基于二层路由的网络编码传输方法及系统

1.本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种基于二层路由的网络编码传输方法及系统。


背景技术：

2.无线自组网多路径路由是指在一次路由寻找的过程中，在源节点到目的节点之间建立多条传输路径。相较于单路径的数据传输，多路径传输在网络的端到端时延、负载均衡以及传输可靠性等方面均具有更好的性能。
3.目前，无线自组网中的多路径路由协议大都是基于单路径路由协议进行的扩展。其中，最为典型也是最常用的多路径路由协议是aomdv(ad hoc on-demand multipath distance vector)协议。aomdv协议在aodv(ad hoc on-demand distance vector)协议的基础上，通过逐跳洪泛路由请求报文(route request,rreq)与反向路径回复路由应答报文(route repeat,rrep)建立源、目的节点之间的多条路径。另外几种常用的多路径路由协议，如分裂多径路由协议(split multipath routing,smr)、多径源路由协议(multipath source routing,msr)等，也是通过发送rreq与回复rrep消息的方式建立多路径路由。
4.ieee 802.11s标准中明确了二层(数据链路层)转发的概念。二层路由是指在数据链路层执行路由协议，数据包的转发也是经由数据链路层，上层协议栈无需进行拆分组装，邻居发现、路由建立、拓扑维护均在数据链路层进行。因此，二层路由相较于网络层路由，协议栈操作的简化降低了网络的转发时延，而且无需网络层广播发送无需发送rreq、rrep等寻路消息进行建路与维护，路由的更新与拓扑的周期性更新一致，从而减少了层间交互，大大节省了路由所需的开销。
5.在针对数据传输性能提升方面，主要通过网络编码技术及与多路径路由技术相结合。网络编码技术主要分为两大类：第一类是基于随机线性网络编码(rlnc)的流内网络编码，这类网络编码通过源节点从有限域中随机选择编码系数，将若干个数据包编码为编码包，通过编码包的冗余提升数据传输的可靠性。第二类是基于cope的流间网络编码，这类网络编码通过发现不同传输链路中的流间编码机会，将来自不同传输链路的数据包进行异或(xor)编码，并将编码包广播给下一跳节点，降低了数据包的传输次数，提升了网络的传输效率。其中多数关于流间编码研究致力于寻找更多的编码机会，从而使得网络的吞吐量与资源效率获得更大的增益，但cope机制只有在高质量的链路状况下，节点才可以通过监听实现对cope编码包的解码。随着网络丢包率的增大，执行cope编码的节点对下一跳节点解码能力判断的准确性将会降低；当网络丢包率高于一定阈值时，由于无法准确监听，cope机制编码将会关闭，导致传输效率下降。因此，通过需要设计可靠的传输机制，降低信道质量恶劣造成的解码失败对cope机制编解码的影响。
6.另外，目前关于多跳无线自组网的网络编码结合多路径路由设计均考虑网络层路由机制，如通过主动更改路径创造编码机会等，而关于二层路由的研究成果主要包括对混合无线mesh路由协议(hybrid wireless mesh protocol,hwmp)进行优化，未见与网络编码
结合的二层多路径路由机制设计。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种优化了二层多路径路由机制与流间网络编码、流内网络编码等可靠传输，提高了无线自组网业务传输资源效率与多路径路由可用性，降低了寻路开销和不必要的编码冗余的基于二层路由的网络编码传输方法及系统，以解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题。
8.为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
9.一方面，本发明提供一种基于二层路由的网络编码传输方法，包括：
10.构建二层多路径路由网络编码传输架构；
11.基于层多路径路由网络编码传输架构建立二层多路径路由；
12.基于二层多路径路由完成流间网络编码区域搜索。
13.优选的，构建二层多路径路由网络编码传输架构包括：
14.在数据链路层维护邻居节点信息并与自身邻居节点进行邻居节点信息交互，构建网络拓扑连接矩阵；
15.基于网络拓扑连接矩阵执行二层多路径路由算法建立源节点到目的节点间的多条路径，并将所有路径信息广播通知到路径中的其余节点；
