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网络编码研究所(深圳)

 深圳市网络编码关键技术及应用重点实验室

香港中文大学-西安电子科技大学综合业务网理论及关键技术国家重点实验室深圳先进交换与网络编码研究中心

 
 
一、网络编码研究所(深圳)简介
网络编码研究所(深圳)于2011年成立,是香港中文大学网络编码研究所在中国大陆的第一个分部。网络编码研究所(深圳)自成立伊始,通过贡献本研究团队的前沿科技成果,致力于将深圳乃至全国的高新科技创新能力提升至世界先进水平。本研究团队与国内外合作伙伴密切合作开展有关网络编码及其应用方面(如因特网、云服务、无线通信、信息存储、信息安全和生物信息学)的前沿课题研究,开展科研成果转化工作,努力建设与国内外学界紧密联系的网络编码研究中心。
   
2011年香港中文大学与西安电子科技大学在深圳共同建立了深圳先进交换和网络编码研究中心。该中心是网络编码研究所和综合业务网理论及关键技术国家重点实验室的关键技术联合研发基地。本中心结合双方在网络编码及代数交换领域的原创理论优势和综合业务网理论及技术的研发实力,在核心交换、网络编码、集成电路实现等工程技术研发方面开展科研合作,是承担国家重大科研、创新技术发明、掌握关键技术的重要平台。

2012年,网络编码研究所(深圳)在深圳市科技创新委员会深圳市创新环境建设计划支持下建立了深圳市网络编码关键技术及应用重点实验室。本重点实验室是网络编码研究所在深圳市建立的网络编码技术研发、成果转化、产业应用实验基地。

在科研成就方面,网络编码研究所(深圳)自成立以来,陆续开展深圳市科技计划、科技部港澳台合作专项、国家自然科学基金、973项目和中德科研合作等一系列重大科研项目,取得了一定的成绩。

在技术应用方面,网络编码研究所(深圳)建成了网络编码云存储原型示范系统、物理层网络编码原型系统和先进交换技术原型系统,成功证明网络编码相关技术的创新性和实用性。
 
二、 实验室简介
深圳网络编码关键技术及应用重点实验室
深圳网络编码关键技术及应用重点实验室由深圳市创新环境建设计划资金资助,于2012年正式成立,是香港中文大学网络编码研究所在深圳市建立的网络编码技术研发、成果转化、产业应用实验基地。本实验室研究方向属于重大科技和应用研究前沿,研究成果处于国际领先地位,具有明显的持续创新能力和创新成果转化能力。重点实验室研究方向包括NCDS网络编码数据存贮系统、PNC物理层网络编码、先进交换技术等,研究成果处于国际领先地位,具有明显的持续创新能力和创新成果转化能力,其成果不仅可用作大型、高端、有线与无线网络关键技术,亦可支撑云计算及云存贮等核心技术。凭借原创网络编码优势,本重点实验室致力于发展震撼性的网络编码创新技术,推进关键技术工程化、商业化和产业化进程。

重点实验室的长远目标是:增强科技创新能力,掌握自主关键技术,提升新一代信息技术产业的竞争优势,推动经济发展和培育高端优秀人才。

香港中文大学-西安电子科技大学
综合业务网理论及关键技术国家重点实验室
深圳先进交换与网络编码研究中心

代数交换理论和网络编码学科是最新前沿学科,揭示着下一代网络通信技术变革的来临,是新一代网络传输和交换核心技术重大突破。

深圳先进交换与网络编码研究中心是香港中文大学和西安电子科技大学联合建立的网络交换创新技术研发基地,其构成主体分別是网络编码研究所(Institute of Network Coding)和综合业务网理论及关键技术国家重点实验室(SKL-ISN, State Key Laboratory of Theory and Key Technologies of Integrated Service Networks)。这是世界顶尖学术理论研究和一流关键技术开发的资源整合与优势互补,是突破网络技术挑战和引领新一代网络核心技术发展的强强联合。

该研究中心重点发展代数交换及网络编码理论,是承担国家重大科研项目、创新技术发明、研发自主知识产权和核心技术的重要平台,将积极推动科研成果产业化,加快创新体系和创新圈的建设,共同打造具备国际先进水平的基础研究、技术创新和产业应用基地。
 
三、科研团队
(一)团队带头人

李硕彦教授

香港中文大学讲座教授IEEE院士,HKIE院士,网络编码理论创始人,香港中文大学网络编码研究所主任,教育部 “111” 创新引智计划北邮基地的学术大师。作为世界一流科学家,李硕彦教授兼任台湾国立清华大学荣誉讲座教授、北京大学深圳研究生院特聘教授、北京邮电大学顾问教授以及电子科技大学、哈尔滨工程大学、西南交通大学、西安电子科技大学诸校的名誉教授。
更多信息请见:http://www.ie.cuhk.edu.hk/people/bobli.shtml

