圖。

如圖2所示，CCN的節(jié)點包含內(nèi)容倉庫（Content Store， CS）、轉(zhuǎn)發(fā)請求表（Pending Interest Table， PIT）和轉(zhuǎn)發(fā)信息表（Forwarding Information Base， FIB）。其中：CS用于緩存數(shù)據(jù);PIT包含當前節(jié)點已經(jīng)發(fā)送出去但尚未收到反饋的Interest包，并記錄內(nèi)容的名字和發(fā)送的接口，以及時間等信息;而FIB用來記錄不同前綴的轉(zhuǎn)發(fā)接口。CCN的數(shù)據(jù)請求轉(zhuǎn)發(fā)機制如圖3所示。

如圖3所示，當一個興趣包到達，路由器根據(jù)興趣包中的內(nèi)容名字，查找內(nèi)容倉庫，若命中則響應該請求，并丟棄此興趣包;否則查找轉(zhuǎn)發(fā)請求表，若命中則在條目中增加接口，并丟棄該興趣包;否則查找轉(zhuǎn)發(fā)信息表，若命中，則按照查找到的所有接口轉(zhuǎn)發(fā)興趣包，并記錄在轉(zhuǎn)發(fā)請求表中，否則丟棄該興趣包。

如圖4所示，當數(shù)據(jù)包到達，路由器根據(jù)數(shù)據(jù)包的名字，在內(nèi)容倉庫中查找，若命中，則丟棄它;否則查找轉(zhuǎn)發(fā)請求表，若命中，則根據(jù)查找的接口轉(zhuǎn)發(fā)出去，然后緩存在內(nèi)容倉庫中;否則丟棄該數(shù)據(jù)包。

CCN天然支持多播，當內(nèi)容響應所有請求時，由于鏈路丟包的存在，此多播響應過程容易發(fā)生數(shù)據(jù)丟失，進行多播的匯聚節(jié)點需要對丟失的數(shù)據(jù)重傳恢復。CCN中原始的數(shù)據(jù)恢復機制使得每次丟失數(shù)據(jù)的請求端受益較少，在一定程度上降低了CCN的傳輸性能。文獻[1]中作者提出一種NC-MDR算法來解決這個問題，此作者假設(shè)了一個可靠控制分組機制（使重傳數(shù)據(jù)全部被消費者接收成功），但是網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)實時變化，此假設(shè)不太符合實際網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。對此，本文提出一種針對網(wǎng)絡(luò)實時變化的鏈路狀態(tài)的數(shù)據(jù)恢復算法，即基于網(wǎng)絡(luò)編碼的實時數(shù)據(jù)重傳算法（NC-RDR）。

3 數(shù)據(jù)重傳的算法設(shè)計

3.1 CCN模型建立

為了節(jié)約請求的數(shù)量，節(jié)點處會有一個PIT表記錄請求相同數(shù)據(jù)的興趣包，相同的請求在轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點處進行匯聚而只轉(zhuǎn)發(fā)一個請求出去，當數(shù)據(jù)返回時，該匯聚節(jié)點將返回的數(shù)據(jù)發(fā)送給所有請求該數(shù)據(jù)的節(jié)點，這樣就形成一個多播場景。但由于鏈路不穩(wěn)定，請求數(shù)據(jù)可能會在傳輸中丟失，且各個請求端丟失的數(shù)據(jù)可能不盡相同，故為了恢復丟失的數(shù)據(jù)，匯聚節(jié)點需根據(jù)每個請求端反饋的丟失信息制定重傳策略來進行數(shù)據(jù)的重傳。上述CCN的多播傳輸如圖5所示。

在本文的多播傳輸網(wǎng)絡(luò)模型中有一個生產(chǎn)者、一個匯聚節(jié)點和M個消費者（R1，R2，…，RM）。M個消費者同時請求同一內(nèi)容，匯聚節(jié)點匯聚收到的來自M個消費者的興趣包后，向上游節(jié)點只轉(zhuǎn)發(fā)一個興趣包。當被請求內(nèi)容沿請求徑返回時，匯聚節(jié)點會將此內(nèi)容多播發(fā)送給M個消費者。