16.根据全路径路由信息确定节点角色，实现源节点编码、中间节点转发、目的节点解码操作，恢复出原始数据，完成一次数据传输。
17.优选的，建立二层多路径路由，当源节点与目的节点之间有业务时，源节点将依据路由策略建立传输路径，然后进入数据传输阶段将数据包编码并发送。
18.优选的，建立二层多路径路由包括：无线自组网业务源节点根据网络拓扑连接矩阵，使用广度遍历其一跳邻居，依次对出度为1的一跳邻居节点进行标记并进行广度遍历。
19.优选的，对出度大于1的一跳邻居节点的下一跳节点进行标记并进行深度遍历，对率先寻路到目的节点的深度遍历节点生成全路径路由信息，并对已寻路路径上所有节点进行标记，保证多条路径不相交。
20.优选的，流间网络编码区域搜索包括：定义流间编码区域为可以执行异或编码的中继节点以及其上下游的两对节点，无线自组网节点通过查询自身维护路由表，基于已建立单播路由均不相交的前提，判断若经过本节点的无向路由数目超过一条，则认为本节点是多条单播流传输交叉节点。
21.优选的，判断是否可成为执行流间网络编码的中继节点，若时则将本节点以及其路由表的一跳邻居节点加以存储，生成一个编码节点分组，形成流间网络编码区域，规定该分组内的节点需要以广播的形式发送数据，使得流间网络编码区域内的中下游节点可以进行监听以及成功异或解码。
22.第三方面，本发明提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述处理器和所述存储器相互通信，所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令执行如上所述的基于二层路由的网络编码传输方法。
23.第四方面，本发明提供一种电子设备，包括存储器和处理器，所述处理器和所述存储器相互通信，所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述
程序指令执行如上所述的基于二层路由的网络编码传输方法。
24.第五方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的基于二层路由的网络编码传输方法。
25.本发明有益效果：为无线自组网二层多路径路由与相关传输机制设计方法提供基础框架，通过基于数据链路层网络拓扑维护建立二层多路径路由，解决目前网络层路由建立开销巨大、时延过长、难以实现负载均衡的问题；通过对rlnc编码包进行异或编码，提高网络对流间网络编码区域内的丢包的容忍度与鲁棒性；提供一种流间网络编码区域搜索方法，在流间编码区域处，rlnc包可以补偿下游节点的监听失败，即在没有充分的信息解异或编码包时，节点不再直接丢弃异或包，而是将其存储尝试解码rlnc包，解决原有cope机制因丢包严重而无法有效编解码的问题，提升无线自组网业务传输资源效率。
26.本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1为本发明实施例所述的二层多路径路由网络编码传输架构示意图。
29.图2为本发明实施例所述的二层多路径路由建立流程图。
30.图3为本发明实施例所述的结合二层多路径的双层网络编码传输系统示意图。
31.图4为本发明实施例所述的流间编码区域搜索与编码节点分组生成算法流程图。
32.图5为本发明实施例所述的流间编码区域x型拓扑示意图。
具体实施方式
33.下面详细叙述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
34.本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。
35.还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
36.本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件和/或它们的组。
37.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特
点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
38.为便于理解本发明，下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步解释说明，且具体实施例并不构成对本发明实施例的限定。
39.本领域技术人员应该理解，附图只是实施例的示意图，附图中的部件并不一定是实施本发明所必须的。
40.实施例1
41.本实施例1提供一种基于二层路由的网络编码传输系统，包括：
