一种基于节点能力区分的pareto最优网络编码组播方法

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1、—种基于节点能力区分的Pareto最优网络编码组播方法摘要：快速数据分发在突发事件响应,军事领域等具有重要的应用。针对异构用户节点群体下快速数据分发问题，提出基于能力区分的拓扑构建和速率控制的网络编码组播协议COREoCORE利用能力区分的口适应层次化拓扑构建鼓励节点提供高的上传带宽并优化系统范围吞吐率；利用直方图的方式对基于网络编码的数据传输进行流量控制，降低冗余数据的传输；基于分布式的速率控制实现Pareto最优的下载速率分配。实验结果表明CORE具有良好的可扩展性，能够充分利用异构节点的上传

2、能力，提供区分的下载帯宽分配，较高的数据传输吞吐率、低端到端网络延迟，能够提供异构网络环境下分发时间紧迫的数据分发服务。关键词：数据分发；网络编码；能力区分；速率分配中图分类号：TP311文献标识码：A基金项冃:国家高技术研究发展(863)计划项冃(2011AA01A202).1弓I言(Intraduction)覆盖网通过将数据传输负载分布到用户节点极犬提高了数据分发［1］过程的扩展性，然而基于覆盖网的数据分发存在"搭便车”(freeloader)的问题［2］：—些节点消耗覆盖网的数据传输能力却不

3、能提供足够的上传能力。已有的基于激励机制的覆盖网数据分发协议关注在传统存储转发坏境下用户间的协作[3-5],然而在利用网络编码技术的快速数据分发坏境下而临如何在适合网络编码组播的拓扑结构中实现能力区分；如何调度网络编码传输速率实现优化的下载带宽分配等问题。同时网络编码环境下已有的基于速率控制的优化方式假设存在独立的服务节点[6-8],需要额外的部署开销。针对异构节点群体实现快速数据分发的问题，提出了基于能力区分的方式进行拓扑构建和速率控制的网络编码组播协议CORE(Capacity-differe

4、ntiationOptimalREsilientmulticastbasedonnetworkcoding)o模拟测试显示CORE协议具有高度的扩展性，较高的吞吐率和低端到端延迟等优点。1相关工作(Relatedwork)由于覆盖网环境下用户节点提供上传能力需要消耗本节点的网络传输能力，研究发现覆盖网中存在大量的不提供上传带宽而仅获取数据的用户节点，导致请求信息被转发到系统中提供数据下载服务的少量节点(称为"tragedyofthecommonsn)[2]o针对覆盖网环境下用户节点服务区分和激励问

5、题，已有的研究包括：文件共享环境下单个节点上传带宽分配机制[3],多个覆盖网数据传输会话优先调度和带宽分配[4],集中式的基于微分方程建模提供静态组播坏境下不同服务质量[5]等。另一方面，为了利用不同能力的节点，Florida大学的Zhang等在结构化覆盖网环上利用异构节点上传能力进行任意源组播(anysourcemulticast)[9],没有考虑服务区分等问题。然而在基丁网络编码快速数据分发环境下，面临新的问题包括：如何构建节点能力感知的高效拓扑结构以提高数据分发的吞吐率，如何在适合网络编码数

6、据分发的拓扑结构中实现能力区分；如何调度数据传输速率实现优化的下载带宽分配。在网络编码组播环境下资源优化的研究基于网络流模型，典型工作如Toronto大学的Li等⑹假定链路的速率和容量为固定，利用Langrangian对偶方式最大化系统范围吞叶率；MIT的Wu等［8］为每个组播链路流设定开销函数，通过寻找最优的编码子图（每个会话在每个链路的传输数据量）来最小化网络编码组播环境下的传输开销；加州理工的Chen［7］等利用速率控制优化系统范围的特定性能冃标，通过源节点调整传输速率，以及转发节点在多个组

7、播会话间调度的调度实现最人化系统效用。1系统模型（Systemmodel）将用户节点组成的网络建模为冇向图G（V,E）,V为节点集合，E为边集。节点集V包含两类节点：源节点S和接收节点T（接收节点作为中间转发节点）。。边集，每个边具有最大带宽容量。假定每个节点i具有一个网络坐标xi,同时缓存源节点的网络坐标xs（假泄网络坐标为真实的且相对稳定，虚假坐标处理可通过发送额外的探测数据包实现）。每个节点i具有一个标识符Lid,以及一个层次level,标识符在节点参与系统的生命期内唯一，然而节点i的lev

8、el值可能因网络的演化而变动。节点i在加入时声明自己的上传带宽bui和下载带宽bdio为了显示能力区分的有效性，给出下列示例（如图1⑻一图（d）所示,假定所冇节点在线），其中每个节点的参数配置利用三元组表示，分别代表接收节点的优先度，上传带宽和下载带宽(单位为Mbps),接收节点参数配置为：设定源节点S最大子女数为2,上传带宽为1Mbps。图1中有向边代表数据传输方向，边上的值为该逻辑连接的传输带宽。考察下载带宽公平分配和按照优先度分配，前者下载节点平均获取父节点带宽，后者设定节点