一种两跳无线网络拓扑结构中的网络编码侦听管理方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线网络中网络编码侦听管理技术，特别是在两跳无线网络拓扑结构 中的网络编码侦听管理方法。
【背景技术】
[0002] 网络编码是由香港中文大学李硕彦、杨伟豪等教授于2000年左右提出的，该方法 被证明能提高网络吞吐量、减少网络拥塞、平衡网络负载和减少网络时延，受到学术界和工 业界的广泛认同。随后，许多研究者在他们的基础上对网络编码进行了不同层面和不同方 向的深入研究。从数据流的角度来分，网络编码分为流内网络编码和流间网络编码；从节点 输入输出关系来分，主要分为线性网络编码和非线性网络编码；从网络拓扑结构是否确定 来分，它由确定性网络编码和随机网络编码组成；从它的应用研究来分，主要有分布式存储 系统中的研究以及安全性研究等等。
[0003] 在无线网络中，由于链路质量差，容易丢包，从而影响了网络吞吐量、安全性和系 统时延。无线侦听是基于无线网络链路的广播特性而产生的，目的节点只要处于数据发送 节点的广播范围之内就能获得该节点发送的数据包，结合网络编码理论在网络吞吐量、安 全性和时延方面的优点，有学者提出了基于无线信道侦听的网络编码策略，并在实验环境 中证明了该理论能进一步提升网络编码在无线网络中的网络性能，如降低时延，提高网络 吞吐量和增强安全性。因此，网络编码侦听管理策略研究成为网络编码在无线网络研究中 的热点，越来越多的研究者着力于如何提高无线网络编码侦听策略的网络性能和安全性。
[0004] 其中，Katti等人提出的基于流间网络编码的COPE协议最具代表性，它是采用轻 量级的异或操作实现两跳范围内的网络编码操作，并通过机会侦听，提高了网络吞吐量。在 COPE的基础上，Chachulski等人提出了MORE协议，利用网络编码解决机会路由中的中间节 点数据发送协助问题，通过向多个协助节点发送数据包，将网络编码从简单的两跳扩展到 多跳，从而提高了网络吞吐量。Le等人和Omiwade等人详细讨论了多跳网络编码，允许中间 节点转发编码数据包。文献提出了基于数据包级别网络层之上的编码操作协议，但依然存 在一些使得这些协议到实际应用的复杂性问题，因此，对无线网络编码的实际部署应用带 来了很大的困难。Li等人提出了一种节点位置随机的无线网络编码方法，该方法揭示了随 机网络环境下只有少数几个节点获得大量编码机会。而P.Mannersalo等人从编码性能的 角度，提出了一种减少中间编码节点数量以提升网络性能的方法。Georgios等人从无线信 道侦听角度，提出了单跳模型下的网络编码侦听方法，目的节点通过向编码节点发送已侦 听数据包报告和采用NACK机制，实现网络吞吐量增益。Wang等人提出了尽力服务和基于历 史信息的网络编码侦听策略，在侦听缓存容量小于流虚拟队列时，尽力服务策略采用保证 已侦听数据包用于解码操作的前提下，实现数据包的无线侦听管理；而基于历史信息的策 略则是根据侦听缓存中不同流对目的节点的解码贡献率大小实现无线网络数据包侦听管 理。
[0005] 无线网络侦听是基于无线网络广播特性而实现的，在"X"型网络拓扑结构中，如图 1所示。在该网络拓扑结构下，存在两条数据流流A和流B，对应为SA-DJPSB-DB，SjP SB表示两个源节点，DJPDB表示两个目的节点。P表示源节点SA经过中继节点R发送至目 的节点DA的数据包，Q表示源节点SB经过中继节点R发送至目的节点DB的数据包。左右两 个带点的箭头表示目的节点DB、DA能分别侦听到源节点SA、SB&送至中继节点R的数据包。
[0006] 现有的网络编码侦听策略要么是采用不同流数据包的两两异或编码，要么是笼统 地将流间所有数据包进行组合编码；同时缺少对编码方案的安全性分析和论证，尤其当网 络拓扑结构发生变化后，现有的网络编码侦听策略并不具备很好的适应性。
