CN105897381A - 一种网络编码tcp解码方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种网络编码TCP解码方法及装置。该方法包括：在网络编码TCP接收端接收到编码包且所述编码包与预建立的第一解码矩阵中的各编码包线性无关时，根据所述编码包生成第二解码矩阵；对所述第二解码矩阵进行消元操作，转换为行阶梯形矩阵REF；根据所述第一解码矩阵判断所述行阶梯形矩阵REF中的不可见包的数量是否减少，若是，则对所述行阶梯形矩阵REF进行消元操作。本发明通过对编码包加入前后的解码矩阵进行对比，并根据对比结果判断在不可见包的数量减少时，对行阶梯形矩阵REF进行消元操作，与现有技术中直接对编码包进行高斯消元解码相比，具有降低解码开销的优点。

Description

一种网络编码TCP解码方法及装置

技术领域

本发明涉及，具体涉及一种网络编码TCP编码方法及装置。

背景技术

随着移动互联网的飞速发展，带来了大量移动应用与服务的涌现。最初为普通有线网络设计的TCP，目前已经成为了使用最广泛的传输协议。然而，在无线网络中存在大量的随机无线丢包，而TCP将一切丢包都误认为是拥塞的标志，从而导致无线网络中吞吐量大幅下降。网络编码TCP作为传输层前向纠错技术来补偿无线网络中的随机丢包以改善TCP在无线网络中的的一系列传输性能下降问题。网络编码TCP通过在编码包中添加冗余信息来补偿网络中的丢包，从而带来更高的传输质量和带宽。不同于链路层的前向纠错技术ARQ，它是一类数据包层面上的可以实施到TCP层的前向纠错技术。例如，典型的网络编码TCP方案，TCP/NC通过滑动编码窗口将最新到达网络编码层的W个TCP原始数据包进行线性编码，并根据链路传输质量产生额外的冗余编码包来补偿无线链路中的随机丢包。其中W为编码窗口大小，即每次参与编码的原始数据包的个数。接收端执行高斯-约旦消元解码，只要收到足够多的线性无关的编码包就可以成功解码，而不用关心具体收到的是哪一个包。

然而，当网络编码TCP应用到手机等计算和存储受限的终端时，高昂的解码开销却是一个不得不考虑的挑战。高斯-约旦消元比普通的高斯消元更适合于随机线性码的解码。他不需要等到解码矩阵满秩才开始解码，而是每次收到编码包，他都能开始部分消元操作，将解码矩阵化简为简化行梯阵式RREF。这种渐进式解码将解码开销分配到每次接受到编码包时进行，大大降低了当解码矩阵满秩时成功解码所需的花销。虽然，相对于普通的高斯消元，它已经有一定的改进了，但是当应用到手机等计算和存储受限的终端时，他的开销仍然是最大的考虑。另外，高昂的解码开销也加大了解码时延，增大了RTT。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供了一种网络编码TCP解码方法及装置，用于降低解码开销，减低解码时延。

