基于循环置换矩阵的网络编码的方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种基于循环置换矩阵的网络编码的方法及系统，设计一个在二进制域内的ZD-MDS(n,k)码，即具有MDS性质并采用zigzag解码（ZD）技术。编码过程包括：第一步，将原始的消息分成k个等长数据包；第二步，采取系统码框架，，…,为k个原始非编码包，包含了所有的原始消息。本发明专利技术的有益效果是：通过循环置换矩阵T，在二进制域中对消息元素进行编码，使其满足MDS（n,k）性质；通过巧妙移位后异或运算使得zigzag（锯齿形）解码，降低了解码复杂度；另外，在编码过程中，校验编码包的额外冗余开销都是bit，既节省了存储空间，又使得每个存储节点的额外开销保持对称。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及计算机
，尤其涉及基于循环置换矩阵的网络编码的方法及系 统。
技术介绍
随着云计算的快速发展，网络编码在分布式存储系统中的应用引起了广泛的关 注。网络编码能节省存储空间，减少数据修复的网络拥塞。近年来，MDS性质广为网络编码 采用并可以提供稳定可靠的数据存储及对抗硬盘损坏。 为了最大能力容忍失效存储节点数量，具有MDS性质的码应用广泛。最大距离可 分（MDS)性质是将k个分组的原数据映射到η(η多k)分组数据，其中这η个数据中任意k 个都可以完全重建原η个分组数据。即原始信息流被拆分成k个等长的数据包并被编码成 η个数据包，这η个数据包中的任意k个都可以恢复原始信息。言外之意，只要剩余完好节 点个数不少于k个即可恢复原有的 索罗门（RS)码是具有MDS性质的一种码，被广泛应用于网络编码的分布式存储系 统中。RS码的缺陷在于它的编解码操作应用在高进制有限域，需要复杂的编码和解码技术， 需要解码时间长，能耗高。高进制域的解码复杂度高，因此现大量工作都集中在二进制网络 编码和锯齿（zigzag)解码。 zigzag解码：在二进制域中锯齿形解码，将解码中的三次方运算变成了线性运 算，降低了运算复杂性。zigzagdecode(ZD)码，采用二进制域中的zigzag解码，但按照他 们的编解码方法，存在如下的缺陷：（1)需要更多的存储空间，数据越长，编码块需要的存 储空间更多，如果是（n，k)码需要的额外存储空间为（n-k) (k-Ι)，如果存储数据够大，需要 消耗的额外存储空间大；（2)对于不同的存储节点，存储空间是非对称的，使得云存储的设 计师很难分配存储空间来存储客户数据。
技术实现思路
为了解决现有技术中的问题，本专利技术提供了一种基于循环置换矩阵的网络编码的 方法。 -种基于循环置换矩阵的网络编码的方法，编码过程包括如下步骤： 第一步，将原始的消息分成k个等长数据包，分别用(^，C2，…，Ck表示，各个数据 包长度为L，其中Q中的数据元素{〇，1}表示Ci中的第j位，ie{l，2,3，...，k}，j e{0, 1, 2,...,L-l}； 第二步，采取系统码框架Q，C2，…，(；为k个原始非编码包，包含了所有的原始消 息，它是后n_k个校验编码包的基础； 第二步，编码fe验码块，后n_k个称为校验编码包，用Ck+1,Ck+2,. . .，(^表不，由前k 个非编码包移位后逐位异或生成的码字构成。 作为本专利技术的进一步改进，为了保证zigzag解码和MDS性质，应用循环置换矩阵 T，将非编码包中的每一个元素都按矩阵行向量右移指定位，然后将右移后的元素按列逐位 异或。 作为本专利技术的进一步改进，每一个非编码元素按行向量右移的指定位如循环置换 矩阵Τ表示，矩阵中第（i，j)个元素表示对编码包C1+k中的第j行元素右移指定位，通过此 规则完成对C1+k的编码，ie{1，2, 3,...，n-k}，je{1，2, 3,...，k}。 作为本专利技术的进一步改进，在循环置换矩阵T中，任意行或者列都没有相同的数 字；在循环置换矩阵T中，任意两列的差所包含的元素都不相同。 作为本专利技术的进一步改进，循环置换矩阵T在η为最大值2k时如下k*k矩阵；当 η小于2k时，任意取k行中的n-k行，构成矩阵为（n-k)*k矩阵。该k*k矩阵T为： 本专利技术还提供了一种基于循环置换矩阵的网络编码的系统，包括： 分割模块，将原始的消息分成k个等长数据包，分别用心，C2，…，Ck表示，各个数 据包长度为L，其中Q中的数据元素{〇，1}表示Ci中的第j位，ie{l，2,3，...