[0007] 对于两两异或编码方式，由于编码节点每次只是对两个不同流的数据包进行编 码，因此，每次编码解码的数据量很小，需要多次进行编解码操作。特别当侦听缓存出现空 闲时，目的节点需要多次向对应的源节点请求数据包，造成链路利用率下降和网络时延的 增加；采用流间所有数据包组合编码方式很容易造成目的节点的解码困难，目的节点往往 需要等待编码节点传输足够的数据包后才能得到解码，造成目的节点解码率下降并使得网 络时延增加；对于编码性能的分析，现有的方法并不具备很好的安全性，这主要是由其编码 方式过于简单造成的，而且缺少系统的安全性论证和分析。更加受制约的是，现有方法都是 针对特定的网络拓扑结构进行研究，当网络拓扑结构动态变化的时候，现有的方法并不能 很好地适应，一定程度上局限了其研究方法的适用范围。
【发明内容】
[0008] 本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种两跳无线网络拓扑 结构中的网络编码侦听管理方法。
[0009] 为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种两跳无线网络拓扑结构 中的网络编码侦听管理方法，包括以下步骤：
[0010] 1)初始化：目的节点清理侦听缓存并启动侦听进程，源节点启动发送数据包进 程，中间节点开启接收数据包进程；
[0011] 2)编码节点接收不同信息流传输的数据包，根据数据包所属的数据流缓存到不同 的流虚拟队列中；同时编码节点向目的节点请求侦听缓存中对应的数据包ID报告，以便于 下一阶段的数据包分组和编码；
[0012] 3)编码节点根据收到的侦听缓存中的数据包ID，结合虚拟队列中存在的不同流 的数据包，选取数据包数量最少的流对应的数据包集合作为基础数据包集，并将基础数据 包集和不同流的数据包进行组群异或编码，得到不同流的数据包和基础数据包集进行组群 异或编码后的数据包，即编码数据包；
[0013] 4)目的节点接收编码节点发送的编码数据包，获取编码数据包中所包含的原始数 据包信息，从侦听缓存中选取存在于编码数据包内的原始数据包，对编码数据包进行组群 解码，获得对应源节点发送的原始数据包；
[0014] 5)侦听缓存空闲后，处于源节点广播范围内的目的节点根据侦听缓存中的丢弃数 据包记录，向对应的源节点发送获取原始数据包请求，并将侦听到的原始数据包添加到侦 听缓存内，当目的节点侦听缓存内的原始数据包用于组群解码后，目的节点清空用于解码 的原始数据包，并将新侦听到的原始数据包添加到侦听缓存中。
[0015] 对不同流的数据包进行组群异或编码的方法包括以下步骤：
[0016] 1)中继节点接收来自不同流i的数据包，并统计来自不同流的数据包的数量，比 较不同流之间数据包数量的大小，得出最小流数据包数量Min，再用其它流数据包数量与 Min分别进行除运算和取模运算，得出其它流数据包数量对Min的倍数Cn和余数Ren，倍数 Cn决定流n对流i的组群编码次数，而余数Ren决定流n对流i最后一次参与编码的数据 包的数目；i= 1，2;n= 1，2;i乒n;
[0017] 2)中继节点在流n中选取Min个数据包，将Min个数据包与流i中的对应序列的 数据包进行组对群异或操作，得到新的数据包Pn，Min，将数据包Pn，Min与流n和流i两条流中 对应的队首数据包进行异或编码，得到Pn，Mini，再将Pn，Mini与流n和流i中队首下一位置的 数据包进行异或编码，得到Pn，Min2，依此递推，最后得到匕1;
[0018] 3)中继节点选择来自流i中前Re/h数据包和流n中剩余的数据包进行组群异或 编码，采用和步骤2)中同样的方法递推，得到对应的数据包^.，f，./e
[0019] 4)中继节点将步骤2)和步骤3)中经异或编码形成的数据包多播给目的节点。
[0020] 对编码数据包进行组群解码的方法包括以下步骤：
[0021] 1)目的节点接收从中继节点多播的编码数据包并判断该编码数据包的是由哪些 原始数据包经组群编码而成；
[0022] 2)