本发明提出了一种网络编码TCP解码方法，包括：

在网络编码TCP接收端接收到编码包且所述编码包与预建立的第一解码矩阵中的各编码包线性无关时，将所述编码包加入第一解码矩阵生成第二解码矩阵；

对所述第二解码矩阵进行消元操作，转换为行阶梯形矩阵REF；

根据所述第二解码矩阵判断所述行阶梯形矩阵REF中的不可见包的数量是否减少，若是，则对所述行阶梯形矩阵REF进行消元操作。

优选地，所述根据所述编码包生成第二解码矩阵的步骤具体包括：

将所述编码包作为所述最后一行加入所述第一解码矩阵生成第二解码矩阵。

优选地，所述根据所述第一解码矩阵判断所述行阶梯形矩阵REF中的不可见包的数量是否减少的步骤包括：

获取所述第一解码矩阵的最后一行中除枢轴元素之外的非零元素的个数unseen_m；

获取所述行阶梯形矩阵REF的最后一行中除枢轴元素之外的非零元素的个数unseen_m+1；

判断unseen_m是否小于unseen_m+1，若是，则确定所述行阶梯形矩阵REF中的不可见包的数量在减少。

优选地，在所述将所述编码包加入所述第一解码矩阵的步骤之前，该方法还包括：

对所述编码包进行消元操作，获取所述编码包与所述第一解码矩阵中每个编码包的相关性。

优选地，所述对所述行阶梯形矩阵REF进行消元操作的步骤具体包括：

对所述行阶梯形矩阵REF进行消元操作，转换为集中式行梯范式CREF；

对对所述集中式行梯范式CREF进行消元操作。

本发明还提出了一种网络编码TCP解码装置，包括：

矩阵生成模块，用于在网络编码TCP接收端接收到编码包且所述编码包与预建立的第一解码矩阵中的各编码包线性无关时，根据所述编码包生成第二解码矩阵；

矩阵转换模块，用于对所述第二解码矩阵进行消元操作，转换为行阶梯形矩阵REF；

消元解码模块，用于根据所述第一解码矩阵判断所述行阶梯形矩阵REF中的不可见包的数量是否减少，若是，则对所述行阶梯形矩阵REF进行消元操作。

优选地，矩阵生成模块，还用于将所述编码包作为所述最后一行加入所述第一解码矩阵生成第二解码矩阵。

优选地，所述消元解码模块，具体用于获取所述第一解码矩阵的最后一行中除枢轴元素之外的非零元素的个数unseen_m；获取所述行阶梯形矩阵REF的最后一行中除枢轴元素之外的非零元素的个数unseen_m+1；判断unseen_m是否小于unseen_m+1，若是，则确定所述行阶梯形矩阵REF中的不可见包的数量在减少。

优选地，该装置还包括：获取模块；

所述获取模块，用于在将所述编码包加入所述第一解码矩阵之前，对所述编码包进行消元操作，获取所述编码包与所述第一解码矩阵中每个编码包的相关性。

优选地，所述消元解码模块，还用于对所述行阶梯形矩阵REF进行消元操作，转换为集中式行梯范式CREF；对对所述集中式行梯范式CREF进行消元操作。

由上述技术方案可知，本发明提出的网络编码TCP解码方法通过对编码包加入前后的解码矩阵进行对比，并根据对比结果判断在不可见包的数量减少时，对行阶梯形矩阵REF进行消元操作，与现有技术中直接对编码包进行消元解码相比，具有降低解码开销的优点。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1示出了本发明一实施例提供的网络编码TCP解码方法的流程示意图；

图2示出了本发明另一实施例提供的网络编码TCP解码方法的流程示意图；

图3示出了本发明一实施例提供的网络编码TCP解码装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明一实施例提供的网络编码TCP解码方法的流程示意图，参见图1，该网络编码TCP解码方法，包括：

110、在网络编码TCP接收端接收到编码包且所述编码包与预建立的第一解码矩阵中的各编码包线性无关时，将所述编码包加入第一解码矩阵生成第二解码矩阵；

需要说明的是，典型的网络编码TCP方案中，TCP/CN通过滑动编码窗口将最新到达网络编码层的TCP原始数据包进行线性编码，以编码包的形式传输至传输网络编码TCP接收端；

在网络编码TCP接收端接收到新的编码包时，判断新的编码包与第一解码矩阵中的各编码包是否线性无关；

其中，第一解码矩阵为之前接收到的且没有解码编码包生成的矩阵。

120、对所述第二解码矩阵进行消元操作，转换为行阶梯形矩阵REF；

需要说明的是，REF形式定义如下：

(1)所有非零行(矩阵的行至少有一个非零元素)在所有全零行的上面。即全零行都在矩阵的底部。

(2)非零行的首项系数(leading coefficient)，也称作主元，即最左边的首个非零元素，严格地比上面行的首项系数更靠右(某些版本会要求非零行的首项系数必须是1)。

(3)首项系数所在列，在该首项系数下面的元素都是零。

130、根据所述第二解码矩阵判断所述行阶梯形矩阵REF中的不可见包的数量是否减少，若是，则对所述行阶梯形矩阵REF进行消元操作。

需要说明的是，网络编码TCP方案TCP/NC中定义了如果一个线性组合编码包(P_i为第i个TCP原始数据包，a_i为P_i的编码系数)经过消元后可以被化简为P_k+q，其中q＝Σ_l＞ka_lP_l，即q只包含索引大于k的原始包，则P_k被称为可见包，索引大于k的原始包称为不可见包。

