CN107592185B

CN107592185B - 一种适用于网络编码传输控制协议的前向重传方法

Info

Publication number: CN107592185B
Application number: CN201710588569.8A
Authority: CN
Inventors: 董泽锋; 陈庆春; 唐小虎; 梁宏斌
Original assignee: Southwest Jiaotong University
Current assignee: Southwest Jiaotong University
Priority date: 2017-07-19
Filing date: 2017-07-19
Publication date: 2020-03-20
Anticipated expiration: 2037-07-19
Also published as: CN107592185A

Abstract

本发明提供了一种适用于网络编码传输控制协议的前向重传方法，包括：发送端对编码报文进行编号，在编码报文头部附有编号字段Pid；发送端记录每个编码报文是由哪几个原始报文组成，接收端对于收到的每个编码报文都需要回复ACK报文，在回复的确认报文中附有字段Pid‑reply；发送端根据Pid‑reply、网络编码层确认序号和组成编码包的原始数据包信息间接获知链路丢失的报文，并维护一个重传报文的链表；发送端的网络编码层在收到上层TCP传下来的重传报文时，启动前向重传机制，对重传链表的报文进行重传。本发明让基于网络编码传输控制协议协议能在一个往返时延内重传所有丢失报文，有助于提高基于网络编码传输控制协议的传输吞吐率。

Description

一种适用于网络编码传输控制协议的前向重传方法

技术领域

本发明涉及网络传输控制协议领域，具体涉及一种适用于网络编码传输控制协议的前向重传机制。

背景技术

随着移动通信设备的迅速普及和4G时代的到来，各种各样的无线网络应用逐渐渗透到人们生活的各个方面，无线网络扮演着越来越重要的角色。因此，如何改善无线网络的传输质量成为了一个备受关注的热点问题。传输控制协议TCP由于能够提供可靠的传输服务，成为了互联网下的一个基本传输协议。

在实际的无线网络应用中，在传输层采用的依然是传统的TCP协议，但是无线网络的一些独有特点也引发了严重的TCP性能下降问题。TCP协议被设计成一旦发生丢包即认为网络中发生拥塞，从而采取调整拥塞窗口、拥塞阈值、快速恢复等策略，使得TCP协议能够很好地在有线网络中工作。而在无线网络中，不仅存在拥塞丢包，更多的情况下是由于无线传输特性不理想所导致的随机丢包，TCP协议无法区分丢包发生的原因，采用了单一的拥塞策略处理丢包。对于非拥塞丢包，TCP协议仍然采用减小拥塞窗口来降低发送速率的策略进行处理的处理方式会导致吞吐量的下降和延迟的增加。事实上，对于无线传输不可靠引起的非拥塞丢包，TCP协议应该采取的正确措施是提高发送速率，而并非减小拥塞窗口。因此，如何在丢包率高、延时大的无线网络中，提升现有TCP协议的传输性能就显得尤为关键。

2011年，JK Sundararajan,D Shah,M Médard等人在文献“Network coding meetsTCP:Theory and implementation(Proceedings of the IEEE,vol.99,pp.490-512,March,2011)”中首先提出了一种将网络编码与TCP进行结合的通信传输协议，该协议能够有效地提升在丢包网络中的通信传输质量。在将TCP协议与网络编码进行结合的过程中主要涉及到两个内容：编码机制与ACK确认机制。基于网络编码的传输控制协议在传输层(Transport Layer)和网络层(Network Layer)之间插入一个网络编码(Network Coding)层，利用线性冗余编码掩盖链路中出现的丢包，阻止TCP拥塞控制算法的误启动，提高TCP在有损链路中的吞吐率。基于网络编码的传输控制协议自被提出以来就引起了广泛的关注，与以往对TCP协议的改进不同，由于无需对现有协议栈进行修改，适合大规模应用部署。

