内部登陆 | 研究院邮箱 | 中大邮箱   中文 | English   联系我们
站内搜索
网络编码及其关键技术 您当前的位置:首页 > 产业发展

 


网络编码关键技术
 

一、科研技术所涉及领域
网络编码是一个通用的概念,适用于任何具有网络特性的通信或存储问题,具有十分广泛的应用前景。目前在信息科学的许多领域,网络编码都已得到广泛应用,相信在未来的20年内,网络编码将被广泛应用于无线通信、数据软件、网络安全等领域,有学者预言,网络编码在未来将会为生物医药、环境保护、能源电力等领域发挥极其关键的作用。

研究方向
围绕网络编码理论、技术及应用这条主线,针对信息科学和网络编码研究前沿课题,解决影响网络发展的科学问题。具体研究方向包括:
• 网络信息论:我们着眼于发展一套基于网络编码框架的现代通信理论,其内容涵盖数据通信、信道编码、信息安全等。具体的研究课题包括:多用户信息论、多信源网络编码、线性及卷积网络编码、非香农型不等式以及图论等。

• 云存储:网络编码是云存贮的关键技术之一。其有助于解决数据共享阻塞、数据存贮备份恢复以及可靠性问题。我们已经建立了一套基于网络编码的分布式文件系统(NCFS),用于证明网络编码对分布式数据存储的好处。我们的目标是开发出基于网络编码的可以处理实时应用以及大规模内容分发的云存储系统。

• 无线网络:网络编码可以显著地提高无线网络的容量。本团队提出的物理层网络编码可以进一步提高该增益。我们已经开发出第一代软件无线电原型来示范物理层网络编的原理。物理层网络编码技术的研发还处于起步阶段。我们着眼于发展最终可应用于商业产品的物理层网络编码技术。

• 网络交换:网络编码可以潜在地应用于交换系统以提高吞吐量。然而,现有交换结构中的数据多播传输(multicast)是通过多次单播(multi-unicast)来实现的,因此网络编码的优势在这种环境下并不能充分发挥。我们着眼于发展一套综合网络编码与交换系统的理论框架从而解决该问题。

• 批量稀疏码(BATS码):我们提出了BATS编码。喷泉码和随机线性网络编码均为BATS码的特例。BATS码是在多跳丢包网络中可达到容量的高效编码。与传统技术相比, BATS码可以有效地防止网络中时延的累积与信息包丢失。它有潜力成为所有下一代网设备的组件。
 
二、产业化方向及情况

1. 基于网络编码的分布式数据存储(NCDS)(Distributed Data Storage using Network Coding) 
网络编码分布式视频文件存储系列项目由本团队李柏晴教授领导,主要侧重于突破传统存储系统局限,研究网络编码数据存储的可行性,实现实时数据修复操作并节省存储空间。这一系列项目不断取得显着进展,因此,2011年7月,网络编码研究所在该系列项目的成功基础上举办了第一届网络编码与数据存储研讨会(NCDS 2011),获得学界及业界的热烈反响。

(1)NCFS网络编码文件存储系统
网络编码文件存储系统是基于网络编码的分布式文件存储系统的概念证明原型机。NCFS是目前世界上第一台在实际分布式存储系统内实现节点修复的原型机。目前该项目团队与香港电视广播有限公司(TVB)合作,开发了视频文件之网络编码分布式存储(NCVFS)技术,不但实现了与传统RAID(独立磁盘备援阵列)代码同级别的可靠性,还大幅减少了数据修复流量,使系统可靠性有了显着改善。NCVFS技术前景广阔,可应用于不同领域/行业从而支援整个数据储存工业发展。

(2)NCCloud网络编码云存储
网络编码云存储是基于网络编码文件系统研发的概念证明原型机,旨在为使用多重云(或其它原始存储装置)存储文件时提供容错和减少数据修复成本的数据存储模式。该原型机显示网络编码云存储能在实际的云存储环境下无需在云存储节点上进行任何编码/解码即可修复节点。

(3)FMSR-DIP功能性最小存储再生码-数据完整性原型
FMSR-DIP是旨在当今云存储平台上提供数据完整性保护的概念原型系统。再生码是在最近的研究中提出的一种纠删码,与传统编码如罗门码相比,FMSR再生码能以较少的数据下载量修复失败的节点。FMSR再生码是一种最大距离可分的再生码。FMSR-DIP利用数据检查功能使得存储的数据能够以灵活的方式被取样抽查,使FMSR再生码增加,而无需再文件下载或恢复时增加其传输需求。简而言之,我们的工作使得FMSR再生码具备一个有效的数据完整性检查能力,能够在无需减少使用再生码的好处的同时提供更完备的数据保护解决方案。

