CN103391164B - 一种基于线性网络编码的报文发送冗余度动态调整方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于线性网络编码的报文发送冗余度动态调整方法，其步骤在于：（1）、接收端在接收到由发送端发送的编码报文之后，先判断原始报文的“可见性”；根据可见性来判断该报文是否是一个革新的报文，用以决定是否发送对应可见报文应答RACK；（2）、在应答报文中不仅反馈解码矩阵中最新的、不可见报文的初始字节号，还反馈最新的、未包含的原始报文的初始字节号First_Byte_Uninvolved；（3）、发送端首先根据接收到First_Byte_Unseen值更新编码缓冲区，并计算最新的First_Byte_Uninvolved与First_Byte_Unseen的差值Gap；发送端根据Gap值的变化，动态的调整冗余因子R，使R值与链路误码丢包率动态匹配。本发明具有原理简单、可解决冗余度与链路误码率的匹配问题、能够获得更高的吞吐量、更低的报文平均延迟等优点。
Description
技术领域
本发明主要涉及到计算机网络领域，特指一种基于线性网络编码的报文发送冗余度动态调整方法。
背景技术
现有的传输协议TCP(Transfer Control Protocol)在设计之初是基于地面有线数据传输环境特点设计，有线网络非常可靠，误码率非常低以至于可以忽略。然而当数据在误码率较高的网络中传输时，由于传统的TCP协议假设所有丢包都是由于网络拥塞引起的，误码造成的丢包也会造成TCP盲目的降低发送速率，导致TCP的传输性能下降。已经有数据表明，TCP在误码率较高的无线网络中的性能非常低劣。例如TCP在误码率为2%的IEEE802.11网络中所获得的吞吐量只能达到总带宽的49%，同样情况下TCP在IEEE802.11b网络中只能达到39.1%。又例如TCP在误码率(Bit Error Rate，BER)为2%的蜂窝无线网络中只能获得27.3%的吞吐量。
TCP在较高误码率网络中性能低劣的问题严重影响了TCP协议在恶劣网络环境中的应用，同时也阻碍了无线网络的进一步普及。因此如何保证数据误码率较高的链路上可靠安全传输、提高现有网络资源的利用率、优化网络传输性能，已成为当今通信研究的重要课题之一。
研究人员从不同的角度提出许多的方案，这些方案主要可以分为分段链接方案、跨层合作方案、链路层方案以及网络编码方案这四种。各种方案都有各自的优点，同时也有不可忽视的缺点。
“TCP分段链接方法”的主要思想就是为了区分误码和拥塞，把单个TCP连接分为二个部分：有线部分和无线部分。然而在该方案中需要一个基站承担代理功能，因此必须缓冲大量的状态信息，基站的负荷会变得非常重，而且需要更大的缓冲区。如果移动设备频繁地切换，基站之间状态信息的传输会带来较大时延，导致丢包；且该方案违反了TCP的端到端语义。
“跨层合作方案”采用数据链路层和传输层相结合的方式来解决TCP在有损链路中表现不佳的问题。TCP所面临的主要问题是发送方无法对误码和拥塞造成的丢包进行区分，从而也就无法正确的调整发送速率。由数据链路层协议将链路的状态信息反馈给传输层，使得传输层能够正确的根据链路状况选择处理丢包的方式。然而该方案违反了网络协议中最基本的分层设计原则。
“链路层方案”的目标是通过在无线链路上进行重传或错误纠正来屏蔽不可靠的无线链路对有线网络的影响，目前常用的两种链路层纠错技术为：前向错误纠正(Forward errorcorrection,FEC)及自动重传请求(Automatic Repeat-reQuest,ARQ)技术。然而该方案会使得链路层对TCP层呈现出一个变化传输速率，这样反而使得TCP的传输性能下降，另外已有研究指出链路层重传与传输层重传之间的相互作用是十分复杂的，不同协议层之间的独立重传影响了性能表现。