围绕着网络编码与TCP传输协议的结合，国内外也有不少的发明专利成果。中国发明专利CN101841479A(一种基于网络编码的高误码率长时延网络自适应传输方法，四川大学)提出了一种基于网络编码的自适应传输方法。发送端根据传输层流量的大小对TCP报文进行自适应网络编码，添加编码冗余，然后将编码后的报文发送给接收端。接收端进行网络解码，而且仅需要接收到部分报文即可恢复出原始报文，从而抑制高丢包率对传输性能的影响，改善传输协议的吞吐量。中国发明专利CN103152359A(一种端到端的无线传输控制协议线性网络编码，重庆大学)提出了一种端到端的线性网络编码改进方法。该方法的主要特征是通过优化网络编码头部，缩短了网络编码头部长度，减少了网络编码的复杂性；修改了报文重传机制，当编码报文累计丢包达到滑窗大小时，启动重传，以降低网络编码的实现复杂度，改善网络编码的效率和TCP端到端的系统吞吐量。中国发明专利CN103209064A(一种基于网络编码的传输控制协议确认机制的改进方法，重庆大学)提出了一种在确认帧丢失的情况下的处理机制，对于接收端正确接收到的编码报文而确认帧丢失的情况，发送端不需要重传该报文。该发明充分考虑了确认帧丢失对基于网络编码的传输控制协议的影响，采用延时处理的方法，通过改变确认机制，来应对网络传输中经常出现的确认帧丢失问题，以改善网络吞吐率。中国发明专利CN103840928A(用于长期演进中网络编码的TCP的系统和方法，美国博通公司)提供了基于用户设备是否被配置为基于网络编码TCP技术来确定用于通信系统中的用户设备通信链路的操作模式的配置和方法。

美国发明专利US20120218891A1(Method and apparatus providing networkcoding based flow control)基于随机线性网络编码的思想提出了一种新的拥塞控制方案和ACK确认机制。在发送端，根据滑动窗口协议发送当前拥塞窗口中数据包的线性组合。在接收端，ACK机制确认的是自由度。如果一个线性组合能够揭示一个单位的新信息，即使不能完全将原始数据包译码出来，就称接收端能够看到(“seen”)一个新的数据包时，就发送相应的ACK。该方案的主要特征：1)发送节点执行操作包括：根据发送队列中的数据报文确定随机线性组合；根据滑动窗口协议发送线性组合的数据报文；接收ACK并确定哪个数据报文已经被看见，从而从滑窗中删除相应数据报文；2)接收节点所执行的操作包括：接收线性组合的数据报文；确定是否有新的数据报文被看见；根据被看见的新的数据报文发送相应的ACK。从线性组合数据报文的头部中提取编码系数并将其放入译码矩阵中，然后执行高斯消元，确定哪个数据报文能够被看见(“seen”)，将未被译码出来的数据报文放入到接收缓存中，将译码出的数据报文传递给TCP层；3)中间节点执行的操作：接收线性组合的数据报文；根据滑动窗口协议发送传输队列中数据报文的随机线性组合。该方法能够极大的提升在丢包场景下的吞吐量。美国发明专利US2010046371A1(Feedback-based onlinenetwork coding)提出了一种基于反馈的实时网络编码方案。该方法的主要特征：1)定义了在接收端，进行解码时“seen”与“decoded”的概念，“seen”表示当一个数据报文可以由其他序号比其更高的数据报文的线性组合进行表示时，就认为这个数据报文能够被“seen”，“decoded”则表示经过解码后的矩阵某一行只有一个为1的元素时，认为这个数据报文被“decoded”；2)只要数据报文被“seen”就发送ACK报文，同时发送端根据这个报文删除滑窗中的数据报文，而不是“decoded”才发送ACK报文。美国发明专利US20120114481A1(CodingApproach For A Robust And Flexible Communication Protocol)提出了一种鲁棒性与灵活性兼顾的多径TCP传输协议的编码方案，该方案能够充分利用网络中多径、多接口、多介质、多服务器的特点，可以通过对不同的网络资源进行负载均衡来对网络的拥塞进行快速的响应。

