基于网络编码的多信源组播通信系统，包括源代码，原理 等(二)

　　2 多信源组播系统结构及整体设计方案

　　2.1项目研究需求、目标和内容

　　网络编码能够提高网络吞吐量，提升鲁棒性、安全性等网络性能。具有网络编码功能的路由器是未来网络发展的趋势。组播通信在网络通信中有重要的作用，事实上，任何一个网络都可以认为是组播网的一个特例。然而，目前在世界上研究网络编码在组播上的应用大多集中在单信源组播方面，例如，单信源多信宿网络如何达到最大传输速率问题[25]，基于网络编码的组播路由算法和性能评估[26], 基于网络编码的组播通信网络的拓扑设计[27], 多信源随机线性网络编码在组播通信的研究[28]以及单信源组播网中编码节点的研究[29]，以上研究都是以软件仿真为主，没有形成实际的硬件平台和系统。

　　多信源组播的应用非常广泛，如P2P内容分发网络等。事实上，任何一个网络都可以作为多信源组播的一个特例，因此研究多信源组播是有意义且必要的。

　　本项目的主要研究目标是基于网络编码的多信源组播系统的实现。在基于国内外网络编码理论在组播通信中的最新研究成果和技术，对网络编码理论进行深入学习和探讨，提出一种基于网络编码的多信源组播系统和网络，然后依据此系统设计出可实现组播的通信协议和相关算法，再利用开放式的网络设计硬件平台NetFPGA[30]，使提出的协议和算法在硬件上实现，最后在实际的环境中用若干电脑和NetFPGA组成一个小型组播通信网络进行系统测试和性能评估。

　　2.2 NetFPGA——新一代开放式网络研究平台简介

　　由斯坦福大学开发的NetFPGA是一个基于Linux操作系统的可重用开放性硬件平台，允许用户在实验室内搭建高性能的网络模型进行仿真和研究。它具有以下特点[31]：

　　(1)很好地支持模块化设计，它可以使研究人员在硬件上搭建Gb/s高性能网络系统模型。(2)NetFPGA是一个基于Linux系统的开放性平台，可以利用平台上现有的资源，在前人开发的基础上添加自己的模块和修改现有的系统，而不需要重复地搭建外围模块、开发驱动和GUI等，大大减轻了网络研究的任务。

　　NetFPGA的硬件主要包含了4个1Gb/s的以太网接口(GigE)，一个用户可编程的FPGA，以及两片SRAM和一片DRAM。NetFPGA开发板通过标准的PCI总线接口连接到PC机或服务器，模块框图如图2.2-1所示。

　　图 2.2-1：NetFPGA平台的组成框图

　　在外部硬件接口方面，除了连接PC主机的PCI总线插口，一个Broadcom公司的物理层收发器(PHY)包含了四个千兆位以太网接口，板子上的两个SATA连接口使得系统内部的多个NetFPGA可以通过SATA数据线连接起来，互相之间直接以很高的速度交换数据，而不必再通过PCI总线。NetFPGA通过PCI总线与主机CPU连接，提供了硬件加速的数据通道，分担CPU的处理任务。主机CPU按照DMA方式读写NetFPGA上的寄存器和存储器来配置NetFPGA的工作模式，并对NetFPGA的工作状态进行监控。

　　NetFPGA平台的软件系统包括操作系统、作为软件接口的驱动程序、实现各种硬件功能的逻辑代码、执行控制功能的软件程序、系统测试的脚本程序，以及计算机辅助设计软件工具。

　　2.3 利用NetFPGA实现本设计的总体构想

　　基于网络编码的组播通信系统将充分运用NetFPGA上面的各种硬件和软件资源，实现系统的设计目标，具体是：(1)根据项目的需求，合理且充分利用NetFPGA卡上面的各种硬件资源，如FPGA、存储芯片和输入输出接口;(2)由于基于NetFPGA实现的IPv4原理性路由器是一个开源的系统，因此我们可以运用其提供的部分代码和已经设计好的底层硬件平台，来帮助我们实现设计目标。例如，我们的系统的编码、解码工作主要在网络层完成，因此我们可以利用NetFPGA中已有的物理层、MAC层硬件逻辑来实现数据的接收和发送;(3)在软件方面，由于NetFPGA平台选择了CentOS操作系统，并且开发了软硬件接口的驱动程序，基于Linux内核的设备驱动程序和Java程序开发的图形用户界面(Java GUI)等，因此我们可以对其应用、改进，使我们的系统更加完善，方便调试和后续的进一步研究。