“网络编码方案”将网络编码技术和TCP协议相结合，用以解决TCP协议在有损链路中表现不佳的问题。网络编码(network coding)是一种融合编码和路由的信息交换技术，在传统存储转发的路由方法基础上，通过允许对接收的多个数据包进行编码信息融合，增加单次传输的信息量，提高网络整体性能。网络编码的本质是利用节点的计算能力提高链路带宽的利用率。
由于网络编码解决方案在不破坏TCP端到端语义的同时，对TCP屏蔽了底层链路损耗造成的丢包，使得TCP能够有效的进行拥塞控制和流量控制，并通过编码报文的冗余发送，简单而高效的抵消了由于底层链路误码造成的丢包，使得TCP在有损链路中的传输性能显著提高。
网络编码与TCP结合方案中目前比较成熟的做法是在TCP层和IP层之间增加一道随机线性网络编码和解码的操作，利用网络编码的信息融合功能和节点的计算能力，有效的屏蔽和处理底层链路损耗造成的丢包。
在网络编码方案中，发送端的TCP层将TCP segment发送给IP层后，实际上并没有立即被IP层接收，而是首先缓存这些segment，并对多个来自同一个TCP链接的segment采用随机线性网络编码操作，生成由这些原始segment的线性组合，也就是最后发送给IP层的编码报文的实际载荷。发送端数据处理过程如图1所示。
如图1所示，发送端的TCP层每向IP层发送一个segment（S1…S5），就通过线性网络编码生成一个由发送缓冲区的一定数量（图1所示的是三个）的segment组成的线性组合（C1…C5），它们被当作新的segment发送给IP层，IP层加上IP报头后生成编码报文（P1…P5）发送给接收端。
同样的，接收端的TCP层在接收到原始的segment之前也要经过对编码报文的解码。接收端的数据处理过程如图2所示。
接收端的IP层在接收到由发送端发送的编码报文（P1…P5）之后，按照正常的IP报文处理，除去报头生成原始segment的线性组合（C1…C5），这些线性组合进过高斯解码或者是高斯-乔丹解码生成可以递交给TCP层的原始segment（S1…S5）。
由于误码带来的丢包不是由于拥塞造成的，故可以通过发送一定数量的冗余报文来抵消底层链路损耗造成的丢包，达到屏蔽误码，提高数据传输效率的目的。同时由于引入了随机线性网络编码技术，数据包的冗余发送就不再是发送原始的segment，而是发送原始segment的线性组合，由离散数学的基本原理可知，这样的线性组合由于其包含了多个原始segment的信息，故对其包含的所有segment的解码都有意义。可以通过图3说明编码报文的冗余发送过程。
如图3所示，编码报文P1…P6是线性组合，融合了S1…S5的信息，从解码端的角度来看，任何一个线性组合，只要包含了尚未解码报文的信息，那么这个线性组合对于解码报文来说都是有意义的，也就不存在冗余报文和非冗余报文的区别，这里只能用冗余因子（R）的概念来理解冗余度。冗余因子（R）是每接收到一个原始segment后发送的编码报文的个数。在图3的例子中，冗余因子是1.2，即在发送了5个编码报文之后，又附加的发送了一个编码报文P6。如图所示，由于冗余因子的存在，使得即使在链路存在随机误码造成的丢失的情况下，接收端仍然能够正确的解码。
R值应当根据链路的随机误码丢包率来设置，R的理论最优值是1/(1-p)，这里的p是随机误码丢包率。然而在实际的链路（例如无线链路）中，p值往往不容易测量且动态变化的。当前解决方案由于缺少有效的链路误码率反馈机制，R值无法随链路误码丢包率的变化而变化，而将R值设置为常量，这极大的限制了编码TCP在实际网络中的应用。即，现有TCP在加入网络编码技术之后在有损链路上对链路误码丢包率的变化无法进行有效的动态冗余度控制，导致网络编码操作无法有效的屏蔽底层的链路损耗，使TCP协议在有损链路上数据传输效率低下。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种原理简单、可解决冗余度与链路误码率的匹配问题、能够获得更高的吞吐量、更低的报文平均延迟的基于线性网络编码的报文发送冗余度动态调整方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种基于线性网络编码的报文发送冗余度动态调整方法，其步骤在于：
