基于隨機線性網(wǎng)絡(luò)編碼的傳輸控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于多媒體信息傳輸領(lǐng)域，特別涉及一種改進的傳輸控制協(xié)議TCP，可用于 在高誤碼率鏈路下提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。
【背景技術(shù)】
[0002] TCP是一種面向連接的，提供可靠字節(jié)流服務(wù)的傳輸層通信協(xié)議。它能夠保證數(shù)據(jù) 的正確傳輸，并且在鏈路可靠的情況下具有很高的吞吐量，因此被廣泛應(yīng)用于文件傳輸協(xié) 議FTP、超文本傳輸協(xié)議HTTP等網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸中。但由于TCP具有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流的控制機 制，使得其在高誤碼率網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用受到限制。TCP的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流控制機制主要包括流量控 制和擁塞控制。流量控制是指通過滑動窗口來控制發(fā)送端的數(shù)據(jù)發(fā)送區(qū)間，防止由于發(fā)送 速率和接收速率不匹配而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失；擁塞控制是指TCP連接根據(jù)網(wǎng)絡(luò)擁塞程度動態(tài) 調(diào)整網(wǎng)絡(luò)資源，防止過多數(shù)據(jù)流注入網(wǎng)絡(luò)中導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)鏈路過載。其中，網(wǎng)絡(luò)擁塞是指網(wǎng)絡(luò)中 存在過量的數(shù)據(jù)包使中間節(jié)點路由器存儲溢出，產(chǎn)生信息丟失導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能降低。當(dāng)TCP 檢測到網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時，就會通過流量控制和擁塞控制機制降低數(shù)據(jù)包發(fā)送速率以迅速降 低網(wǎng)絡(luò)中的吞吐量。但若將TCP應(yīng)用于高誤碼率網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)一旦發(fā)生丟包，TCP就會按照 網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞的情況進行處理，致使網(wǎng)絡(luò)吞吐量急劇下降，而網(wǎng)絡(luò)丟包的情況下應(yīng)該盡量 加大發(fā)送端的發(fā)送速率才能保持系統(tǒng)的吞吐量維持在較高水平上。因此TCP在無線網(wǎng)絡(luò)等 高誤碼率網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用受到了限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于針對以上現(xiàn)有傳輸控制協(xié)議TCP的問題，提出一種基于隨機線 性網(wǎng)絡(luò)編碼的傳輸控制方法，以在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞或丟包情況下無需重傳指定序號的數(shù)據(jù) 包，增大高誤碼率下數(shù)據(jù)包的傳輸速率，有效提高在高誤碼率下網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的：