综合分析国内外围绕着网络编码与TCP协议结合方面的技术研究成果，目前已经不少的关于网络编码算法、译码方法、ACK确认机制的可行的解决方案。但是仔细分析这些现有技术，不难发现，围绕链路状况不好，特别是在一个RTT内出现多个丢包时，如何在基于网络编码的传输控制框架下快速恢复丢包的不利影响的相关研究和技术成果还不多。标准TCP协议版本，例如TCP-Reno，一般都采用了快速重传和快速恢复两个基本机制。当出现多个数据包在一个数据窗口中丢失并触发快速重传和快速恢复机制时，TCP层在每个往返时延内RTT内仅仅重传一个数据包，重传效率较低，影响链路吞吐率。基于网络编码的TCP引入的网络编码处理会让这一策略的劣势更为凸显。由于基于网络编码的传输控制协议的“seen”机制，当网络编码后发送收到重复应答确认ACK时，意味着链路中出现的丢包一般都不是单个报文的丢失。考虑到网络编码(NC)层缓存有未被确认的数据包，故可以在网络编码层重传那些未被看到的报文。

基于网络编码传输控制协议如果对于一个数据窗口内连续丢包采用在多个往返时延内依次重传各个丢失报文的策略，必然导致重传效率低下。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种适用于网络编码传输控制协议的前向重传方法，通过在NC头部增加Pid和Pid-reply字段来让发送端获知链路中丢失的报文，在上层TCP启动重传时，NC层一并重传所有丢失报文，提高编码TCP的吞吐率。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种适用于网络编码传输控制协议的前向重传方法，包括以下步骤：

步骤1：设计网络编码帧头

设计的网络编码帧头的Pid和Pid-reply各占两个字节，其中，Pid表示网络编码层发出的报文的编号，以报文为计数单位，Pid-reply表示激发当前ACK报文的编码报文的编号；接收端在收到编号为Pid的线性组合报文后，在回复的ACK报文中，Pid-reply域填上Pid，表示当前这个ACK是由编号为Pid的线性组合包激发的；

网络编码帧头的b₁～b₆与标准TCP协议的保留字段对应；利用b₁标识报文是TCP报文还是网络编码报文；利用b₂～b₄一起表示当前报文的报文状态；利用b₅表示R-flag，表示当前ACK报文是否要被上交给TCP层；

报文状态描述：报文状态b₂b₃b₄为000时，表示正常的编码包；报文状态b₂b₃b₄为001时，表示冗余编码包；报文状态b₂b₃b₄为010时，表示未编码重传报文，但不是最后一个；报文状态b₂b₃b₄为011时，表示未编码重传报文，且是最后一个；报文状态b₂b₃b₄为110时，表示纯粹ACK报文；

步骤2：发送端收到接收端回复的ACK报文，从而确定丢失的报文

发送端保存了每个编码包的原始数据包信息，即此编码包是由哪几个原始数据包组成的，当发送端收到接收端回复的ACK报文时，有以下情形：

1)有新的数据被确认且ACK报文中R-flag未置位，将ACK报文交给上层TCP；

2)有新的数据被确认而ACK报文中R-flag置位，此ACK报文不被交付给上层TCP，但更新编码缓存，将新确认的数据从当前编码缓存中删除；

3)本次ACK并没有确认新的数据，提取其中的Pid-reply域，再罗列Pid值为Pid-reply的编码包的所有原始数据包p_i～p_j(i≤j)，并将ACK报文丢弃；如果目前在发送端未被确认的数据包中最小序号为seq_m，p_i数据包的起始序号是seq_i，可知接收端那边未看到的报文序号是在seq_m～(seq_i-1)之间；由于发送端可能会收到接收端多个这样的ACK报文，未看到的报文区间会被更新，但更新的方式只能是区间长度变小，也就是说seq_i-1只能向着seq_m靠拢；

步骤3：当网络编码层收到上层TCP下来的重传报文时，启动前向重传

启动重传报文丢失时，存在以下情形：

1)如果重传序列的第一个报文或者中间报文丢失，触发重复ACK，情形退回到前向重传机制开始之前的情况；

2)如果最后一个重传报文丢失，发送端只能收到R-flag置位的ACK报文；发送端更新网络编码层的编码缓存，一段时间后上层TCP重传刚刚才重传过的报文序列，网络编码层发现此报文被接收端确认了，则创建一个ACK报文，回给上层TCP；

