CN107634823B - 基于网络编码的传输控制协议的数据传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于网络编码的传输控制协议的数据传输方法，包括：在编码端和译码端的传输控制协议层与网际协议层之间加入网络编码层，其中编码端的网络编码层实现网络编码，译码端的网络编码层实现译码和应答；译码端的网络编码层根据编码数据包的情况产生ACK应答报文，并在ACK中添加编码首部，通知发送端译码矩阵情况；编码端修改传输控制协议层的快速重传机制，使其更准确有效地重传丢失的数据包。本发明可以在网络编码的情况下，优化快速重传机制，使其更加适用于无线网络环境下基于网络编码的传输控制协议。

Description

基于网络编码的传输控制协议的数据传输方法

技术领域

本发明涉及网络编码技术以及传输控制协议(TCP，Transmission ControlProtocol)的改进技术，具体是一种基于网络编码的传输控制协议的数据传输方法。

背景技术

TCP是一种面向连接的，提供可靠字节流服务的传输层通信协议。由于TCP是通过试探的方式来确定网络拥塞情况，因此在发送网络丢包时，TCP都会认为其为拥塞导致，从而触发拥塞算法，降低发送速率。可见，TCP在无线网络中不能很好地适应无线场景下传输丢包。

以TCP-Reno协议为例，这是目前应用最为广泛的TCP协议之一。TCP-Reno协议有四个传输阶段：慢启动、拥塞避免、快速恢复和快速重传。TCP维护了两个变量：拥塞窗口大小(cwnd)和慢启动门限(ssthresh)。cwnd的初始值设为最大报文段大小(MSS)。一个TCP连接建立起来后，首先进入慢启动阶段。对于每一个ACK，cwnd增长一个MSS大小；因此，cwnd随着往返时延(Round-Trip Times，RTT)进行指数增长。当cwnd超过了ssthresh，TCP发送端进入拥塞避免阶段。当发送窗口内所有的报文都被确认后，cwnd才会增长一个MSS大小，也就是说cwnd随着RTT线性增长。如果传输链路中的某个节点因为拥塞而导致了丢包，或者发送端收到3个重复ACK，或者发送端的重传定时器超时，发送端都会减小cwnd的值，进而减小发送速度，以便缓解链路的拥塞状况。

TCP-Reno这套机制在诸如光纤骨干网这种有线网络环境下可以高效工作，然而在类似无线环境的有损信道下却由于先天设计上的劣势而表现不佳。传统TCP协议为了保证快速、可靠传输和链路公平性，设计了丢包模型，其前提是链路中绝大部分丢包都是因为拥塞导致。网络拥塞产生的原因总体上分为四种：缓冲区容量有限、传输链路的频带有限、节点处理能力有限和网络中某部分发生故障。在有线网络中，传输出错的概率极低，也不存在障碍物阻挡导致的链路短暂中断的可能，因此，有线网络中出现的丢包离不开上面所列的四种情形，对于出现的丢包，TCP协议就应该减小拥塞窗口，降低将数据发往网络的速率，以减轻网络拥塞状况。而无线网络，特别是移动网络，经常面临链路丢包、错包频繁。此时如果依然将丢包看做是链路拥塞的标志显然是不恰当的。