[0005] 網(wǎng)絡(luò)編碼理論基礎(chǔ)指出，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點通過對傳輸?shù)男畔⑦M行編碼和解碼操作， 可以有效地縮短信息傳輸所需要的時間，減少節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的次數(shù)，從而實現(xiàn)提高網(wǎng)絡(luò)吞 吐量和降低能耗的目的?；谶@種思想，本發(fā)明利用隨機線性網(wǎng)絡(luò)編碼對TCP進行改進，使 其能夠適用于誤碼率較高的網(wǎng)絡(luò)中。其技術(shù)思路是通過對TCP分組好的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包進行拆 分、隨機線性網(wǎng)絡(luò)編碼以及重新組裝等方式，實現(xiàn)TCP在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞或丟包情況下的數(shù) 據(jù)傳輸。
[0006] 根據(jù)上述思路，本發(fā)明的技術(shù)步驟包括如下：
[0007] (1)在發(fā)送端和接收端的傳輸控制協(xié)議TCP層與網(wǎng)際協(xié)議IP層之間加入網(wǎng)絡(luò)編碼 NC層；
[0008] (2)發(fā)送端的網(wǎng)絡(luò)編碼NC層對傳輸控制協(xié)議TCP的數(shù)據(jù)包進行分組隨機線性網(wǎng)絡(luò) 編碼，并發(fā)送到本端的網(wǎng)際協(xié)議IP層；
[0009] (3)接收端的網(wǎng)絡(luò)編碼NC層從本端的網(wǎng)際協(xié)議IP層接收已經(jīng)編碼的數(shù)據(jù)包，對這 些數(shù)據(jù)包依次進行應(yīng)答和分組解碼，并提交給傳輸控制協(xié)議TCP層。
[0010] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點：
[0011] 1、本發(fā)明由于對傳輸控制協(xié)議TCP數(shù)據(jù)包進行隨機線性網(wǎng)絡(luò)編碼，因而復(fù)雜度 低，編碼速度快。
[0012] 2、本發(fā)明由于根據(jù)傳輸控制協(xié)議TCP數(shù)據(jù)包的不同類型進行相應(yīng)的應(yīng)答，使接收 端能夠接收到足夠的編碼包，無需對信道中的丟包處理，有效地提高了在高誤碼率鏈路下 網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。
[0013] 3、本發(fā)明由于對接收端收到的編碼數(shù)據(jù)包進行分組解碼，其復(fù)雜度低，解碼速度 快，準(zhǔn)確度高。
【附圖說明】
[0014] 圖1是本發(fā)明的實現(xiàn)流程圖。
[0015] 圖2是本發(fā)明中的隨機線性網(wǎng)絡(luò)編碼示意圖。
[0016] 圖3是本發(fā)明中的應(yīng)答示意圖。
[0017] 圖4是本發(fā)明中的解碼示意圖。
[0018] 圖5是在單跳網(wǎng)絡(luò)場景下本發(fā)明和傳輸控制協(xié)議TCP的吞吐量與誤碼率的關(guān)系 圖。
[0019] 圖6是在多跳網(wǎng)絡(luò)場景下本發(fā)明和傳輸控制協(xié)議TCP的吞吐量與誤碼率的關(guān)系 圖。
【具體實施方式】
[0020] 以下參照附圖對本發(fā)明進行詳細描述：
[0021] 參照圖1，本發(fā)明基于隨機線性網(wǎng)絡(luò)編碼的傳輸控制方法，包括以下步驟：
[0022] 步驟1 :在發(fā)送端和接收端的傳輸控制協(xié)議TCP層與網(wǎng)際協(xié)議IP層之間加入網(wǎng)絡(luò) 編碼NC層。
[0023] 步驟2 :發(fā)送端的網(wǎng)絡(luò)編碼NC層對傳輸控制協(xié)議TCP的數(shù)據(jù)包進行分組隨機線性 網(wǎng)絡(luò)編碼，并發(fā)送到本端的網(wǎng)際協(xié)議IP層。
[0024] 參照圖2,本步驟的具體實現(xiàn)如下：
[0025] 2a)發(fā)送端將傳輸控制協(xié)議TCP層到達網(wǎng)絡(luò)編碼NC層的數(shù)據(jù)包進行緩存，當(dāng)緩存 區(qū)的數(shù)據(jù)包個數(shù)達到N時，則將這N個數(shù)據(jù)設(shè)為一個分組，N為預(yù)先規(guī)定的秩的個數(shù)；
[0026] 2b)取出上述分組中的原始TCP數(shù)據(jù)包包頭，并緩存；
[0027] 2c)發(fā)送端產(chǎn)生編碼核，S卩長度為N的一個隨機向量，該隨機向量中的每一個值都 是在伽羅華域中隨機生成的；