42.第一构建模块，用于构建二层多路径路由网络编码传输架构；
43.第二构建模块，用于基于层多路径路由网络编码传输架构建立二层多路径路由；
44.搜索模块，用于基于二层多路径路由完成流间网络编码区域搜索。
45.本实施例1中，基于上述的系统，实现了基于二层路由的网络编码传输方法，包括：使用第一构建模块构建二层多路径路由网络编码传输架构；使用第二构建模块基于层多路径路由网络编码传输架构建立二层多路径路由；使用搜索模块基于二层多路径路由完成流间网络编码区域搜索。
46.构建二层多路径路由网络编码传输架构包括：
47.在数据链路层维护邻居节点信息并与自身邻居节点进行邻居节点信息交互，构建网络拓扑连接矩阵；
48.基于网络拓扑连接矩阵执行二层多路径路由算法建立源节点到目的节点间的多条路径，并将所有路径信息广播通知到路径中的其余节点；
49.根据全路径路由信息确定节点角色，实现源节点编码、中间节点转发、目的节点解码操作，恢复出原始数据，完成一次数据传输。
50.建立二层多路径路由，当源节点与目的节点之间有业务时，源节点将依据路由策略建立传输路径，然后进入数据传输阶段将数据包编码并发送。
51.建立二层多路径路由包括：无线自组网业务源节点根据网络拓扑连接矩阵，使用广度遍历其一跳邻居，依次对出度为1的一跳邻居节点进行标记并进行广度遍历。
52.对出度大于1的一跳邻居节点的下一跳节点进行标记并进行深度遍历，对率先寻路到目的节点的深度遍历节点生成全路径路由信息，并对已寻路路径上所有节点进行标记，保证多条路径不相交。
53.流间网络编码区域搜索包括：定义流间编码区域为可以执行异或编码的中继节点以及其上下游的两对节点，无线自组网节点通过查询自身维护路由表，基于已建立单播路由均不相交的前提，判断若经过本节点的无向路由数目超过一条，则认为本节点是多条单播流传输交叉节点。继续判断是否可成为执行流间网络编码的中继节点，若时则将本节点以及其路由表的一跳邻居节点加以存储，生成一个编码节点分组，形成流间网络编码区域，规定该分组内的节点需要以广播的形式发送数据，使得流间网络编码区域内的中下游节点可以进行监听以及成功异或解码。
54.实施例2
55.为解决目前无线自组网网络层多路径路由寻路开销巨大，以及传统流内网络编码冗余巨大，而流间网络编码机制在信道质量较低情况下侦听失效，导致无法完成高效业务传输的问题，本实施例2中，一种基于二层路由的网络编码传输方法，包括：基于二层路由的网络编码传输方法架构，通过有机耦合信息维护模块、路由策略模块与数据编码传输模块，提升路由寻路效率；二层多路径路由建立方法，综合广度遍历和深度遍历算法生成不相交的多条路径，降低多路径寻路所需时延和开销，为网络编码数据包并行传输提供基础；流间网络编码区域构造方法，通过设计双层网络编码传输架构，通过单播流内传输的rlnc编码包提高数据传输的可靠性，通过流间网络编码实现对资源效率的提升。
56.同时，本实施例2提供流间网络编码区域搜索方法，通过确定流间编码区域并建立编码节点组，将cope编解码限制在编码节点分组内，避免了频繁广播导致的碰撞问题，提升网络吞吐量。
57.基于二层路由的网络编码传输方法，包括：二层多路径路由网络编码传输架构，二层多路径路由建立方法，流间网络编码区域搜索方法。
58.所述二层多路径路由网络编码传输架构为：无线自组网节点将组网通信功能分为信息维护模块、路由策略模块与数据编码传输模块三部分。首先通过信息维护模块在数据链路层维护邻居节点信息并与自身邻居进行邻居节点信息交互、路由策略模块与数据编码传输模块，维护网络拓扑连接矩阵。然后路由策略模块基于该矩阵执行二层多路径路由算法建立源节点到目的节点间的多条路径，并将全路径信息广播通知到路径中的其余节点。在路由建立完成后，数据编码传输模块根据全路径路由信息确定节点角色，实现源节点编码、中间节点转发、目的节点解码操作，恢复出原始数据，完成一次数据传输。
59.所述二层多路径路由建立方法为：无线自组网业务源节点根据网络拓扑连接矩阵，使用广度遍历其一跳邻居，依次对出度为1的一跳邻居进行标记并进行广度遍历，对出度大于1的一跳邻居的下一跳节点进行标记并进行深度遍历，对率先寻路到目的节点的深度遍历节点生成全路径路由信息，并对已寻路路径上所有节点进行标记，保证多条路径不相交。
60.所述流间网络编码区域搜索方法为：定义流间编码区域为可以执行异或编码的中继节点以及其上下游的两对节点，无线自组网节点通过查询自身维护路由表，基于已建立单播路由均不相交的前提，判断若经过本节点的无向路由数目超过一条，则认为本节点是多条单播流传输交叉节点，继续判断是否可成为执行流间网络编码的中继节点，若时则将本节点以及其路由表的一跳邻居节点加以存储，生成一个编码节点分组，形成流间网络编码区域，规定该分组内的节点需要以广播的形式发送数据，使得流间网络编码区域内的中下游节点可以进行监听以及成功异或解码。