2. 物理层网络编码( Physical-layer Network Coding)
物理层网络编码是由本团队刘绍强教授及其学生于2006年首创。PNC的核心理念是利用无线信道在物理层的广播特性,将网络编码(NC)技术应用于直接叠加的电磁波(EM Wave)上。物理层网络编码目前已经成为网络编码研究领域的一个重要组成部分。物理层网络编码正不断得到相关领域研究人员的重视,特别是最近几年许多核心学术期刊都刊发了关于PNC技术研究的特刊。

2011年3月,刘绍强教授的研究团队率先开发了物理层网络编码的原型机,并且成功进行了演示实验,这是物理层网络编码技术的首次实现。2012年7月,该原型系统于香港中文大学召开的第一届软件无线电实现研讨会(SRIF 2012)进行成功的实时演示。该物理层网络编码原型机在频域基于正交频分复用OFDM技术实现。基于此次PNC原型机的成功开发,刘教授的团队还指出并解决了以前在理论上很难发现的应用问题;这些发现也极大地拓展并丰富PNC的理论研究范围。基于此前完成的物理层(PHY)原型机的实验,研究团队正致力于开发一个无线信道接入技术(MAC)来协调不同节点之间的同时信道接入问题。

我们有理由相信在不远的将来,PNC可以应用于最新的商业通信系统中,例如802.11 WiFi网络和4G LTE网络。

3. 先进交换技术 (Advanced Switching Technology)
随着大数据时代对宽带需求的增长,网络前沿技术的瓶颈已不再是传输带宽,而是交换带宽。创新的代数交换和网络编码技术借助与生俱来的精巧自主路由、无限扩展性、完全分布控制、多播支持等特质,以及在ASIC上的成功验证和实现,展现了新一代交换技术的最新突破。

在先进交换理论和业界应用之间存在巨大的工程技术鸿沟。该项目将朱键博士和李硕彦教授从抽象理论中取得的创新发明联接到实际应用中。为了实现这个目标,许多工程制约因素必须均衡考虑,除了所有代数交换功能的实现外,还包括性能保障、性价比、硅工艺、可行性、适用性、封装和功耗等等。本项目已经取得4项美国授权专利发明,形成相应的资助知识产权技术并成功开发出64Gb的ASIC芯片。

由代数交换ASIC芯片构成的原型系统验证了代数交换创新技术带来的线速直通、自主路由决策、多播和优先级处理等关键突破,其性能指标非常接近理论水平。

该项目成果已经成功用于ITRI大型城域交换(Metro Switching)项目,成为其中最重要的核心技术。
   
我们一直坚持理论研究、技术开发、成果转化并重,致力于加强与产业界的科技交流与合作,与国内外知名科技企业如Cisco、微软、华为、中兴、宝德、金宏威、超算中心等开展一系列关键技术研发和成果转化的合作交流,推动信息产业的结构优化升级,提升新一代信息技术产业的竞争优势。

例如我们的团队成员同思科Cisco、谷歌Google、微软Microsoft、高通Qualcomm也开展过多项基于网络编码应用技术合作研发,并且得到它们提供的研究基金。我们的团队还同TVB电视台(香港最大的电视广播公司,是建有世界上最大视频资料库的电视广播公司之一)合作,将我们已有基于网络编码的文件系统(NCFS原型)系统开发成“网络编码视频文件系统 (NCVFS)”,用于提供大规模在线视频流数据服务。目前,该技术正在香港及内地知名高校推广应用。




李硕彦教授集其近二十年研究成果之大成所著权威巨著:“Algebraic Switching Theory and Broadband Applications”一书,完全摒弃传统交换系统的直觉思维与机械历年,将交换的实质演绎为完备的抽象代数理论,在抽象数学和工程技术间搭建起极其利于创新发明的桥梁。
 

  • 图为李硕彦教授(中)及杨伟豪教授(右)于2005年荣获IEEE信息论学会论文奖,这是20年来首次由亚洲学者获此殊荣。


  • 图为网络编码蝴蝶网概念图