網(wǎng)絡(luò)編碼有可能導(dǎo)致對(duì)、內(nèi)容分發(fā)和網(wǎng)絡(luò)的重新設(shè)計(jì)。廠商和研究者們?nèi)缡钦f(shuō)。一些聲名顯赫的高科技企業(yè)，如、惠普和英特爾等都正在著手

網(wǎng)絡(luò)編碼有可能導(dǎo)致對(duì)、內(nèi)容分發(fā)和網(wǎng)絡(luò)的重新設(shè)計(jì)。廠商和研究者們?nèi)缡钦f(shuō)。

一些聲名顯赫的高科技企業(yè)，如、惠普和英特爾等都正在著手從事一項(xiàng)被稱為“網(wǎng)絡(luò)編碼”的技術(shù)，該技術(shù)可以提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，改善從內(nèi)容分發(fā)到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等一系列的可擴(kuò)展性和使用效率。

網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)自七年前誕生以來(lái)，可以說(shuō)基本上藏身于各大學(xué)和實(shí)驗(yàn)室中而鮮為人知。這是一種編碼算法，支持者們聲稱它可以將現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)吞吐量提高一倍，同時(shí)還能改善網(wǎng)絡(luò)的可靠性和防范攻擊的能力。網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)最熱心的支持者們說(shuō)，該技術(shù)將會(huì)引發(fā)網(wǎng)絡(luò)的下一代革命；其他人則認(rèn)為，網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)更有可能會(huì)潛移默化地改變目前基于路由的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

網(wǎng)絡(luò)編碼的工作原理是把不同的信息轉(zhuǎn)化成位數(shù)更小的“痕跡”，然后在目標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行演繹還原，這樣就不必反復(fù)傳輸或者復(fù)制全部信息了。痕跡可以在多個(gè)中間節(jié)點(diǎn)間的多條路徑上反復(fù)傳遞，然后再被送往最終的目的端點(diǎn)。它不需要額外的容量和路由—只需把信息的痕跡轉(zhuǎn)換成位流即可，而這種轉(zhuǎn)換現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施是可以支持的。

“這種技術(shù)跟竊聽技術(shù)很相像：你聽到了周圍有什么事在發(fā)生，于是你便形成了某種觀點(diǎn)，然后你會(huì)根據(jù)記憶和你所掌握的信息去增加總體的吞吐量和容量�！庇⑻貭栄芯坎块T負(fù)責(zé)企業(yè)無(wú)線通信的研究專家SumeetSandhu說(shuō)。

網(wǎng)絡(luò)編碼可以在任何設(shè)備上工作，從路由器到無(wú)線系統(tǒng)，或者全新形式的所謂網(wǎng)絡(luò)編碼器上工作。英特爾看到了這種技術(shù)在擴(kuò)展無(wú)線基站方面的潛力；微軟已經(jīng)在試驗(yàn)用網(wǎng)絡(luò)編碼來(lái)提高其內(nèi)容分發(fā)系統(tǒng)的效率；其他網(wǎng)絡(luò)廠商，比如，則對(duì)其計(jì)劃秘而不宣，拒絕發(fā)表的評(píng)論，其發(fā)言人只聲稱：“我們正在研究網(wǎng)絡(luò)編碼能否作為一種區(qū)分不同類型的流量，然后劃分出優(yōu)先等級(jí)，從而幫助提高網(wǎng)絡(luò)容量的理論工具。迄今為止，我們并未提供任何專門的網(wǎng)絡(luò)編碼產(chǎn)品。”

為了讓讀者能夠更好地理解什么是網(wǎng)絡(luò)編碼，我們?cè)诖颂幗o出更為詳盡的技術(shù)解釋。

網(wǎng)絡(luò)編碼可以對(duì)數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)位進(jìn)行操作，這種所謂“按位異或”操作是將信息與其他數(shù)據(jù)包相互比對(duì)。按位異或首先取兩個(gè)位組，然后對(duì)每一組的對(duì)應(yīng)位執(zhí)行邏輯操作，如果對(duì)應(yīng)位的值不同則賦值“1”，位值相同則賦“0”。

按位異或操作所得出的這些1或0就是編碼，也叫痕跡，端點(diǎn)或任意節(jié)點(diǎn)只要具備一定的智能便可將接收到的信息進(jìn)行演繹還原。按照這種方法，網(wǎng)絡(luò)編碼便可有效地允許目標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收多個(gè)信息而不必增加它所能接收數(shù)據(jù)包的數(shù)量。換句話說(shuō)，不必增加網(wǎng)絡(luò)的整體容量。