本发明提出的网络编码TCP解码方法通过对编码包加入前后的解码矩阵进行对比，并根据对比结果判断在不可见包的数量减少时，对行阶梯形矩阵REF进行消元操作，与现有技术中直接对编码包进行消元解码相比，具有降低解码开销的优点。

本实施例中，步骤110具体包括：

将所述编码包作为最后一行加入所述第一解码矩阵生成第二解码矩阵。

举例说明，第一解码矩阵的最后一行为将接收到的新的编码包作为第行加入到第一解码矩阵中，以生成新的矩阵，即为第二解码矩阵。

本实施例中，步骤130具体包括：

获取所述第一解码矩阵的最后一行中除枢轴元素之外的非零元素的个数unseen_m；

获取所述行阶梯形矩阵REF的最后一行中除枢轴元素之外的非零元素的个数unseen_m+1；

判断unseen_m是否小于unseen_m+1，若是，则确定所述行阶梯形矩阵REF中的不可见包的数量在减少。

本实施例中，在步骤110之前，该方法还包括：

对所述编码包进行消元操作，获取所述编码包与所述第一解码矩阵中每个编码包的相关性。

本实施例中，步骤130还包括：对所述行阶梯形矩阵REF进行消元操作，转换为集中式行梯范式CREF；对对所述集中式行梯范式CREF进行消元操作；

其中，CREF的定义如下：

(1)CREF属于行梯范式REF；

(2)每一行的最后一个非零数是该数所对应列的从上而下的第一个非零数。

例如：

对于方法实施方式，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明实施方式并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明实施方式，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施方式均属于优选实施方式，所涉及的动作并不一定是本发明实施方式所必须的。

图2为本发明另一实施例提供的网络编码TCP解码方法的流程示意图，下面参照图2对本发明进行详细说明：

对于EFU，当输入编码系数向量以及已经存在的m行n列的解码矩阵M＝{β_i,j}_m×n，其中它将按照以下的步骤执行：

步骤(1)将作为新的一行加入M

步骤(2)对M进行消元将其化为REF形式，找到的枢轴元素，即m+1行第一个非零元素。

步骤(3)计算行和除枢轴元素外的非零元素个数unseen_m和unseen_m+1，即不可见包数。

步骤(4)如果unseen_m+1＜unseen_m即不可见包数在减少，则按照以下步骤进行进一步消元将解码矩阵化为CREF形式。

步骤(5)设i＝m+1，l为行最后一个非零元素β_i,l所在的列号。

步骤(6)设j＝i-1，如果β_i,l≠0则进行操作

步骤(7)设将j递减，重复步骤6，直至j＝1。

步骤(8)设将i递减，重复步骤5-7，直至i＝2。

可知EFU的特点在于在将解码矩阵化为行梯阵式后仅当不可见包减少时进行进一步消元。整个过程没有一步冗余的操作。

下面对本申请提出的方案和现有技术提出的方案的复杂度进行比较：

在滑动窗口网络编码TCP方案中，对于一个n×n的矩阵M，我们分析解码此矩阵EFU和高斯消元所需的计算开销。

1)当收到一个编码包C_si时，第一步，无论是高斯-约旦消元，还是EFU，都只需要对编码系数做消元，来判断收到的随见线性编码包C_si的相关性。对于一个编码窗口为W的滑动窗口，这一步需要W次乘和加法运算。假设，数据包数据负载部分为L字节，一般来说W远小于L。这部分的开销为。

t₀(n,W,L)＝nW (1)

2)当收到一个编码包时，第二步，如果此编码包是线性无关的，则我们将数据负载部分一起做高斯消元。首先，无论是高斯-约旦消元，还是EFU，都需要将矩阵M化为REF形式。如下M’：

这一步的开销为

t₁(n,W,L)＝nWL (2)