（1）、接收端在接收到由发送端发送的编码报文之后，先判断编码报文中所包含的原始报文的“可见性”；根据可见性来判断该报文是否是一个革新的报文，用以决定是否发送对应可见报文应答RACK；在确定该报文是革新之后，接收端记录最新的、不可见报文初始字节号，还记录目前接收端解码矩阵中最新的、未包含的原始报文的初始字节号；
（2）、在应答报文中不仅反馈解码矩阵中最新的、不可见报文的初始字节号，还反馈最新的、未包含的原始报文的初始字节号First_Byte_Uninvolved；
（3）、发送端首先根据接收到的First_Byte_Unseen值更新编码缓冲区，并计算最新的First_Byte_Uninvolved与First_Byte_Unseen的差值Gap；发送端根据Gap值的变化，动态的调整冗余因子R，使R值与链路误码丢包率动态匹配。
作为本发明的进一步改进：
所述报文应答RACK的报文结构中，确认字节序号字段值不是在接收端希望接收到的下一字节序列，而是根据在接收端经过解码之后，第一个不可见报文的初始字节序列号；在确认字节序号字段后加入了一个4字节的Gap字段，该字段值是当前接收端解码矩阵中First_Byte_Uninvolved与First_Byte_Unseen的差值。
所述步骤（3）的具体步骤为：发送端在TCP连接建立之后，首先在本地将本地的SGap初始值设置为0；数据传输开始之后根据接收端反馈回来的RACK来动态调整冗余因子R；当RACK应答报文中的Gap字段的值为-1时，降低R值；当RACK应答报文中的Gap字段的值不为-1，且Gap>SGap，更新本地的SGap，使SGap=Gap，并增大R值；当Gap<SGap，更新本地的SGap=Gap，并保持R值；如果SGap=Gap，保持R值。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明的方法将链路误码丢包率变化引起在解码端解码矩阵中信息的变化反馈给发送端，发送端根据反馈的解码矩阵信息动态调整冗余因子R，解决了冗余因子的动态调整问题，提高了TCP协议结合线性网络编码技术后的数据传输吞吐效率，具有极强的应用前景。
2、本发明通过接收端的主动反馈机制，使得接收端在接收到革新的编码报文后，将解码矩阵中所接收到的原始报文的可见和已包含信息通过RACK应答报文反馈给发送端；由于接收端的原始报文的可见和已包含信息直接反映了链路误码丢失率的变化，故发送端在接收到应答RACK之后，可以根据该信息动态调整发送端的编码报文发送冗余度，使之与链路误码率相匹配。试验结果表明，与TCP/NC等未加入冗余因子R动态调整机制的TCP网络编码优化方案相比，本发明的冗余度动态调整方法在链路误码率不稳定和链路误码率不可测的网络场景中可以获得更高的吞吐量、更低的报文平均延迟。
附图说明
图1是现有技术中发送端数据处理的流程示意图。
图2是现有技术中接收端数据处理的流程示意图。
图3是现有技术中冗余报文发送的原理示意图。
图4是解码矩阵中原始报文状态的示意图。
图5是本发明中RACK报文结构的示意图。
图6是本发明中接收端应答操作流程示意图。
图7是本发明中接收端解码矩阵示例图。
图8是本发明中发送端冗余因子动态调整流程示意图。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
本发明的一种基于线性网络编码的报文发送冗余度动态调整方法，其步骤在于：
（1）、接收端在接收到由发送端发送的编码报文之后，并不立即加入到解码缓冲区以及解码矩阵，而是先判断编码报文中所包含的原始报文的“可见性”和“包含性”。根据可见性来判断该报文是否是一个革新的报文，用以决定是否发送对应可见报文应答RACK。
在确定该报文是革新之后，接收端不仅仅要记录最新的、不可见报文初始字节号，还需要记录目前接收端解码矩阵中最新的、未包含的原始报文的初始字节号。解码端原始报文在解码矩阵中的状态如图4所示。