為了更清楚地描述提出的方案，本文作出以下定義。

定義1 緩沖矩陣T。它是根據(jù)來自消費者的反饋信息形成的，表示多播過程中每個消費者接收每個數(shù)據(jù)包的狀態(tài)。在此矩陣中，第i行表示第i個消費者（1≤i≤M）接收每個數(shù)據(jù)包的情況，第j列表示第j個數(shù)據(jù)包（1≤j≤N）在每個消費者處的接收情況。當消費者每成功接收到一個數(shù)據(jù)包時，緩沖矩陣T中相應的位置將被標記為1;否則標記為0。

定義2 傳輸帶寬η。它定義為將一個內(nèi)容塊成功傳送到所有消費者處的平均傳輸次數(shù)。

定義3 原始數(shù)據(jù)傳輸階段。使用N個時隙發(fā)送N個原始數(shù)據(jù)包（將一個內(nèi)容塊劃分為N個數(shù)據(jù)包進行傳輸）。

定義4 編碼數(shù)據(jù)傳輸階段。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)發(fā)送編碼數(shù)據(jù)包，直到所有消費者成功解碼出原始數(shù)據(jù)為止。

3.2 NC-RDR算法

在所提出的方案中，匯聚節(jié)點首先執(zhí)行原始數(shù)據(jù)傳輸階段，即在N個時隙中同時給M個消費者發(fā)送N個原始數(shù)據(jù)包。在此階段結(jié)束時所有消費者都已向匯聚節(jié)點反饋信息以顯示網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。匯聚節(jié)點在信息反饋的同時根據(jù)反饋回來的信息制作一個列表，以形成一個緩沖矩陣T。矩陣T記錄信息以顯示各個數(shù)據(jù)包是否被某個消費者丟失。在完成原始數(shù)據(jù)傳輸階段后，根據(jù)緩沖矩陣T，將丟失的原始數(shù)據(jù)包動態(tài)組合在一起形成新的編碼包。故，如何組合這些丟失的原始數(shù)據(jù)包是關(guān)鍵。以下給出詳細的組合方案：

1）首先，匯聚節(jié)點尋找對應于緩沖矩陣T中的每一行中首0元素的原始數(shù)據(jù)包，將這些數(shù)據(jù)包通過隨機線性編碼方法組合成一個新的編碼包，并立刻將緩沖矩陣T中的這些“0”更改為“1”。

2）匯聚節(jié)點發(fā)送在步驟1）中形成的新編碼包。如果一些消費者又丟失了編碼包，它們會將信息再次反饋給匯聚節(jié)點，將矩陣T中與之對應每一行的元素再次更改為“0”。

3）根據(jù)更新后的矩陣T，匯聚節(jié)點將檢查T中是否還有“0”元素。若還存在“0”元素，匯聚節(jié)點將重復上述步驟，直到矩陣T中沒有“0”元素為止。

為了便于理解提出的方案，本節(jié)以一個例子為例進行詳細的解釋。本實例中包含6個請求端（R1，R2，R3，R4，R5，R6），每個內(nèi)容塊再細分為10個數(shù)據(jù)包（a1，a2，a3，a4，a5，a6，a7，a8，a9，a10）。如圖6所示，圖中顯示是一個具有6行（M=6消費者）和10列（N=10數(shù)據(jù)包）的緩沖矩陣T。如果消費者成功接收到一個原始數(shù)據(jù)包，則T中相應的元素標記為“1”;否則，丟失的數(shù)據(jù)包相應元素標記為“0”。

圖6顯示了各個消費者各自的丟失數(shù)據(jù)包的情況以及在編碼數(shù)據(jù)傳輸階段中哪些原始數(shù)據(jù)包應該參與線性組合的情況。在矩陣中，有4種不同的底紋圖案（深灰色、灰色、淺灰色（包括一個橫紋底紋單元格）和一個豎紋底紋單元格）。每種底紋圖案都包含“0”元素，紅色深灰色底紋包含第一組被編碼的“0”元素，即每一行的首個“0”元素。與“0”元素對應的原始數(shù)據(jù)包（同一個顏色的）將被組合在一起，形成一個新的編碼包。在此之后，匯聚節(jié)點將按照形成的順序發(fā)送這些編碼包。

值得注意的是，圖6中有一個有著橫紋底紋的“0”元素是第3個編碼分組和第4個編碼分組的重疊，它意味著第3個藍色淺灰色分組被消費者R3丟失，因此，有橫紋底紋的元素將被再次更改為“0”，而a10將被記錄在紫色有豎紋的編碼分組里，以生成第4個編碼包?？傊?，有4個編碼的數(shù)據(jù)包將按以下順序發(fā)送：

