新型网络系统中编码技术的应用

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自从上世纪九十年代提出了因特网的概念,网络正在人类社会生活的各个方面得到越来越多的应用。网络技术也经受着翻天覆地的变化。近年来,对等网络和无线网络已经成为新的研究热点。根据它们的不同特性,对等网络和无线网络正在为多种应用提供着实现平台。但是,同时它们也存在着相应高效性问题。   1)对等网络中数据存储和修复的高效性:对等网络改变了传统的客户端/服务器模式,每个节点既可以提供服务也可以请求服务。因此,对等网络解决了单点失败问题和相关的系统性能瓶颈。利用对等网络,用户可以共享更多的资源,同时又保持较好的系统可扩展性。所以,数据共享和存储已经成为对等网络中最重要的应用之一。可是,由于对等网络的高度不稳定性,系统中的数据会因为节点的离开而丢失,进而影响数据服务的可用性和持久性。   2)无线网络中数据传输中能量消耗和链路可靠的高效性:无线网络为人类提供了一种全新的应用场景。人们可以摆脱网线和固定电源的束缚,以更加方便、自由的方式享受网络服务。当然,网络中最重要的行为就是数据传输。然而,无线网络却具有能量受限这一特点。因此,如何以最节省能量的方式完成数据传输任务成为了无线网络应用的研究重点。此外,无线网络中链路的可靠性和传输时延也是热点研究方向。   自从上世纪九十年代末开始,一种新型的信息编码技术开始进入人们的视野。由于计算复杂度低、执行简单并且理论基础扎实,它正受到越来越多的关注和研究。本文即分别利用该类编码技术中的擦除编码技术(Erasure coding)和网络编码技术(Network coding)来分别解决对等网络和无线网络中现存的部分问题。本文主要工作如下:   1)针对对等网络中数据存储和修复的高效性:我们将擦除编码技术应用到结构化对等网络的数据共享和存储应用中。基于擦除编码技术,我们提出了一种混合型冗余机制并对当前常见的三种冗余机制的数据可用性和持久性进行了分析。根据理论分析和实验数据结构,我们可知在大多数情况下,混合型冗余机制比其他两种冗余机制能够获得更高的数据可用性和持久性(或者,在同等数据可用性和持久性条件下,混合型冗余机制会消耗较少的存储容量和带宽资源)。   2)针对无线网络中数据传输中能量消耗的高效性:我们分析了增加编码数目而等待额外的可执行网络编码的数据导致的延迟对无线网络吞吐量造成的影响,提出了一种能量高效的自适应计时控制机制(Adaptive Energy-Efficiet Timing Control,简写为AEETC)。此机制通过基于网络流量的情况自动调节自身行为来增加网络编码数量,从而减少能量的消耗。实验结果表明在网络负载较轻的条件下AEETC可以显著增加网络编码的数量,同时在端到端延迟、系统吞吐量和成功编码数量等指针上有很好的性能。   3)针对无线网络中数据传输链路可靠性和时延高效性:当前有不少研究采用多路径路由机制来增强无线网络中的链路可靠性和减少进数据包的传输时延。但是在这些研究中网络的吞吐量被限制在一个次优化的状态。本文提出了一种新型的基于网络编码的多路径路由机制:CAMP(Coding-Aware Multi-Path routing)。该机制根据路径的可靠性和编码机会动态地在多条路径上进行数据包的传输。CAMP中的路由发现机制能够向源节点返回多条可能的路径以及各条路径上所有链接的ETX(ExpectedTransmission Count),并可以通过转换它的传输路径来动态创造编码机会。通过这种路由机制,可以网络负载得到分摊并且可以最大化路径交换收益从而改进网络的吞吐量。实验结果证明在无线网络的数据传输中,CAMP能够取得比其它路由机制高得多的网络吞吐量。   最后对本文工作进行了总结,并探讨了编码技术在信息网络应用的进一步工作。
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