，k}， je{〇, 1，2, · · ·，L-l}; 处理模块，用于采取系统码框架，采取系统码框架，（；，(：2，…，CkSk个原始非编 码包，包含了所有的原始消息，它是后n-k个校验编码包的基础； 生成模块，用于编码fe验码块，后n_k个称为校验编码包，用Ck+1,Ck+2,. . .，(^表不， 由前k个非编码包移位后逐位异或生成的码字。 作为本专利技术的进一步改进，为了保证zigzag解码和MDS性质，应用循环置换矩阵 T，将非编码包中的每一个元素都按矩阵行向量右移指定位，然后将右移后的元素按列逐位 异或。 作为本专利技术的进一步改进，每一个非编码元素按行向量右移的指定位如循环置换 矩阵T表示，矩阵中第（i，j)个元素表示对编码包C1+k中的第j行元素右移指定位，通过此 规则完成对C1+k的编码，ie{1，2, 3,...，n-k}，je{1，2, 3,...，k}。 作为本专利技术的进一步改进，在循环置换矩阵T中，任意行或者列都没有相同的数 字；在循环置换矩阵T中，任意两列的差所包含的元素都不相同。 作为本专利技术的进一步改进，循环置换矩阵T在η为最大值2k时如下k*k矩阵；当 η小于2k时，任意取k行中的n-k行，构成矩阵为（n-k) *k矩阵。该k*k矩阵T为： 本专利技术的有益效果是：在本专利技术中，通过循环置换矩阵T，在二进制域中对消息元 素进行编码，使其满足MDS(n，k)性质；通过巧妙移位后异或运算使得可zigzag解码，降低 了解码复杂度；另外，在编码过程中，校验编码包的额外冗余开销都bit，既节省了 存储空间，又使得每个存储节点的额外开销保持对称。【附图说明】 图1是本专利技术的ZD-MDS(10,5)码编码图。 图2是本专利技术的ZD-(10, 5)码解码方法图。 图3是zigzag解码原理示意图。【具体实施方式】 本专利技术公开了一种基于循环置换矩阵的网络编码的方法及系统，在该方法中，设 -Η个ZD-MDS(n,k) (k>4,k<η< 2k)码，编码过程包括如下步骤： 第一步，将原始的消息分成k个等长数据包，分别用心，C2，…，Ck表示，各个数据 包长度为L，其中Q中的数据元素{〇，1}表示q中的第j位，ie{l，2,3，...，k}，j e{0, 1, 2,...,L-l}； 第二步，采取系统码框架Q，C2，…，(；为k个原始非编码包，包含了所有的原始消 息，它是后n_k个校验编码包的基础； 第二步，编码fe验码块，后n_k个称为校验编码包，用Ck+1,Ck+2, . . .，(^表不，由前k 个非编码包移位后逐位异或生成的码字构成。 详细的编码构造： 这一部分，将详细介绍ZD-MDS(n，k) (k>4,k彡η彡2k)码的编码构造，详细介绍如 何使用CpC2，…，(；这k个非编码包构成Ck+1，Ck+2,. . .，Cn这n-k个校验编码包的详细过 程。 为了保证zigzag解码和MDS性质，应用循环置换矩阵T，将非编码包中的每一个元 素都按矩阵行向量右移指定位，然后将右移后的元素按列逐位异或。 每一个非编码元素按行向量右移的指定位如循环置换矩阵T表示，矩阵中第（i， j)个元素表示对编码包C1+k中的第j行元素右移指定位，通过此规则完成对C1+k的编码， iε{1，2, 3, · · ·，n_k}，jε{1，2, 3, · · ·，k} 〇循环置换矩阵中T，第一行（0，1，3,6，10，···，）表示校验编码包Ck+1中的结 构元素cjlj(^分别右移0,1，3,6,10,…，可以看出，每一行和每一列的元素本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于循环置换矩阵的网络编码的方法，其特征在于，编码过程包括如下步骤：第一步，将原始的消息分成k个等长数据包，分别用C1，C2，…,Ck表示，各个数据包长度为L，其中Ci中的数据元素Si,j∈{0,1}表示Ci中的第j位，i∈{1,2,3,...,k},j∈{0,1,2,...,L‑1}；第二步，采取系统码框架C1,C2，…,Ck为k个原始非编码包，包含了所有的原始消息，它是后n‑k个校验编码包的基础；第三步，编码校验码块，后n‑k个称为校验编码包，用Ck+1,Ck+2,...,Cn表示，由前k个非编码包移位后逐位异或生成的码字构成。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：代明军，卢泽鑫，沈丹，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：广东;44