[0028] 2d)在伽羅華域下，將該隨機向量中的第n個隨機數(shù)與該上述分組中第n個數(shù)據(jù)包 進行相乘，并將得到的結(jié)果相加，其中n<N;
[0029] 2e)將編碼核與2d)中得到的計算結(jié)果作為數(shù)據(jù)進行重新打包，并依次加上2b)中 所緩存的TCP頭部，一起發(fā)送到本端的網(wǎng)際協(xié)議IP層，返回到步驟2a)，直至所有數(shù)據(jù)被編 碼。
[0030] 步驟3 :接收端的網(wǎng)絡(luò)編碼NC層從本端的網(wǎng)際協(xié)議IP層接收已經(jīng)編碼的數(shù)據(jù)包， 對這些數(shù)據(jù)包依次進行應(yīng)答和分組解碼，并提交給傳輸控制協(xié)議TCP層。
[0031] 3a)對已經(jīng)編碼的數(shù)據(jù)包進行應(yīng)答：
[0032] 參照圖3,本步驟的具體實現(xiàn)如下：
[0033] 3al)接收端將收到的編碼包存入解碼緩存區(qū)，并判斷該編碼包是否屬于當(dāng)前解碼 指針指向的解碼包分組：
[0034] 若新到達的編碼包屬于當(dāng)前解碼指針?biāo)赶虻慕獯a包分組，則檢查該分組編碼包 的個數(shù)是否為N，若為N則進行解碼，并且將解碼成功的分組提交給傳輸協(xié)議TCP層，執(zhí)行步 驟 3a2);
[0035] 若新到達的編碼包不屬于當(dāng)前解碼指針?biāo)赶虻慕獯a包分組，則執(zhí)行步驟3a4);
[0036] 所述解碼指針，是指指向當(dāng)前沒有解碼的編碼包分組的整數(shù)；
[0037] 3a2)將解碼指針指向下一個解碼包分組，并判斷解碼指針指向的分組中數(shù)據(jù)包的 個數(shù)是否為N，若為N，則繼續(xù)將解碼指針指向下一個解碼包分組，直至其所指向的解碼包 組不為N，執(zhí)行步驟3a3);
[0038] 3a3)接收端向發(fā)送端發(fā)送重傳編碼包的信息，其中需要重傳的個數(shù)為N減去當(dāng)前 解碼指針?biāo)赶虻慕獯a包組中數(shù)據(jù)包的個數(shù)；
[0039] 3a4)開辟新的解碼緩存區(qū)，將接收到的數(shù)據(jù)包緩存到新的解碼緩存區(qū)，返回到步 驟 3al)。
[0040] 3b)對已經(jīng)編碼的數(shù)據(jù)包進行分組解碼：
[0041 ] 參照圖4,本步驟的具體實現(xiàn)如下：
[0042] 3bl)接收端收到數(shù)據(jù)包后先進行解碼緩存至解碼端非線性相關(guān)的編碼包數(shù)達到 N時，將這N個數(shù)據(jù)包設(shè)置為一個解碼分組；
[0043] 3b2)接收端網(wǎng)絡(luò)編碼NC層提取上述解碼分組中數(shù)據(jù)包的TCP頭部，放入緩存中；
[0044] 3b3)接收端網(wǎng)絡(luò)編碼NC層再將經(jīng)步驟3b2)后剩余的數(shù)據(jù)部分化成一個分組矩陣 C：
【主權(quán)項】
1. 一種基于隨機線性網(wǎng)絡(luò)編碼的傳輸控制方法，其特征在于，包括如下步驟： (1) 在發(fā)送端和接收端的傳輸控制協(xié)議TCP層與網(wǎng)際協(xié)議IP層之間加入網(wǎng)絡(luò)編碼NC 層； (2) 發(fā)送端的網(wǎng)絡(luò)編碼NC層對傳輸控制協(xié)議TCP的數(shù)據(jù)包進行分組隨機線性網(wǎng)絡(luò)編 碼，并發(fā)送到本端的網(wǎng)際協(xié)議IP層； (3) 接收端的網(wǎng)絡(luò)編碼NC層從本端的網(wǎng)際協(xié)議IP層接收已經(jīng)編碼的數(shù)據(jù)包，對這些數(shù) 據(jù)包依次進行應(yīng)答和分組解碼，并提交給傳輸控制協(xié)議TCP層。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于隨機線性網(wǎng)絡(luò)編碼的傳輸控制方法，其特征在于，所述步 驟（2)中的分組隨機線性網(wǎng)絡(luò)編碼，按如下步驟進行： 2a)發(fā)送端將傳輸控制協(xié)議TCP層到達網(wǎng)絡(luò)編碼NC層的數(shù)據(jù)包進行緩存，當(dāng)緩存區(qū)的 數(shù)據(jù)包個數(shù)達到N時，則將這N個數(shù)據(jù)設(shè)為一個分組，N為預(yù)先規(guī)定的秩的個數(shù)； 2b)取出上述分組中的原始TCP數(shù)據(jù)包包頭，進行緩存； 2c)發(fā)送端產(chǎn)生編碼核，即長度為N的一個隨機向量，該隨機向量中的每一個值都是在 伽羅華域中隨機生成的； 2d)在伽羅華域下，將該隨機向量中的第η個隨機數(shù)與該上述分組中第η個數(shù)據(jù)包進行 相乘，并將得到的結(jié)果相加，η < N ; 2e)將編碼核與2d)中得到的計算結(jié)果作為數(shù)據(jù)進行重新打包，并依次加上2b)中所緩 存的TCP頭部。