其中βij是從有限域隨機抽取的網(wǎng)絡(luò)編碼系數(shù)，與傳統(tǒng)的將所有原始數(shù)據(jù)包組合在一起的隨機網(wǎng)絡(luò)編碼方法不同，本文提出的方案是根據(jù)實時網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)動態(tài)地組合原始數(shù)據(jù)包。它也不同于XOR方案，這種XOR方案中，如果一個XOR包丟失，生產(chǎn)者必須重新發(fā)送同一包，直到所有消費者都能正確地接收它。本文提出的方案是將丟失的原始數(shù)據(jù)包與每一次傳輸?shù)碾S機系數(shù)結(jié)合起來，因此，根據(jù)線性代數(shù)理論，消費者只需要獲得足夠的編碼包來解碼，就可以獲得比XOR更高的效率。

下面是基于網(wǎng)絡(luò)編碼的實時數(shù)據(jù)重傳算法（NC-RDR）的偽代碼流程：

4 算法的性能分析

4.1 算法的理論分析

4.2 仿真結(jié)果與性能分析

本節(jié)將對NC-RDR算法進行性能分析，在ndnSIM上對算法進行仿真。在仿真過程中，PIT的使用是永久性的，且在仿真中，將我們的本文方案與文獻[1]中的方案進行對比，用“方案1”表示文獻[1]中提出的方案。在仿真實驗中，進行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包的數(shù)量設(shè)置為N= 1000，并設(shè)置以下3個場景進行仿真：

場景1 假設(shè)在仿真模型中消費者的數(shù)量M= 8并且每個消費者的丟包率pi（i=1，2，…，8）的值的范圍設(shè)置為0.02～0.24。仿真對比分析丟包率對傳輸帶寬的影響。

圖7所示傳輸帶寬η的理論推導和仿真，從圖中可以看出，在傳輸帶寬方面，本文方案明顯低于方案1，同時可以看出，本文方案的仿真曲線和理論推導曲線保持了很好的一致性。除此之外，還可以得出：所有方案的傳輸帶寬均隨著丟包率的增大而增大。然而，隨著丟包率的增大，本文方案與方案1相比差距也越來越大，說明對于更高的丟包率來說，本文方案傳輸性能更好。

場景2 研究消費者的數(shù)量對于傳輸帶寬的影響，假設(shè)在仿真模型中所有消費者的丟包率均為0.12，而消費者的數(shù)目為2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12。圖8所示為傳輸帶寬的理論推導和仿真曲線。

從圖8中可以看出：隨著消費者數(shù)量的增加，傳輸帶寬也在增大，但本文方案的傳輸帶寬始終比方案1的低。最重要的是，當消費者數(shù)目較大時，本文方案與方案1之間的差距更大，說明在消費者數(shù)量較大時，本文提出的方案傳輸性能更好。還可以發(fā)現(xiàn)，本文方案的仿真結(jié)果和理論結(jié)果吻合度很高。

場景3 研究在最大丟包率pi=0.24和最小丟包率pi=0.12下兩種方案在不同消費者數(shù)量下的傳輸帶寬，假設(shè)在仿真模型中每個消費者的丟包率相同。實驗結(jié)果仿真如圖9所示。

從圖9中可以看出：無論信道質(zhì)量是好是壞，本文提出的方案總是比方案1更好一些，并且在最大丟包率或最多消費者的情況下，本文提出的方案比方案1具有更高的傳輸效率。證明本文提出的方案更適用于信道質(zhì)量較差的傳輸。

5 結(jié)語

針對信息中心網(wǎng)絡(luò)中原始多播數(shù)據(jù)恢復效率低下的問題，本文提出一種NC-RDR算法，來降低網(wǎng)絡(luò)的傳輸帶寬，以此來提高網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率。該算法根據(jù)實時的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，通過隨機線性編碼對丟失的數(shù)據(jù)包進行動態(tài)組合，并進行了理論推導和實驗仿真，證明了該算法在降低重傳次數(shù)和提升傳輸性能上有效性，并且與方案1的重傳方案相比具有明顯的優(yōu)越性。

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