发送端的网络编码层维护了一个链表re_list，保存着下一次前向重传所需要进行重传的报文；re_list通过接收端那边回的ACK报文来更新；是否启动前向重传取决于re_list是否为空；当网络编码层完成前向重传后，re_list会被清空。

进一步的，还包括当存在超时重传的情况时；网络编码层通过检查TCP层下来的报文是否在编码缓存中来确定这个报文是否是重传包；不管是超时重传报文还是快速重传报文，都先检查该报文是否在re_list中，如果不在就加入到re_list，然后重传re_list的所有报文。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明方法让基于网络编码传输控制协议协议能在一个往返时延内重传所有丢失报文，有助于提高基于网络编码传输控制协议的传输吞吐率。

附图说明

图1是本发明的网络编码层所使用的网络首部。

图2是原有编码传输控制协议的快速重传和快速恢复机制。

图3是本发明前向重传机制发送端对ACK的处理流程。其中，seq_i表示数据包p_i的起始序号，seq_m表示编码缓存中最小序号，[seq_l,seq_r]表示接收端unseen序号区间。

图4是本发明前向重传机制发送端对重传报文的处理流程。seq_m表示编码缓存中最小序号，seq_end表示编码缓存中最靠后报文起始序号。

图5是采用本发明方法的具体传输实例。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

为了支撑前向重传方法，本发明设计了新的网络编码NC帧头，如图1所示。图1中新NC帧头的b₁～b₆与标准TCP协议的保留字段对应。利用b₁标识报文是TCP报文还是NC报文；利用b₂～b₄一起表示当前报文的报文状态；利用b₅表示R-flag，根据R-flag状态表示当前这个ACK报文是否要被上交给TCP层。表1为报文状态描述。

表1报文状态描述

报文状态(b<sub>2</sub>b<sub>3</sub>b<sub>4</sub>)	描述
		000	正常的编码包
001	冗余编码包
		010	未编码重传报文，但不是最后一个
011	未编码重传报文，且是最后一个
		110	纯粹ACK报文

重新设计的NC帧头的Pid和Pid-reply各占两个字节，其中，Pid表示NC层发出的报文的编号，以报文为计数单位，而非字节。接收端在收到编号为Pid的线性组合报文后，在回复的ACK报文中，Pid-reply域就填上Pid，表示当前这个ACK是由编号为Pid的线性组合包激发的。为了在NC层重传未被看到的报文，需要确定丢了哪些报文。

发送端保存了每个编码包的原始数据包信息，即这个编码包是由哪几个原始数据包组成的。如图3，当发送端收到接收端回复的ACK报文时，有如下几种情形。

1.有新的数据被确认且ACK报文中R-flag未置位，那么将其交给上层TCP。

2.有新的数据被确认而ACK报文中R-flag置位，此ACK需要被抑制，不会被交付给上层TCP，但会更新编码缓存，将新确认的数据从当前编码缓存中删除。

3.本次ACK并没有确认新的数据，提取其中的Pid-reply域，然后罗列Pid值为Pid-reply的编码包的所有原始数据包p_i～p_j(i≤j)。如果目前在发送端未被确认的数据包中最小序号为seq_m，p_i数据包的起始序号是seq_i，那么可知接收端那边未看到的报文序号是在seq_m～(seq_i-1)之间。由于发送端可能会收到接收端多个这样的ACK报文，未看到的报文区间会被更新，但更新的方式只能是区间长度变小，也就是说seq_i-1只能向着seq_m靠拢。

每当NC层收到上层TCP下来的重传报文时，前向重传方法才会启动。发送端的NC层维护了一个链表re_list，保存着下一次前向重传所需要进行重传的报文；re_list通过接收端那边回的ACK报文来更新。是否启动前向重传取决于re_list是否为空。当NC层完成前向重传后，re_list会被清空。发送端对重传报文的处理流程见图4。