3)这一步，高斯-约旦消元将解码矩阵化为RREF形式，而EFU将解码矩阵化为CREF形式。

3a)每收到一个随机线性编码包C_si，对于高斯-约旦消元，这一步需要将新形成的枢轴元素对应的列的其他数归零。所需的操作数为：

$t_2^r(i,W,L)=(i-1)(W+L)---\left(3\right)$

所以，当矩阵满秩到成功解码，这不所需的操作数为：

$t_2^g(n,W,L)=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{t}_2^r(i,W,L)=(W+L)\left(\frac{n(n-1)}{2}\right)---\left(4\right)$

3b)对于，EFU，这步仅在不可见包数目减少时进行进一步消元。当收到一个随机线性编码包C_si，不可见包的数目根据具体的链路丢包和补偿的变化而变化。如果新的丢包数大于新的冗余包数，则不可见包数会增加。相反，不可见包数会减少。这一步归零一个非零数只需要一次乘操作和一次加操作。我们用l_k来表示具有k个除首项系数外的非零元素的行。因此这步所需的总操作数为：

$t_2^e(n,W,L)=\underset{k=1}{\overset{W-1}{\Σ}}{\mathrm{kl}}_k(W+L)---\left(5\right)$

由k≤W-1，得知：

$\underset{k=1}{\overset{W-1}{\Σ}}{l}_k=n---\left(6\right)$

所以

$t_2^e(n,W,L)\≤n(W+L)(W-1)---\left(7\right)$

综上所述，根据1)、2)、3a)的分析，对于高斯-约旦消元，完成一个大小为n×n的矩阵的解码，所需的操作数总共为：

$\begin{array}{c}{t}^g(n,W,L)=t_0(n,W,L)+t_1(n,W,L)+t_2^g(n,W,L)\\ =nW+nWL+(W+L)\left(\frac{n(n-1)}{2}\right)\end{array}---\left(8\right)$

根据1)、2)、3b)的分析，对于EFU，完成一个大小为n×n的矩阵的解码，所需的操作数总共为：

$\begin{array}{c}{t}^g(n,W,L)=t_0(n,W,L)+t_1(n,W,L)+t_2^e(n,W,L)\\ \&le;nW+nWL+(W+L)(W-1)\\ <3nWL\end{array}---\left(9\right)$

由于L和W都是常数,所以，高斯-约旦消元的复杂度为O(n²),而EFU的复杂度为O(n)。

综上所述，本发明具有如下优点：

1、对于基于滑动窗口的随机线性网络编码TCP，本专利极大的减少了计算开销。有利于此类网络编码在手机等计算资源受限的终端设备上实施。

2、本方案加速了解码过程，使得接收端能够更快地产生ACK信息。有助于在网络编码中减小数据包的解码时延。

图3为本发明一实施例提供的网络编码TCP解码装置的结构示意图，参见图3，该网络编码TCP解码装置，包括：

矩阵生成模块310，用于在网络编码TCP接收端接收到编码包且所述编码包与预建立的第一解码矩阵中的各编码包线性无关时，将所述编码包加入第一解码矩阵生成第二解码矩阵；

矩阵转换模块320，用于对所述第二解码矩阵进行消元操作，转换为行阶梯形矩阵REF；

消元解码模块330，用于根据所述第二解码矩阵判断所述行阶梯形矩阵REF中的不可见包的数量是否减少，若是，则对所述行阶梯形矩阵REF进行消元操作。

在一可行实施例中，矩阵生成模块310，还用于将所述编码包作为所述解码矩阵的最后一行加入所述第一解码矩阵生成第二解码矩阵。

在一可行实施例中，所述消元解码模块330，具体用于获取所述第一解码矩阵的最后一行中除枢轴元素之外的非零元素的个数unseen_m；获取所述行阶梯形矩阵REF的最后一行中除枢轴元素之外的非零元素的个数unseen_m+1；判断unseen_m是否小于unseen_m+1，若是，则确定所述行阶梯形矩阵REF中的不可见包的数量在减少。