上述“报文的可见性”为：如果一个节点有足够的信息计算出Pk+Q形式的线性组合，那么就说Pk是可见的，在Pk+Q中，Q=∑l>kαlPl,其中对于所有的l>k，都有αl∈Fq，也就是说Q是一个只包含了索引号比k大的报文的线性组合。其中，Pk是第k个原始报文，Q是多个原始报文的线性组合，其所包含的每个原始报文的编号l均大于k，al是Q中所包含原始报文的编码系数，Fq为编码系数的选择范围，是一个随机线性空间。
（2）、扩展接收端反馈的应答报文所包含的信息。现有的网络编码优化方案，在根据可见性的概念，发现新的可见报文之后，只是简单的应答当前接收端最新的、不可见报文的初始字节号(First_Byte_Unseen)，没能充分利用在接收端解码过程中由解码矩阵所显示的更多的信息。本发明在应答报文中不仅反馈了解码矩阵中最新的、不可见报文的初始字节号，还反馈了最新的、未包含的原始报文的初始字节号(First_Byte_Uninvolved)。
（3）、发送端首先根据接收到的First_Byte_Unseen值更新编码缓冲区，并计算最新的First_Byte_Uninvolved与First_Byte_Unseen的差值Gap，由于该差值Gap的变化反映了链路误码丢包率的变化，故发送端可以根据Gap值的变化，动态的调整冗余因子R，使R值与链路误码丢包率动态匹配。如图5所示，本发明设计了新的应答报文RACK用于反馈Gap值。
实现R值动态调整的关键是发送端如何及时感知链路误码丢包率的变化，本发明则是根据接收端反馈的解码矩阵中包含原始报文的字节信息与可见报文的字节信息来动态调整R。
在链路没有误码丢包的情况下，First_Byte_Uninvolved与First_Byte_Unseen的差值Gap是为0，即包含、可见。只要发生了误码丢包，由于编码报文的信息融合功能，原始报文仍然是顺序可见的，然而由于编码窗口是固定的，故原始报文就不是顺序包含的，此时可以采用接收端反馈回来的Gap值用于动态调整接收端冗余因子R值，其原理就在于：在链路状态稳定，且冗余度值与链路的误码丢失率相适应的情况下，Gap差值是一个稳定值；当链路误码率变化或者是冗余度值与链路的误码丢失率不相适应时，Gap值会变化。本发明的核心也就是根据发送端反馈接收到Gap值的变化，动态的调整发送端的编码报文冗余度，达到有效屏蔽底层误码丢包，提高有损链路上的数据传输效率。
由于R的动态调整依赖于接收端反馈的解码矩阵中的Gap值，故本发明重新设计应答报文。如图5所示，为本发明中为了新的链路误码率反馈机制而设计的RACK的报文结构图。与普通TCP报文相比引入了两点不同：首先，确认字节序号字段值不是在接收端希望接收到的下一字节序列，而是根据可见性的概念在接收端经过解码之后，第一个不可见报文的初始字节序列号；其次，是在确认字节序号字段后加入了一个4字节的Gap字段，该字段值是当前接收端解码矩阵中First_Byte_Uninvolved与First_Byte_Unseen的差值。
如图6所示，为接收节点的RACK报文生成的流程示意图。本发明实施的关键之一是如何根据接收端解码矩阵的变化来反映链路误码丢失率的变化，本发明选取的信息是First_Byte_Uninvolved与First_Byte_Unseen的差值Gap。
如图7所示，为接收节点解码矩阵的一种典型状态的示意图。假设每一个编码报文的实质是三个原始报文的线性组合。各个符号的意义如下：
Pi：编号为i的原始报文。
Yi：编号为i的编码报文。
Yi’：对应Yi的冗余报文。
●：包含在对应行的编码报文中，且对应列的原始报文Seen。
○：包含在对应行的编码报文中，且对应列的原始报文Involved。
■：未包含在对应行的编码报文中，且在接收到对应行编码报文前，对应列的原始报文就已经可见。
实际上图7中每行所包含的○个数也就是当时接收端解码矩阵的Gap值，在丢失了Y3之后，Gap值由0变为了1；于是，将R值增大。