“利用數(shù)據(jù)的這種代數(shù)性質(zhì)，是為了獲得更大的自由度，可以對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行各種操作�！甭槭±砉�學(xué)院電子工程與計(jì)算科學(xué)系的助理教授、網(wǎng)絡(luò)編碼領(lǐng)域的主要研究者之一MurielMedard說(shuō)�！霸诰W(wǎng)絡(luò)中能夠這么做，就意味著你能夠更有效地利用網(wǎng)絡(luò)，或者用多種方式來(lái)使用網(wǎng)絡(luò)�！�

和Medard持相同觀點(diǎn)的支持者們認(rèn)為，網(wǎng)絡(luò)編碼尤其對(duì)路由器共享的基礎(chǔ)設(shè)施、P2P內(nèi)容分發(fā)以及無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)特別有用。在一篇論述網(wǎng)絡(luò)編碼的文章中，Medard和其他研究者指出，網(wǎng)絡(luò)編碼具有極大地提高網(wǎng)絡(luò)傳輸速度、改進(jìn)所有通信系統(tǒng)可靠性的潛力，將會(huì)引發(fā)下一代網(wǎng)絡(luò)革命。

不過(guò)，Medard也認(rèn)為，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商如何利用這種異或操作符來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)編碼尚有待探索。因?yàn)樗�不同于MPLS的流量工程，MPLS無(wú)須改變數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)；而只是給數(shù)據(jù)包增加一些附屬物，比如標(biāo)簽。

“我們不只關(guān)心所選擇的數(shù)據(jù)包的各個(gè)域的狀態(tài)，實(shí)際上我們還需要考慮對(duì)包內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作和傳輸?shù)目赡苄��！盡edard說(shuō)�！安贿^(guò)最終，我們還是要把信息還原到它最初的狀態(tài)�！�

目前的路由器和機(jī)系統(tǒng)就做不到這一點(diǎn)。它們只是去讀數(shù)據(jù)包中的源地址和目標(biāo)地址的域，將輸入和輸出都映射到同一個(gè)節(jié)點(diǎn)上然后直接傳輸。它們不會(huì)綜合兩個(gè)不同數(shù)據(jù)包的內(nèi)容，更不會(huì)把輸入映射到一個(gè)節(jié)點(diǎn)，把輸出映射到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

Medard說(shuō)，網(wǎng)絡(luò)編碼器或許不會(huì)徹底取代路由器，但其功能有可能會(huì)覆蓋掉一部分路由功能。而隨著時(shí)間的推移，網(wǎng)絡(luò)編碼便有可能在其優(yōu)勢(shì)日益明顯之后成為路由操作的一個(gè)不可缺少的組成部分，從而徹底改變我們今天所知的路由技術(shù)。

Medard說(shuō)，她兩三年前就已經(jīng)給思科的工程師們展示了她的技術(shù)研究成果。她把那次會(huì)談稱之為“良好的”，但同時(shí)強(qiáng)調(diào)說(shuō)，那次會(huì)談只是一次技術(shù)性的會(huì)談，沒有探討過(guò)任何商業(yè)用途。

和微軟一樣，惠普也看到了網(wǎng)絡(luò)編碼對(duì)P2P內(nèi)容分發(fā)所帶來(lái)的好處�；萜找呀�(jīng)與麻省理工學(xué)院展開了合作，并贊助后者在此領(lǐng)域的研究工作。

“這確是一項(xiàng)令人興奮的。”惠普實(shí)驗(yàn)室的研究員MitchellTrott說(shuō)�！八鼡碛芯薮蟮挠写�開發(fā)的潛力，只不過(guò)迄今為止，到底能從這一技術(shù)中獲得什么好處，還不是很清晰�！�

在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施中，網(wǎng)絡(luò)編碼的應(yīng)用要比簡(jiǎn)單地幫助內(nèi)容分發(fā)問(wèn)題“更為棘手”。Trott說(shuō)，網(wǎng)絡(luò)編碼必須證明自己能夠獲得較大的性能提升，才可能被基礎(chǔ)設(shè)施廠商所采用。

“網(wǎng)絡(luò)編碼必須能解決一個(gè)特殊問(wèn)題，多播或許就是網(wǎng)絡(luò)編碼可以大顯身手的所在�！盩rott說(shuō)�！安贿^(guò)，多數(shù)企業(yè)甚至還沒有用到多播這種功能。”

