基于逻辑移位和异或运算的多维全光网络编码方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种在基于网络编码全光组播环境下，能够在全光条件下基于全光异 或门和全光移位寄存器实现的多维网络编码方法，尤其涉及一种能够满足逻辑移位和逻辑 异或运算的网络编码向量设计方法，以及在该编码向量基础上根据组播树分离路径数目自 适应调整网络编码向量维度的方法，满足不同分离路径数目的组播树对基于网络编码数据 传输的需求，本
【发明内容】
属于光交换网络技术领域。
【背景技术】
[0002] 随着宽带多媒体网络和终端技术的不断发展，新型点对多点的组播通信业务，如 IPTV(网络电视）、视频会议、数据和资料分发、网络音频应用、网络视频应用、多媒体远程 教育等在整个数据业务中所占的比重在不断增加。这类组播业务具有宽带、实时以及互动 等主要特征。在新技术不断发展，新业务不断涌现的条件下，人们对高品质组播质量的追 求也在不断提高，导致对网络带宽的需求越来越高。另一方面，数据中心已经成为云服务 的主要提供者，而数据中心内部网络中存在非常广泛的组播通信模式，例如分布式集群系 统的高效数据复制、分发与状态同步，云环境下虚拟机镜像安装，文件备份与分发等等。在 数据中心内部的组播业务，可以减少数据中心内部的数据发送量，降低网络流量，提高网络 资源使用效率，提高数据中心服务能力。
[0003] 传统IP组播由于其自身带宽不足以及数据处理速度低等原因将难于满足组播业 务可靠性传输要求。光网络正以其高速率、大容量的数据传输能力，智能和灵活的网络管理 能力，良好的健壮性和生存性成为未来网络发展的必然趋势。另一方面，网络编码具有提高 网络吞吐量、均衡网络负载、增加网络带宽的利用率、减少网络资源损耗、提高网络安全性、 减少能量消耗等优点，网络编码技术能够提高数据传输过程中的稳定性、可靠性和安全性， 在组播场景中具有广泛的应用。因此，融合光网络和网络编码实现基于网络编码的组播机 制是解决传统IP组播不足的有效手段。
[0004] 目前由于光域中缺乏全光随机存储设备，难以实现基于线性运算的全光网络编码 运算。但是，由于有全光逻辑运算器件的支持，光域中可以实现快速、高效的全光逻辑移位 和异或运算。因此，在光网络中利用全光逻辑异或和移位运算从而避免使用光-电-光转 换实现光层网络编码已成为目前唯一切实可行的高效解决方案。
[0005] 通常逻辑异或和移位运算适合进行二元运算，而难以支持多元运算，使得基于逻 辑运算的全光网络编码机制通常仅仅支持组播树中具有两条分离路径的两路（二维）网络 编码操作。本发明将针对这一问题，设计全新的网络编码向量集合，拓展光层网络编码的维 度。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于针对基于逻辑异或和移位运算的光层网络编码机制仅仅支持 两路网络编码操作的问题，设计并实现满足光层逻辑异或和移位运算并且支持多路网络编 码操作的网络编码向量集合，并且在该编码向量集合的基础上设计网络编码向量维度的自 适应调整方法。
[0007] 为实现上述的发明目的，本发明采用下述的技术方案： 一种支持基于逻辑异或和移位运算多路网络编码的多维网络编码向量，其特征在于： 所述的光层网络编码向量能够支持实现光域中基于逻辑异或和逻辑移 位运算的多路（大于等于2路）全光网络编码机制。设该编码向量集合为 其取值如公式（1)所示：
上式中i=l-k (k为自然数），其中i每取一个值，将对应一个多维编码向量集合；当i 为某一确定值时，可由该值确定η个编码向量，当i值改变以后又可以确定另外η个不同的 编码向量；每个编码向量集合中的编码向量的数量由η确定，其中η为组播树中分离路径的 数量（需要编码的路径数量，本发明中称为编码维度），因此编码向量集合为η行η列矩阵， 矩阵每一个行向量的转置作为一个编码向量；该编码向量的设计方法能够保证编码向量空 间有足够的编码向量可用，并且2 1便于通过逻辑移位操作实现；此外，在上述编码向量集合 的基础上，还定义一个基础编码向量