　　2.4系统实现的整体设计方案说明

　　2.4.1 系统拓扑图及说明

　　如图2.4-1所示，是拟采用的组播通信网络的拓扑图：

　　图2.4-1基于网络编码组播的网络拓扑图

　　说明：为了易于在工程上实现，将网络编码路由器分为编码路由器EC(Encoding router)和解码路由器DC(Decoding router)，分别专门负责编码和解码。具体讲，如图1所示，信源S1,S2,S3发送数据包，编码路由器EC0和EC1负责将接收到的数据包以随机的系数进行线性编码后发送给组播路由器R，注意，这里的组播路由器更准确地说是转发路由器，因为它的功能只是将收到的数据包转发到其三个输出端口，而没有IGMP(组播管理)和相应的组播路由功能。当然，我们也可以直接在EC上实现转发的功能，增加R的原因是考虑到NetFPGA端口数量的限制(每块NetFPGA只有4个端口)。解码路由器DC接收编码的数据并解码，并将它发送给下游的信宿主机，在这里，由于PC数量的限制，我们使用双口网卡可以将解码路由器和信宿放到同一台主机上，这对网络性能的测试和实现没有任何影响。

　　2.4.2编码策略与方案

　　作为一种编码结构的提出，我们将编码只限于不同信源数据包之间，暂不考虑信源包内部编码。相同信源的数据包之间分“代”，以便在解码时区分信息先后顺序[32]。不同信源的包之间不区分代的概念。

　　定义：为了讨论的方便性和简洁性，我们将信源S1的第1代记为S(1,1)，信源S2的第3代记为S(2,3),……依此类推。依据包头和缓存，每个信源的代的编号从0开始，至1023结束，即信源n的最大的代编号为S(n,1023)

　　在编码路由器EC上对不同信源的IP数据包进行编码，编码系数矢量随机选择，编码方法是线性编码。例如，在上图中的编码路由器EC0，设两个链路的输入的全局编码向量为：in(e)=由于只有两个信源之间的编码有且只有一条边输出，则本地编码向量为(α β)，依据文章[33]的公式：

　　则输出out(e)=(α β)=αS(1,x)+βS(2,y)。编码后的数据以NCP(network coding protocol)包头封装，然后再封装在IP数据报中，如图2.4-2所示：

　　图2.4-2：编码后数据的封装格式

　　为减小相应的编码负担和提高编码效率，我们只对网络中的IP数据报中的有效载荷进行编码(已经编码过的数据包可以再进行编码)，不对ARP等其他数据包编码。在编码路由器中，我们为不同的输入通道开辟不同的FIFO以进行顺序存取和编码

　　2.4.3随机系数的选择

　　根据相关资料可知，随即编码系数矢量的选择可以从Galois Field中进行选择，依据论文[33][34]，我们选择域为GF256，即，此时可以解码的概率为1-=0.996，这个概率可以满足大多数的应用需求。

　　2.4.4 NCP数据包头的格式

　　为了能够在解码路由器上进行解码，我们需要在被编码的有效载荷前增加NCP数据包头[35]，根据我们的方案，其包头格式如图2.4-4：

图2.4-4：NCP数据包的包头格式

　　先将包头各个字段的含义说明如下：

　　①版本：NCP数据包格式的版本，为了后续开发研究和以前版本的区分，第一个版本为0001.

　　②首部长度和总长度：首部长度是指除了有效数据载荷以外的部分，共4位，单位是4字节，其最小值为2。当首部长度为3时，意味着该包的载荷没有被编码，只是加了包头。当其值大于3时，其值减去3为被编码的信源数。

　　总长度是之首部长度和有效载荷之和的长度，16位，单位为字节。

　　③标志：若进入编码路由器的只是一个没有编码过的IP数据包时，不进行编码，直接将包头前2行加在原IP数据包的有效载荷的前面即可。当仅有一个NCP数据包进入编码路由器时，我们不进行编码，直接进行转发，如图2.4-5所示：

图2.4-5：标志位的含义

　　④编码次数：即从原始数据包算起，被编码的次数，因为在一个实际的网络中，数据的编码可以是递归的，即可以多次被编码。有时，只有一个数据源时，直接在其前面加上NCP包头而不进行编码。增加编码次数是为了能够在多次编码后进行解码。若编码前数据包为IP数据包，其编码次数为0，若为NCP数据包，则次数≥1.当一个IP数据包和一个已编码的数据包编码时，利用编码次数，可以避免解码路由器将NCP数据包误以为IP数据包而交给主机。

⑤第一个包