杨伟豪教授

香港中文大学讲座教授,IEEE院士,HKIE院士,网络编码理论创始人,香港中文大学网络编码研究所主任,IEEE信息论学会的理事会委员和奖励委员会委员。杨教授同时还担任IEEE Hamming Medal(IEEE颁发的最高荣誉之一)遴选委员会委员。作为世界一流科学家,杨伟豪教授兼任西安电子科技大学的长江学者计划讲座教授,清华大学兼职教授,以及北京邮电大学顾问教授。
更多信息请见:http://www.ie.cuhk.edu.hk/people/raymond2.shtml

朱键

博士,研究员朱键博士于2002年从香港中文大学取得博士学位。朱键博士主要从事网络交换,网络编码,通信技术与系统研发。他于1998年起在美国硅谷和香港投身于创新发明、科研开发和创投实业多年,成功地领导、策划和实施多项通信系统和高端路由交换机核心芯片等高新技术项目。2000年至2004年,朱键博士担任Terapower公司总工程师,带领团队开发出世界上第一片0.25μ64GB代数交换芯片以及第二代0.13μ640GB ASIC芯片设计,并成功将其应用于ITRI的METRO大型交换项目。
朱键博士曾入围“2002年香港青年科学家奖”并多次获得科学进步奖。他拥有4项美国发明专利,其美国专利被美国Terapower公司和台湾工业研究院(ITRI)采用,获得极大成功。

(二)其他成员
刘绍强教授

教授,IEEE院士,HKIE院士,IET会士。刘绍强教授分别于1984年和1988年获得麻省理工学院学士、硕士及博士学位。1984-88年,刘教授于麻省理工学院实验室工作,1988年3月-1993年7月于Bellcore工作。刘教授是信息学界世界顶尖期刊IEEE Transactions on Wireless CommunicationsInternational Journal of Ad Hoc and Sensor Wireless Networks的编辑,并已在IEEE期刊出版超过150篇被多次引用的技术研究论文。他拥有9个美国专利。
刘教授主要从事无线通信和网络、互联网协议、多播通信和分封交换网络方面的研究,曾荣获IEEE MASS 2004以及IEEE WLN 2004论文奖。作为物理层网络编码创始人之一,刘教授及其团队将网络编码用于无线通信,该课题目前已获得多项世界第一的重要成果。
更多信息请见:http://www.ie.cuhk.edu.hk/people/soung2.shtml

李柏晴教授

博士,助理教授,主要从事网络编码,计算机科学,分布式系统,云计算与存贮研究。曾荣获2008年ACM CoNext和2011年IEEE TrustCom最佳论文奖。李教授于2008年获美国哥伦比亚大学博士学位,2001年和2003年分别获香港中文大学学士和硕士学位。作为一名才智超群的青年科学家,李教授作为项目主要承担者承担多项香港大型科研项目,如香港科技创新署资助港币$994,750的《网络编码分布式视频文件系统》“Network Coding Distributed Storage of Video Files”、由香港大学教育资助委员会资助港币$833,700的《通过并行化进行针对网络异常的实时流量检测:算法原始设计和可延伸实现》“Real-time Traffic Monitoring of Network Anomalies Through Parallelization: Algorithmic Primitive Design and Extensible Implementation”。
更多信息请见:http://www.cse.cuhk.edu.hk/~pclee/www/index.html

孙奇福

孙奇福博士分别于2005年和2009年在香港中文大学信息工程学系取得工程学士(甲等荣誉)及博士学位,随后于香港中文大学网络编码研究所担任博士后,并曾前往新南威尔士大学担任访问学者。目前,孙奇福博士在香港中文大学网络编码研究所(深圳)担任副研究员,并作为主要研究者承担国家自然科学基金青年项目。
孙奇福博士为多个国际会议和期刊(如IEEE Transactions on Information Theory,IEEE Communications Letters, IEEE ISIT and Netcod)担任审稿人。他研究领域包括网络编码、通信网络之代数建模和离散算法设计。
更多信息请见:http://personal.ie.cuhk.edu.hk/~qfsun/

 路璐:

博士,助理研究员,IEEE会员。2007年获得中国科学技术大学电子工程与信息科学专业工学学士学位,2012年获得香港中文大学信息工程学系博士学位。2012年起在香港中文大学网络编码研究所担任博士后研究员。主要从事无线通信、物理层网络编码和软件无线电技术研究。目前已在国际一流学术期刊与会议上发表多篇学术论文。
更多信息请见:http://personal.ie.cuhk.edu.hk/~lulu/

郝斌
 
郝斌,北京邮电大学博士,主要研究方向:内网安全、Ad Hoc网络群组密钥协商和基于虚拟化环境的数据安全存储等。


四、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。

五、研究成果
自2010年以来本团队成员发表具有代表性的学术期刊论文37篇、会议论文65篇、一部专题论文、两个著作章节。更多信息请就见:
期刊论文 http://www.inc.cuhk.edu.hk/research/journal-papers
会议论文 http://www.inc.cuhk.edu.hk/research/conference-papers
著作章节 http://www.inc.cuhk.edu.hk/research/book-chapters
专题论文 http://www.inc.cuhk.edu.hk/research/research-monograph