3. 如權(quán)利要求1所述的基于隨機線性網(wǎng)絡(luò)編碼的傳輸控制方法，其特征在于，所述步 驟（3)中的應(yīng)答，按如下步驟進行： 3a)接收端將收到的編碼包存入解碼緩存區(qū)，并判斷該編碼包是否屬于當(dāng)前解碼指針 指向的解碼包分組： 若新到達的編碼包屬于當(dāng)前解碼指針?biāo)赶虻慕獯a包分組，則檢查該分組編碼包的個 數(shù)是否為N，若為N則進行解碼，并且將解碼成功的分組提交給傳輸協(xié)議TCP層，執(zhí)行步驟 3b)； 若新到達的編碼包不屬于當(dāng)前解碼指針?biāo)赶虻慕獯a包分組，則執(zhí)行步驟3d); 所述解碼指針，是指指向當(dāng)前沒有解碼的編碼包分組的整數(shù)； 3b)將解碼指針指向下一個解碼包分組，并判斷解碼指針指向的分組中數(shù)據(jù)包的個數(shù) 是否為N，若為N則繼續(xù)將解碼指針指向下一個解碼包分組，直至其所指向的解碼包組不為 N，執(zhí)行步驟3c); 3c)接收端向發(fā)送端發(fā)送重傳編碼包的信息，其中需要重傳的個數(shù)為N減去當(dāng)前解碼 指針?biāo)赶虻慕獯a包組中數(shù)據(jù)包的個數(shù)； 3d)開辟新的解碼緩存區(qū)，將接收到的數(shù)據(jù)包緩存到新的解碼緩存區(qū)，返回執(zhí)行步驟 3a) 〇
4. 如權(quán)利要求1所述的基于隨機線性網(wǎng)絡(luò)編碼的傳輸控制方法，其特征在于，所述步 驟（3)中分組解碼，按如下步驟進行： 3e)接收端收到數(shù)據(jù)包后先進行解碼緩存，至解碼端非線性相關(guān)的編碼包數(shù)達到N時， 將這N個數(shù)據(jù)包設(shè)置為一個解碼分組； 3f)接收端網(wǎng)絡(luò)編碼NC層提取上述解碼分組中數(shù)據(jù)包的傳輸控制協(xié)議TCP頭部，放入 緩存中；
3g)接收端網(wǎng)絡(luò)編碼NC層再將經(jīng)步驟3f)后剩余的數(shù)據(jù)部分化成一個分組矩陣C : 將對上述分組矩陣C進行初等行變換，得到解碼矩陣D :
其中，解碼矩陣D最右邊一列就是解碼所得到的對應(yīng)數(shù)據(jù)包，即Dl、D2、D3、D4、D5為解 碼所得的數(shù)據(jù)包； 3h)將得到的Dl、D2、D3、D4、D5這一列數(shù)據(jù)包依次與步驟3f)中的傳輸控制協(xié)議TCP 頭部組裝，完成一組解碼。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于隨機線性網(wǎng)絡(luò)編碼的傳輸控制方法，主要解決高誤碼率鏈路下傳輸控制協(xié)議TCP時延大及吞吐量下降的問題。其實現(xiàn)步驟包括：(1)在發(fā)送端和接收端的傳輸控制協(xié)議TCP層與網(wǎng)際協(xié)議IP層之間加入網(wǎng)絡(luò)編碼NC層；(2)發(fā)送端的網(wǎng)絡(luò)編碼NC層對傳輸控制協(xié)議TCP的數(shù)據(jù)包進行分組隨機線性網(wǎng)絡(luò)編碼，并發(fā)送到本端的網(wǎng)際協(xié)議IP層；(3)接收端的網(wǎng)絡(luò)編碼NC層從本端的網(wǎng)際協(xié)議IP層接收已經(jīng)編碼的數(shù)據(jù)包，對這些數(shù)據(jù)包依次進行應(yīng)答和分組解碼，并提交給傳輸控制協(xié)議TCP層。本發(fā)明有效提高了在高誤碼率鏈路下的網(wǎng)絡(luò)吞吐量，減小了鏈路往返時延對傳輸控制協(xié)議TCP性能的影響。
【IPC分類】H04L1-00, H04L29-06
【公開號】CN104683070
【申請?zhí)枴緾N201510101478
【發(fā)明人】肖嵩, 翟豐泰, 權(quán)磊, 王夢絲, 杜建超, 劉學(xué)文
【申請人】西安電子科技大學(xué)
【公開日】2015年6月3日
【申請日】2015年3月8日