[发明专利]具有网络编码功能的路由器和基于网络编码的组网方法

说明书

技术领域

本发明属于路由器与组网技术领域，具体涉及一种具有网络编码功能的路由器的新型体系结构与基于网络编码的组网方法。

背景技术

网络编码(network coding)可用来提高群组通信的网络吞吐率和系统稳定性[1]。在采用网络编码的对等网络(P2P，peer to peer)分发系统中，端节点可在应用层构建覆盖网络(overlay)，利用自身的存储和计算能力进行网络编码，并转发编码数据。覆盖网络上的网络编码，不需要对IP路由器做任何修改，因而实用可行且具有灵活性。

但是，覆盖网络的网络编码尚不能达到或接近理论的吞吐率(throughput)上界，主要原因是覆盖网络上的每条连接通常横跨多个物理链接，而多条覆盖网络上的连接也可能共用一个物理链接，端节点通常不能清楚物理链接和网络拓扑的特性，存在网络吞吐率低于预期、端节点性能无法保障和编解码累计开销大等问题。

本发是提出的具有网络编码功能的路由器的新型体系结构可以比较好地解决这些问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种具有网络编码功能的路由器和基于网络编码的组网方法，以便能提升网络吞吐率和降低编解码开销；并设计、实现路由器上网络编码的数据分发原型系统。

路由器上网络编码是指在单信源(source)多信宿(sink)组播网络上的路由器节点中进行编码，其主要特征是在网络层上对IP有效负载(payloads)进行编码。具体来说，支持网络编码的路由器之间的互联系统是由信源主机、信宿主机、路由和组播系统所构成的。先在与信源主机相连的路由器上，对于到达的数据报(incoming packet)进行分割和编码。数据报的不同片段被转发到不同的网络分支(branch)，并在之后经过的路由器上，进行编码或者解码。最终信宿主机将收到这些数据报。所有这些处理都是对信源主机和信宿主机透明的。

本发明提出的路由器上支持网络编码，主要包括以下三个方面的内容。

(1)设计具有网络编码功能的路由器体系结构

现有Internet路由器不支持网络编码功能。而要使路由器上支持网络编码，需要在现有路由器的硬件结构、路由协议和组管理协议的基础上，增添一些相应的编码模块。但是为了降低设计复杂度和提高总体性能，这些编码模块必须适当地集成到现有路由器中，与原来的模块有机地结合。

本发明设计的具有网络编码功能的路由器，其结构如图2所示，在路由器的背板交换结构(switch fabric)13上连接若干块线卡(line card)18。每块线卡18由直接存储器存取模块14、路由高速缓存15、内存16和介质访问控制模块17组成，与传统的路由器相比，原来的模块基本不变，只增加了编码算法12和编码策略模块9两个模块，相应地也增加了这两个模块与原来的模块之间的交互接口。

图2中模块之间的交互接口用带有箭头的直线来表示。在原有接口的基础上，新增的接口包括：编码策略模块9与路由高速缓存15之间的接口19，用于编码策略的选择和路由选择；编码算法模块12与线卡的内存16之间的接口，用于对保存在线卡内存中的IP数据包进行编码计算。

而原有的接口基本保持不变，原有的接口包括：路由处理器10与路由高速缓存15之间的接口；路由处理器10与背板交换结构13之间的接口；共享内存11与交换结构13之间的接口；直接存储器存取模块14与交换结构13之间的接口；介质访问控制模块17与路由器外部的传输媒介之间的接口；等等。

编码算法模块12用于对路由器上需要编码的IP数据包进行处理执行运算，产生新的IP数据包。而编码策略模块9则用于判断一个IP数据包是否有编码处理的需要，并配合路由处理器10一起完成对IP数据包的路由选择，这是因为基于编码的路由选择与传统的路由选择之间有着一定的差异。这两个模块的执行流程请参见下文的“基于网络编码的路由器的三个功能”(图8)。

这两个模块可以在网络处理器(NP，network processor)上以嵌入式的方式来实现。采用网络处理器来实现，可以提供类似通用CPU的强大编程能力，同时又具有ASIC处理数据包的高速度。这样可以缩短开发周期，保护硬件投资。

从路由器的介质访问控制模块17上到达的数据包，首先存放在线卡的内存16中，由编码策略模块9与路由处理器10一起决定这个数据包是否需要编码处理以及转发的方向，即应该传送到哪一块线卡上。如果需要编码处理，则由编码算法模块12进行处理。处理完成后，这个数据包被转发到其它指定的线卡上，最后通过与本路由器相连的外部传输链路而发送出去。