本团队目成员在相关领域拥有62项发明专利。其中美国专利发明56项 (仅李硕彦教授就拥有32项美国专利),已获授权发明专利44项,另外12项已发表尚待授权专利。以下列举数项较具代表性的专利:
已授权美国发明专利。本团队围绕网络编码核心关键技术,开发了网络编码云存贮应用示范系统和物理层网络编码关键技术示范系统,并结合代数交换和芯片设计技术,开发出世界上第一片0.25μ64GB代数交换芯片以及第二代0.13μ640GB ASIC芯片设计,并成功将其应用于ITRI的METRO大型交换项目。

六、技术应用:
技术攻关方面,凭借团队科研人员的不懈努力和钻研精神,网络编码云存贮应用示范系统、物理层网络编码应用示范系统和先进交换技术应用示范系统这三项网络编码关键技术应用示范系统成功于深圳搭建并投入使用,成功演示了网络编码关键技术的创新性,展现出网络编码技术产业化前景。同时,团队人员也开发出基于网络编码理论的一系列创新技术,目前已取得一定进展。

基于网络编码的分布式数据存储(NCDS
Distributed Data Storage using Network Coding (NCDS)
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著进展,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。
---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。
---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。
---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。

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。

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。

批量稀疏码Batched Sparse CodeBATS 码)
杨伟豪教授与他的博士后于2010年提出了批量稀疏码(Batched Sparse Code)。喷泉码(Fountain Code)和随机线性网络编码均为BATS码的特例。这些都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络设备的组件。
网络纠错码Network Error Correction Code
 
基于网络编码,杨伟豪教授与合作者将研究超过60年的经典代数编码理论扩展至网络。网络纠错码在时间和空间均加入冗余,因此其可以纠正网络恶意节点所注入的错误,从而比传统的点到点纠错更强大。
 
安全网络编码Secure Network Coding
基于网络编码,杨伟豪教授与合作者将密码学中研究超过30年的密钥共享问题扩展至网络。与本质上为点到点的传统密码学技术相比,安全网络编码可以在网络层而不是链路层来提供保密。
 
基于交换代数的网络编码理论Network coding theory via commutative algebra
基于有限域的线性网络编码是网络编码中一类最基本的形式。为避免信息在环路传输中产生死环问题,它主要应用于无环网络中。卷积网络编码是基于有限域的线性网络编码的一种扩展。除了有限域上的运算,卷积网络编码还将信息传输中时间维度的参量—时延—也纳为编译码的一部分。基于此特性,卷积网络编码有效地解决了有环网络中信息传输的死环问题,从而保证了信息可以在网络环路中有因果的传输。尽管基于有限域的线性网络编码与卷积网络编码有着不同编译码运算,李硕彦教授与孙奇福博士用一套抽象代数的模型将它们统一起来。通过主理想整环的交换代数结构以及正规码的概念,一套广义线性网络编码理论被建立起来。它不仅大大丰富了可用于建模网络编码数据单元的代数结构,还为线性网络编码在各类网络中的不同应用提供了基础的理论模型。

分布式存储中的再生码Regenerating Codes for Distributed Storage Systems
分布式存储是云端系统中的一个重要环节。通过有效地加入冗余,系统的容错功能可以相应地提高。但是在分布式储存系统中,当某个存储节点失效之后,如果我们用传统的纠错码修复失去的数据,所需求的传输数据会比较大。近年,Dimakis等人利用网络编码的方法去减小了所需的修复带宽,和引入再生码的基本概念。再生码有关的理论分析,如多节点合作修复再生码、具安全性的再生码、磁盘读写复杂度最低的再生码等,都可写成信息流图的最大流的计算。再生码看可看作为一个离散控制的问题。对于所有可能出现的节点失效次序,我们要把分布式存储系统的状态控制在一定的范围内,令所有数据收集者都可以恢复原始的数据。要找到最优的编码策略,则需要利用组合优化理论中的数学工具。


团队成员近5年所获多项重要奖项和荣誉:
杨伟豪教授 (实验室主任,学术带头人)
−          Friedrich Wilhelm Bessel Research Award, Alexander von Humboldt Foundation (Germany), 2007
−          2005 IEEE Information Theory Society Paper Award
−          Best Paper Award (Communication Theory), 2004 International Conference  on Communications, Circuits and Systems
−          Adjunct Professor, Tsinghua Univeristy
−          Changjiang Professor, Xidian University
−          Advisory Professor, Beijing University of Post and Telecommunication
−          Croucher Senior Research Fellow (Hong Kong)
−          Fellow of IEEE and HKIE
李硕彦教授 (实验室首席科学家,学术带头人)
−          2005 IEEE Information Theory Society Paper Award
−          “111 Great Master of Science” for the IGAT Program of China
−          Honorary Professor at 5 universities in China
−          Fellow of IEEE and HKIE
刘绍强教授 (学术带头人)
−          Best Paper Award, IEEE MASS 2004
−          Best Paper Award, IEEE WLN 2004
−          Fellow of IEEE, IEE, and HKIE