当链路的损耗率下降，R值过大时，接收端在接收到Y10’时发现Y10’是冗余的，于是将ACK中的Gap字段设置为-1，告知发送端当前的R值设置过大，应进行相应的减小。
本发明的发送端根据接收到的RACK中的Gap值与发送端本地的SGap进行对比来感知有损链路的链路误码丢包率的变化，从而动态调整编码报文冗余因子R。如图8所示，为本发明中发送节点在接收到由接收节点反馈的应答RACK之后，对冗余因子的动态调整过程。
发送端在TCP连接建立之后，首先在本地将SGap初始值设置为0。数据传输开始之后根据接收端反馈回来的RACK来动态调整冗余因子R。当RACK应答报文中的Gap字段的值为-1时，说明冗余报文不仅补偿了链路误码造成的丢包，还有过多的冗余报文发送到了接收端，冗余因子R设置过大，应当降低R值。当RACK应答报文中的Gap字段的值不为-1，且Gap>SGap，说明冗余报文的发送无法补偿误码造成的丢包，应当更新本地的SGap，使SGap=Gap，并增大R值；当Gap<SGap，这个时候说明冗余报文的发送在补偿由于之前报文丢包造成的Gap值增大，这时候还不应该降低R，而是更新本地的SGap=Gap，并保持R值。如果SGap=Gap，说明冗余因子与链路丢包率刚好匹配，保持R值。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种基于线性网络编码的报文发送冗余度动态调整方法，其特征在于，步骤为：
(1)、接收端在接收到由发送端发送的编码报文之后，先判断编码报文中所包含的原始报文的“可见性”；根据可见性来判断该报文是否是一个革新的报文，用以决定是否发送对应可见报文应答RACK；在确定该报文是革新之后，接收端记录最新的、不可见报文初始字节号，还记录目前接收端解码矩阵中最新的、未包含的原始报文的初始字节号；
所述“报文的可见性”为：如果一个节点有足够的信息计算出Pk+Q形式的线性组合，那么就说Pk是可见的，在Pk+Q中，Q＝∑l>kαlPl,其中对于所有的l>k，都有αl∈Fq，也就是说Q是一个只包含了索引号比k大的报文的线性组合；其中，Pk是第k个原始报文，Q是多个原始报文的线性组合，其所包含的每个原始报文的编号l均大于k，al是Q中所包含原始报文的编码系数，Fq为编码系数的选择范围，是一个随机线性空间；
(2)、在应答报文中不仅反馈解码矩阵中最新的、不可见报文的初始字节号First_Byte_Unseen，还反馈最新的、未包含的原始报文的初始字节号First_Byte_Uninvolved；
(3)、发送端首先根据接收到的First_Byte_Unseen值更新编码缓冲区，并计算最新的First_Byte_Uninvolved与First_Byte_Unseen的差值Gap；发送端根据Gap值的变化，动态的调整冗余因子R，使R值与链路误码丢包率动态匹配。
2.根据权利要求1所述的基于线性网络编码的报文发送冗余度动态调整方法，其特征在于，所述报文应答RACK的报文结构中，确认字节序号字段值不是在接收端希望接收到的下一字节序列，而是根据在接收端经过解码之后，第一个不可见报文的初始字节序列号；在确认字节序号字段后加入了一个4字节的Gap字段，该字段值是当前接收端解码矩阵中First_Byte_Uninvolved与First_Byte_Unseen的差值。
3.根据权利要求1或2所述的基于线性网络编码的报文发送冗余度动态调整方法，其特征在于，所述步骤(3)的具体步骤为：发送端在TCP连接建立之后，首先在本地将本地的SGap初始值设置为0；数据传输开始之后根据接收端反馈回来的RACK来动态调整冗余因子R；当RACK应答报文中的Gap字段的值为-1时，降低R值；当RACK应答报文中的Gap字段的值不为-1，且Gap>SGap，更新本地的SGap，使SGap＝Gap，并增大R值；当Gap<SGap，更新本地的SGap＝Gap，并保持R值；如果SGap＝Gap，保持R值。
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