61.综上，本实施例2中所述的基于二层路由的网络编码传输方法，为无线自组网二层多路径路由与相关传输机制设计方法提供基础框架，通过基于数据链路层网络拓扑维护建立二层多路径路由，解决目前网络层路由建立开销巨大、时延过长、难以实现负载均衡的问题；通过对rlnc编码包进行异或编码，提高网络对流间网络编码区域内的丢包的容忍度与鲁棒性；提供一种流间网络编码区域搜索方法，在流间编码区域处，rlnc包可以补偿下游节点的监听失败，即在没有充分的信息解异或编码包时，节点不再直接丢弃异或包，而是将其存储尝试解码rlnc包，解决原有cope机制因丢包严重而无法有效编解码的问题，提升无线
自组网业务传输资源效率。
62.实施例3
63.本实施例3中一种基于二层路由的网络编码传输方法，包括：二层多路径路由网络编码传输架构，二层多路径路由建立方法，流间网络编码区域搜索方法。
64.基于二层路由的网络编码传输方法架构如图1所示，该方法主要由信息维护、路由策略与数据编码传输三个部分构成，以保障无线自组网中数据的可靠传输，具体流程如下：
65.s1：无线自组网节点周期性将自身的邻居节点信息广播告知网络中的其他节点。每个节点接收到邻居发送的邻居节点信息后，使用信息维护模块维护一个包含全网节点与节点连接信息的网络拓扑连接矩阵。
66.s2：基于信息维护模块得到的拓扑连接矩阵，路由策略模块进行二层多路径路由算法寻路，建立源节点到目的节点之间的多条路径，并将全路径信息广播通知到路径中的其余节点。
67.s3：在路由策略模块完成多路径路由的建立后，数据传输模块将对源节点待发的数据包执行随机线性网络编码，并按照多路径的负载均衡策略，将编码包在多条路径上并行传输。经过中间节点的转发，目的节点接收到编码包后，将根据编码系数矩阵对接收到的随机线性网络编码包进行解码，恢复出原始数据，完成一次数据传输。
68.二层多路径路由建立方法流程图如图2所示，源节点与目的节点之间有业务时，源节点将依据路由策略建立传输路径，然后进入数据传输阶段将数据包编码并发送。另外，为了降低节点负载，二层多路径路由建立时采用节点不相交多路径方案，为保证节点不相交，在算法中将已遍历的节点设置标志位设置为1，标志位为1的节点不能加入新的遍历中。具体路由建立流程如下：
69.s1：无线自组网单播业务源节点根据维护到的拓扑连接矩阵，以自身为根节点，广度遍历一跳邻居节点，并将邻居节点标志位置为1。
70.s2.1：源节点判断广度遍历是否完成，若是则执行s5，否则执行s2.2。
71.s2.2：当前广度遍历根节点遍历一跳邻居并将各邻居节点标志位置为1，然后判断目前寻路是否已到达目的节点，如是则执行步骤s4，否则执行s2.3。
72.s2.3：判断当前遍历节点出度是否大于1，如是则将当前节点作为根节点并执行步骤s3.1，如否则将当前遍历节点作为根节点迭代进行广度遍历，执行步骤s2.2。
73.s3.1：依次检查根节点的下一跳节点，将下一跳节点标志位置1并作为根节点进行深度遍历，执行步骤s3.2。
74.s3.2：判断目前深度遍历是否已到达目的节点，如是则记录当前深度遍历路径将路径上所有节点标志位置1，其他深度遍历根节点的邻居节点标志位回退为0，然后执行步骤s4；否则执行步骤s3.3。
75.s3.3：判断是否已完成对当前根节点下一跳邻居的深度遍历，若是则执行步骤s2.1，否则继续执行步骤s3.1。
76.s4：记录源节点到目的节点全路径信息,路径上所有节点标志位置1，执行s2.1。
77.s5：结束遍历寻路，得到多条源节点到目的节点之间的路径。
78.流间网络编码区域搜索方法以及编码节点分组生成算法流程过程如图3所示。具体的流间网络编码区域搜索方法以及编码节点分组生成算法的算法流程如下：
79.s1：无线自组网节点在完成二层多路径路由寻路并进行路由广播通告过程后，查询自身维护路由表信息
80.s2：若自身维护的路由表信息中，自身非源节点或目的节点的路由条目数大于1，即表示该节点处有业务流交叉，执行步骤s3，否则执行步骤s6；
81.s3：节点遍历路由表项，查询邻居节点信息，获取本节点在各路径上的上游节点与下游节点信息；
82.s4：查询拓扑连接矩阵，若不同路径的上游节点与下游节点为一跳邻居，则执行步骤s5，否则执行步骤s6；