所謂多播，就是同時(shí)把信息傳送給一組目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，按照和傳統(tǒng)路由架構(gòu)同樣的方式，網(wǎng)絡(luò)編碼就能大大改善網(wǎng)絡(luò)的效率。傳統(tǒng)路由的多播在連接多個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)時(shí)需要生成全部傳送信息的多份拷貝，而網(wǎng)絡(luò)編碼則可通過(guò)xor痕跡處理，大大減輕這種傳輸多份信息的壓力。

就網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施而言，對(duì)網(wǎng)絡(luò)編碼存有疑慮的另一個(gè)因素是，十年來(lái)交換機(jī)和路由器等設(shè)備在各類機(jī)柜中已大量存在。

“要想拋棄這些設(shè)備轉(zhuǎn)而去支持新的技術(shù)，可能需要一段時(shí)間�！盩rott說(shuō)。還必須要開發(fā)一些新的控制與管理協(xié)議來(lái)跟蹤所有的數(shù)據(jù)包和位流的操作。

迄今為止，惠普尚未找到可將網(wǎng)絡(luò)編碼用于商用產(chǎn)品的合適的切入點(diǎn)，不過(guò)Trott說(shuō)，這種情形會(huì)隨著時(shí)間而改變。他還說(shuō)，無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)有可能從這一新技術(shù)中獲益，尤其對(duì)于軍用的感應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)更有益處。

麻省理工學(xué)院的研究人員所從事的研究表明，網(wǎng)絡(luò)編碼可以在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的吞吐量上獲得“數(shù)倍的提升”。這些研究人員說(shuō)，他們?cè)谝粋�(gè)不大的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中目睹了吞吐量的翻番增長(zhǎng)，而在麻省理工學(xué)院一幢三層建筑內(nèi)的34個(gè)節(jié)點(diǎn)環(huán)境中，利用UDP流量進(jìn)行的一次測(cè)試更是出現(xiàn)了4倍的流量增加。

英特爾也在期待網(wǎng)絡(luò)編碼能為其無(wú)線產(chǎn)品，尤其是為WiMAX產(chǎn)品提供競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。英特爾的網(wǎng)絡(luò)編碼研究開始于2006年。

英特爾研究部門的Sandhu說(shuō)，多跳中繼——由WiMAX基站和中繼基站完成，可以從網(wǎng)絡(luò)編碼獲得益處，因?yàn)楹笳邤U(kuò)展了基站的覆蓋范圍。中繼基站負(fù)責(zé)對(duì)基站的回程，而網(wǎng)絡(luò)編碼則可在端到端的基站－客戶機(jī)的交互過(guò)程中實(shí)現(xiàn)雙向中繼。由于使冗余的分組路由降至最低，從而提高了網(wǎng)絡(luò)的效率。Sandhu說(shuō)，在此應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)編碼要比簡(jiǎn)單的雙向中繼增加25%到50%的吞吐量。

“在基站間執(zhí)行xor操作可節(jié)省時(shí)間，”Sandhu說(shuō)�！霸谧龆说蕉穗p向通信時(shí)原來(lái)需要4個(gè)時(shí)隙，而現(xiàn)在只需3個(gè)時(shí)隙，因?yàn)樵谝粋�(gè)時(shí)隙中實(shí)際上是把兩個(gè)數(shù)據(jù)包揉在一起發(fā)送出去的�！�

但是WiMAX并不像軍用感應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)，它是集中式的。一個(gè)基站負(fù)責(zé)一個(gè)蜂窩小區(qū)，然后可能會(huì)架設(shè)幾個(gè)中繼基站進(jìn)行覆蓋范圍的擴(kuò)展，這是WiMAX網(wǎng)絡(luò)的通用模式，Sandhu說(shuō)。

英特爾正在探討網(wǎng)絡(luò)編碼在OSI參考模型中物理層上的適用性，以及它在MIMO環(huán)境中與天線的相互影響。Sandhu說(shuō)，物理層信息在向上進(jìn)入MAC層時(shí)有可能丟失，所以英特爾正在尋找捕捉物理層信道信息的方法，以便實(shí)現(xiàn)更優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)編碼。

Sandhu并未明說(shuō)英特爾是否已經(jīng)有了圍繞網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)開發(fā)產(chǎn)品的計(jì)劃。但是她說(shuō)，她的確看到了網(wǎng)絡(luò)編碼在除了無(wú)線和WiMAX之外的數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域中廣泛的應(yīng)用前景。