在一可行实施例中，该装置还包括：获取模块340；

所述获取模块340，用于在将所述编码包加入所述第一解码矩阵之前，对所述编码包进行消元操作，获取所述编码包与所述第一解码矩阵中每个编码包的相关性。

在一可行实施例中，所述消元解码模块330，还用于对所述行阶梯形矩阵REF进行消元操作，转换为集中式行梯范式CREF；对对所述集中式行梯范式CREF进行消元操作

由此，基于判断不可见包的数量是否减少，每一次消元操作都会减少行阶梯形矩阵REF中的非零系数，从而使得每一次消元操作都是有意义的，不仅可以在每次接收到新的数据包时开始部分解码，还大大地降低了解码开销。

对于装置实施方式而言，由于其与方法实施方式基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施方式的部分说明即可。

应当注意的是，在本发明的装置的各个部件中，根据其要实现的功能而对其中的部件进行了逻辑划分，但是，本发明不受限于此，可以根据需要对各个部件进行重新划分或者组合。

本发明的各个部件实施方式可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本装置中，PC通过实现因特网对设备或者装置远程控制，精准的控制设备或者装置每个操作的步骤。本发明还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样实现本发明的程序可以存储在计算机可读介质上，并且程序产生的文件或文档具有可统计性，产生数据报告和cpk报告等，能对功放进行批量测试并统计。应该注意的是上述实施方式对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施方式。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种网络编码TCP解码方法，其特征在于，包括：

在网络编码TCP接收端接收到编码包且所述编码包与预建立的第一解码矩阵中的各编码包线性无关时，将所述编码包加入第一解码矩阵生成第二解码矩阵；

对所述第二解码矩阵进行消元操作，转换为行阶梯形矩阵REF；

根据所述第二解码矩阵判断所述行阶梯形矩阵REF中的不可见包的数量是否减少，若是，则对所述行阶梯形矩阵REF进行消元操作。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述编码包生成第二解码矩阵的步骤具体包括：

将所述编码包作为所述最后一行加入所述第一解码矩阵生成第二解码矩阵。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一解码矩阵判断所述行阶梯形矩阵REF中的不可见包的数量是否减少的步骤包括：

获取所述第一解码矩阵的最后一行中除枢轴元素之外的非零元素的个数unseen_m；

获取所述行阶梯形矩阵REF的最后一行中除枢轴元素之外的非零元素的个数unseen_m+1；

判断unseen_m是否小于unseen_m+1，若是，则确定所述行阶梯形矩阵REF中的不可见包的数量在减少。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述将所述编码包加入所述第一解码矩阵的步骤之前，该方法还包括：

对所述编码包进行消元操作，获取所述编码包与所述第一解码矩阵中每个编码包的相关性。

5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述对所述行阶梯形矩阵REF进行消元操作的步骤具体包括：

对所述行阶梯形矩阵REF进行消元操作，转换为集中式行梯范式CREF；

对所述集中式行梯范式CREF进行消元操作。

6.一种网络编码TCP解码装置，其特征在于，包括：

矩阵生成模块，用于在网络编码TCP接收端接收到编码包且所述编码包与预建立的第一解码矩阵中的各编码包线性无关时，根据所述编码包生成第二解码矩阵；

矩阵转换模块，用于对所述第二解码矩阵进行消元操作，转换为行阶梯形矩阵REF；

消元解码模块，用于根据所述第一解码矩阵判断所述行阶梯形矩阵REF中的不可见包的数量是否减少，若是，则对所述行阶梯形矩阵REF进行消元操作。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，矩阵生成模块，还用于将所述编码包作为所述最后一行加入所述第一解码矩阵生成第二解码矩阵。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述消元解码模块，具体用于获取所述第一解码矩阵的最后一行中除枢轴元素之外的非零元素的个数unseen_m；获取所述行阶梯形矩阵REF的最后一行中除枢轴元素之外的非零元素的个数unseen_m+1；判断unseen_m是否小于unseen_m+1，若是，则确定所述行阶梯形矩阵REF中的不可见包的数量在减少。

9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，该装置还包括：获取模块；

所述获取模块，用于在将所述编码包加入所述第一解码矩阵之前，对所述编码包进行消元操作，获取所述编码包与所述第一解码矩阵中每个编码包的相关性。

10.根据权利要求6-9任一项所述的装置，其特征在于，所述消元解码模块，还用于对所述行阶梯形矩阵REF进行消元操作，转换为集中式行梯范式CREF；对所述集中式行梯范式CREF进行消元操作。