83.s5：节点将自身标记为流间网络编码中继节点，将本节点与一跳邻居节点标记为同一个编码节点分组成员，执行步骤s6；
84.s6：结束算法过程。
85.实施例4
86.本实施例4中，以图4所示x型拓扑为例，对流间网络编码区域搜索方法进行进一步阐述。
87.如图4所示，在该无线自组网双层网络编码传输系统中。网络中存在两条单播数据流。以表示源节点s1到目的节点d1的第i条传输路径，其路径上的节点以下对角线填充的圆圈标示；以表示源节点s2到目的节点d2的第i条传输路径，其路径上的节点以上对角线填充的圆圈标示。由于两个单播流均各自建立了两条路径，因此单播流路径交集存在4个路径交点，以交叉对角线填充的圆圈标示，这些节点也是可以执行流间网络编码的中继节点。以每个流间网络编码中继节点为中心，其一跳邻域以虚线为边框的阴影区域表示，即为一个编码区域。
88.实施例5
89.本实施例5中，以图5所示的x形拓扑为例，说明具体的流间网络编码策略与算法流程如下：
90.s1：在无线自组网拓扑中，存在两条数据流源节点s1,s2在各自发送自身的k个原始业务数据包时，首先将原始数据包进行rlnc编码生成m个rlnc编码包，然后分别将各自的rlnc编码包以广播的形式发送到下一跳节点。
91.s2.1：节点r通过构造流间编码区域和生成编码节点分组，确定d2与s1，d1与s2是一跳邻居关系，可以互相监听到对方的广播包；同时节点r作为上述节点的共同一跳邻居，成为该编码节点分组中继节点。
92.s2.2：流间网络编码中继节点r将接收到来自s1的第i个rlnc编码包以及来自s2的第j个编码包在对与进行异或编码生成编码包后，中继节点r将会广播给节点d1和d2。
93.s3：节点d1通过监听s2获知包节点d2监听s1获知包如图4虚线表示链路。因此收到后，节点d1和d2将该异或包与之前监听到的包再次执行异或运算，解码出所需的异或前的数据包。
94.s4：当链路质量较差，导致节点d1和d2监听失败、无法解码异或包时，节点将存储该异或包，等待接收更多的异或包以直接进行rlnc解码，恢复出原始数据包。
95.实施例6
96.本发明实施例6提供一种电子设备，包括存储器和处理器，所述处理器和所述存储器相互通信，所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令执行基于二层路由的网络编码传输方法，该方法包括如下流程步骤：
97.构建二层多路径路由网络编码传输架构；
98.基于层多路径路由网络编码传输架构建立二层多路径路由；
99.基于二层多路径路由完成流间网络编码区域搜索。
100.实施例7
101.本发明实施例7提供一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现基于二层路由的网络编码传输方法，该方法包括如下流程步骤：
102.构建二层多路径路由网络编码传输架构；
103.基于层多路径路由网络编码传输架构建立二层多路径路由；
104.基于二层多路径路由完成流间网络编码区域搜索。
105.实施例8
106.本发明实施例8提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述处理器和所述存储器相互通信，所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令执行基于二层路由的网络编码传输方法，该方法包括如下步骤：
107.构建二层多路径路由网络编码传输架构；
108.基于层多路径路由网络编码传输架构建立二层多路径路由；
109.基于二层多路径路由完成流间网络编码区域搜索。
110.本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
111.本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
112.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
113.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他
可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
114.上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域技术人员在不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形，都应涵盖在本发明的保护范围之内。