研究人員承認(rèn)，竊聽方式與xor位流概念的混合可能會(huì)引發(fā)對(duì)安全性的擔(dān)憂。

但是麻省理工學(xué)院的Medard卻認(rèn)為，網(wǎng)絡(luò)編碼在執(zhí)行過(guò)程中偽裝了數(shù)據(jù)，并且能有效地承載數(shù)據(jù)，所以實(shí)際上增強(qiáng)了信息的安全性，要比在網(wǎng)絡(luò)上傳輸不可破譯的算法流的傳統(tǒng)加密技術(shù)更安全。

“在你做這種數(shù)據(jù)包的混合時(shí)，其本身就具備了數(shù)據(jù)隱藏的性能�！盡edard說(shuō)�！氨热缬袃蓚�(gè)位組A和B，對(duì)兩個(gè)位組執(zhí)行xor操作，從得出的結(jié)果中哪個(gè)位組的數(shù)據(jù)你都看不到。你可能知道其中的某些位的值，但你卻不可能還原出A位組的數(shù)據(jù)，除非你完全知道B位組的數(shù)據(jù)�！�

她說(shuō)，網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)還能在P2P傳輸中檢測(cè)惡意“污染”攻擊，并糾正錯(cuò)誤。

當(dāng)然，還需要做大量的工作，以便確定網(wǎng)絡(luò)編碼對(duì)于安全的影響。至于網(wǎng)絡(luò)編碼能否在互聯(lián)網(wǎng)這種共享基礎(chǔ)設(shè)施中最終取代路由器，也同樣還需要解決很多問(wèn)題才行。比如說(shuō)，客戶必須知道，當(dāng)信息在共享網(wǎng)絡(luò)中不能夠進(jìn)行混合的時(shí)候該如何實(shí)施網(wǎng)絡(luò)編碼；他們還需要注意網(wǎng)絡(luò)編碼在有線和無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施中的細(xì)微差別；而業(yè)界必須能夠找出某種辦法，當(dāng)運(yùn)營(yíng)商把不同客戶的不同流量相互混合時(shí)，客戶到底應(yīng)該如何付費(fèi)。

Medard說(shuō)，她和其他研究人員一起正在考慮解決這些問(wèn)題的辦法，繼續(xù)探索改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)的各種途徑，以便讓網(wǎng)絡(luò)成為人類社會(huì)不可或缺的組成部分。

背景鏈接

值得我們自豪的是，網(wǎng)絡(luò)編碼的創(chuàng)始人是三位中國(guó)人，即中國(guó)香港中文大學(xué)息工程學(xué)系的李碩彥教授、楊偉豪教授和蔡寧博士。他們?cè)?000年合著的論文于2005年榮獲IEEE信息理論學(xué)會(huì)論文獎(jiǎng)。

網(wǎng)絡(luò)編碼理論是研究領(lǐng)域中的一項(xiàng)重要突破，自從首次提出以來(lái)，已迅速發(fā)展成一個(gè)重要的研究范疇，并對(duì)信息論、編碼、通信網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)交換理論、無(wú)線通信、計(jì)算機(jī)科學(xué)、密碼學(xué)、運(yùn)籌學(xué)、矩陣?yán)碚摰阮I(lǐng)域帶來(lái)了深遠(yuǎn)影響。網(wǎng)絡(luò)編碼已成為現(xiàn)今世界各地一流大學(xué)及工業(yè)實(shí)驗(yàn)室最熱門的研究領(lǐng)域之一，也是眾多國(guó)際研討會(huì)的熱門議題。

一直以來(lái)，網(wǎng)絡(luò)通信皆采用轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制以傳輸數(shù)據(jù)，概念近似郵遞系統(tǒng)。1997年，楊偉豪教授首先將編碼概念使用于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸。同年，李碩彥教授參與研究一般抽象網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)傳播與編碼的混合使用。網(wǎng)絡(luò)編碼帶給網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用一場(chǎng)模式革命。兩年前，微軟以網(wǎng)絡(luò)編碼作為核心技術(shù)開發(fā)出“雪崩”原型軟件。“雪崩”對(duì)于P2P通信的大規(guī)模內(nèi)容分發(fā)而言，傳送速度可高出BT20%~30%。由于P2P通信占互聯(lián)網(wǎng)帶寬的60%以上，所以研究人員估計(jì)，未來(lái)十年，網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)將會(huì)產(chǎn)生巨大影響，從計(jì)算機(jī)通信、無(wú)線通信到其他各類通信，都會(huì)廣泛地采用網(wǎng)絡(luò)編碼。