[0008] 为了保证通过逻辑异或和移位运算实现多路网络编码运算并正确解码，当基于网 络编码的多分离路径组播树（η维）中确定有m(m〈=n+l)个编码节点时，为了保证编解码 的正确性通常需要为这m个编码节点分别分配不同的编码向量，编码向量选取规则如下所 述： (a) 当m=n+l时，编码向量的选取方式是：首先选择基础编码向量然后令i=l并 从矩阵中任选m-Ι个编码向量（任选m-Ι行）与基础编码向量一起组成m个η维编码 向量； (b) 当m>n+l时，编码向量选取方式是：首先选择基础编码向量然后令i=l，并从 矩阵中选择全部η个编码向量（矩阵中所有η行）；接着再令i=2,从中选择剩余 的m-n-1个编码向量；如若编码向量数目仍然小于编码节点数量m，则再令i=3,从^4?中选 择其余编码向量，以此类推直至编码向量数目（包括基础编码向量）等于编码节点数量m 为止。
[0009] 上述编码向量设计和选取方法能够保证在任何情况下任意一个编码节点收到的η 路编码数据表达式中任意2个表达式中至多有2个变量的系数是不同的，并且这两个变量 的系数之商为2%其中X为整数。这样能够保证通过移位和异或运算求得这两个变量，然后 将变量代入该节点其余表达式中可求得其它变量，从而实现解码操作。
[0010] 一种可以动态调整网络编码向量维度以满足具有不同分离路径数量组播网络对 网络编码向量不同维度需求的编码向量维度动态调整方法，其特征在于：网络编码向量分 配过程中综合考虑组播网络吞吐量、组播数据传输可靠性和组播可扩展性等方面，根据组 播场景中组播节点动态加入、退出组播分组后导致的组播树结构动态变化的问题，按照变 化后的组播树中分离路径的数量自适应调整编码向量维度而不改变编解码运算方式。具体 方法为： (a) 首先根据给定的组播树确定编码向量维度d =min (PpP2,…，pnt)，其中nt为组播 树中目的节点的数目，P1为源节点到第i个目的节点之间的分离路径数目；由于基于网络 编码组播网络所能达到的最大吞吐量受最小独立路径数量的限制，因此这样确定编码向量 维度d能够保证组播数据的传输达到组播网络的吞吐量上限； (b) 按照公式（1)的编码向量规则产生维度为d的编码向量集合，根据基于网络编码 组播树中确定的编码节点数量m从编码向量集合中选择m-Ι个编码向量，然后将基础编码 向量和选取的m-Ι个编码向量分配给组播树中m个编码节点，实现基于网络编码的数据传 输机制； (c) 当组播树中有节点动态加入或退出组播分组时，将会导致组播树结构发生改变， 从而导致编码向量维度发生改变；当网络编码向量维度增大k维的时候，将原始编码向量 矩阵改为d+k维方阵；当网络编码向量维度减少k维的时候，将原始编码向量矩阵动态调整 成d-k维方阵（方阵中的每个元素按照公式（1)生成规则产生）；上述操作可通过增、减编 码向量中元素" 1"的数量实现，具体可描述为： 编码向量维度增加规则：将d阶方阵扩展为d+k阶方阵，并且保证主对角线元素为21 且方阵中其它所有元素均为" 1"。具体操作过程可描述为：矩阵左侧增加 k列元素" 1"，同 时矩阵上侧增加 k行元素" 1"，然后将第一行第一列的元素（本文涉及到的行列号排序为 自上而下，自左而右，下同）设为21，第二行第二列的元素设为2 1，直至将第k行第k列元素 设为21，其余空位补" 1"，得到d+k阶方阵；或者在矩阵右侧和下侧增加 k列元素" 1"，然后 将矩阵第d+k行和第d+k列的元素设为21，将d+k-Ι行和第d+k-Ι列的元素设为2 1，直至第 d+Ι行和第d+Ι列的元素设为21，并将其余空位补"1"得到d+k阶方阵；至此编码向量维度 增加操作完成；编码向量维度缩减规则：矩阵自左向右删除k列元素，同时矩阵自上向下删 除k行元素；或者，矩阵自右向左删除k列元素，同时矩阵自下向上删除k行元素；至此编码 向量维度缩减操作完成。
【附图说明】
[0011] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步的说明： 图1为网络编码场景不意图； 图2为编码向量维度增加后的编码场景示意图； 图3为编码向量维度缩减后的编码场景示意图。
【具体实施方式】
[0012] 图1给出了一个简化的4路网络编码场景示意图。图1中