重传报文丢失时：

1.如果重传序列的第一个报文或者中间报文丢失，那么依然会触发重复ACK，情形退回到前向重传机制开始之前的情况。

2.如果最后一个重传报文丢失，那么发送端只会收到R-flag置位的ACK报文。由于R-flag置位，发送端的NC层不会将这些ACK报文上交给TCP层，但是会更新NC层的编码缓存；一段时间后上层TCP会重传刚刚才重传过的报文序列，NC层发现此报文被接收端确认了，会立马创建一个ACK报文，回给上层TCP。

考虑超时重传的情况。NC层通过检查TCP层下来的报文是否在编码缓存中来确定这个报文是否是重传包。不管是超时重传报文还是快速重传报文，都首先检查该报文是否在re_list中，如果不在就加入到re_list，然后重传re_list的所有报文。

以图5为例，发送端的编码窗口为2，采用滑动窗口的方式对数据包进行编码。C1被正确传输给接收端，接收端在收到C1时，回复对p₁的确认ACK，发送端收到对p₁的ACK后，将p₁从编码缓存删除；C2、C3、C4和C5在传输过程中丢失。发送端同时保存了C1～C5的原始数据包信息，即C1是由p₁组成，C2是由p₁和p₂组成，C3是由p₂和p₃组成，……。接收端在收到编码包C6、C7、C8时，回复给发送端三个对数据报文p₁的确认ACK。发送端的NC层收到由C6激发的ACK报文，此ACK报文是对p₁进行确认，即并没有新的数据被确认。C6由p₅和p₆组成，而由C6激发的ACK报文确认的却是报文p₁，那么说明链路中至少丢失了3个报文，即p₂、p₃和p₄是需要重传的，那么重传链表re_list中的报文为p₂、p₃和p₄。

发送端的TCP层在收到三个重复ACK后，启动快速重传，对p₂进行重传。NC层在收到p₂时，由于发送端的编码缓存中还存在p₂，因此p₂为重传报文，NC层启动前向重传机制，重传p₂、p₃和p₄。考虑到p₄是此次重传序列的最后一个报文，因此p₄的报文状态域为011，而p₂、p₃的报文状态域为010。

接收端在收到这三个重传报文时，提取报文状态域，构造三个ACK报文。其中p₂、p₃的确认报文NC头部的R-flag为1，p₄的确认报文NC头部的R-flag为0。发送端在收到这三个ACK报文后，提取R-flag域，会在NC层抑制p₂、p₃的ACK报文，而将p₄的确认报文上传给TCP层。

Claims

1.一种适用于网络编码传输控制协议的前向重传方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：设计网络编码帧头

3)没有新的数据被确认，提取其中的Pid-reply域，再罗列Pid值为Pid-reply的编码包的所有原始数据包p_i～p_j(i≤j)，并将ACK报文丢弃；

如果目前在发送端未被确认的数据包中最小序号为seq_m，p_i数据包的起始序号是seq_i，那么接收端那边未看到的报文序号是在seq_m～(seq_i-1)之间，即获得了接收端那边缺失的报文数目；由于发送端有几率收到接收端回复的多个这样的ACK报文，未看到的报文区间会被更新，但更新的方式只能是区间长度变小，即seq_i-1只能向着seq_m靠拢；

启动重传报文丢失时，存在以下情形：

2)如果最后一个重传报文丢失，发送端只能收到R-flag置位的ACK报文；发送端更新网络编码层的编码缓存，一段时间后上层TCP重传刚刚才重传过的报文序列，若网络编码层发现此报文被接收端确认了，则创建一个ACK报文，回给上层TCP；

2.如权利要求1所述的一种适用于网络编码传输控制协议的前向重传方法，其特征在于，还包括当存在超时重传的情况时，网络编码层通过检查TCP层下来的报文是否在编码缓存中来确定这个报文是否是重传包；不管是超时重传报文还是快速重传报文，都先检查该报文是否在re_list中，如果不在就加入到re_list，然后重传re_list的所有报文。