无线环境下的有损信道会让标准TCP错误地启动拥塞控制机制，其主要表现为网络吞吐率的下降、网络资源无法充分利用和对数据传输的频繁打断。如果一个往返时延(RTT)内仅仅出现一个丢包的话，TCP-Reno协议引入的快速重传和快速恢复算法能够从零星的随机丢包中很快恢复过来。然而，在实际的无线网络环境下，经常出现突发错误，也因此有很高概率在一个RTT内出现多个报文丢失的情况。此外，一个RTT内多次失败的重传会导致TCP的RTO快速增大，拥塞窗口乘法减小。标准TCP吞吐率出现了急剧下降。对于丢失的报文，TCP是依靠ACK机制来重传，确保可靠传输，这一来一回又增大了传输时延。不难看出，传统TCP协议在无线环境下传输时延大、吞吐率不高。有损信道下，丢包不仅会让TCP的吞吐率大幅下降，同时丢包引起的重传也会显著增加传输时延。提高TCP协议应对有损信道的能力可以大幅提高提高无线环境下TCP连接的吞吐量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于网络编码的传输控制协议的数据传输方法，解决网络编码引入后快速重传机制被弱化的问题，提高TCP快速重传机制与网络编码的相容程度，弥补了网络编码下动态冗余度调整灵敏度不够高的不足。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于网络编码的传输控制协议的数据传输方法，在编码端的传输控制协议层与网际协议(IP，Internet Protocol)层之间加入网络编码层，此编码端的网络编码层实现网络编码；在译码端的传输控制协议层与网际协议层之间加入网络编码层，此译码端的网络编码层实现译码和应答；具体如下：

在编码端

网络编码层从传输控制协议层获得需要发送的数据包后，判断此数据包是否为传输控制协议层快速重传引起的重传数据包，如果是，则将传输控制协议层发送缓存中前packet_loss个数据包全部进行编码发送，如果不是，则按照正常编码流程，只编码当前数据包并发送；

所述快速重传具体过程为：1)当编码端收到2个重复ACK应答报文时，触发快速重传；2)正常实行传输控制协议拥塞避免算法；3)重传packet_loss数量的数据包，并按照正常编码流程编码传输；4)收到确认新数据的ACK应答报文后退出快速重传机制；

在发送传输控制协议层的数据包时，使用滑动窗口的网络编码机制，发送经过编码的数据包；

在译码端

在接收传输控制协议层的数据包时，维持译码矩阵，根据高斯消元的结果求解原始传输控制协议层数据包，并发送ACK应答报文确认译码端已看到(“seen”，见说明书附图6)的数据包；同时根据收到编码包是否对自己译码有用，来判断是否更新ACK应答报文确认号和接收窗口值，如果为无用编码包则发送重复ACK应答报文。

进一步的，在编码端发送传输控制协议层数据包和译码端发送ACK应答报文包时，在其传输控制协议层首部与网际协议首部之间加入网络编码首部。

进一步的，网络编码层首部由48个字节构成，其中从12个字节到14个字节作为packet_loss字段，此字段记录译码系数矩阵中列数与行数的差值。

进一步的，判断无用编码包有5个条件，互相为逻辑或的关系，具体为：1)任何序号有错误时，编码包无法使用；2)所有序号超过当前编码窗口时，编码包无法在译码中使用；3)所有序号都小于或等于最大已解码(“decoded”，见说明书附图6)包序号时，编码包中的信息对译码端没有意义，为无用编码包；4)所有序号大于最小的未看到(“unseen”，见说明书附图6)包序号时，编码包中的信息对当前译码没有作用，编码包无法在译码中使用；5)当编码包中系数与当前译码矩阵中其他系数线性相关时，此编码包为冗余编码包，且当前解码矩阵不需要冗余包，为无用编码包。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、通过网络编码后，编码窗口越大，TCP协议在发生丢包或乱序时产生重复ACK的可能性越低，此时TCP协议快速重传机制的作用被严重弱化，本发明通过修改TCP快速重传触发条件，增加快速重传机制与网络编码的契合度。

2、通过网络编码后，编码窗口越大，TCP协议对丢包的容忍度越高，同时网络中的丢包情况被译码端掩盖，编码端无法及时了解并重传可能丢失的编码包，这导致编码端进入快速重传时网络中所丢失的编码包往往不止一两个。本发明通过修改快速重传数据包个数，增加快速重传机制与网络编码的契合度。

3、通过动态冗余度下的网络编码后，网络中编码包的丢失主要依靠发送端调整冗余度来进行弥补，但冗余度需要依靠网络中丢包情况进行调整，因此编码端需要不断计算网络中当前丢包情况来调整冗余度，由于网络的多变性，动态计算的冗余度往往灵敏度不够高。本发明通过优化快速重传机制，使其补偿了动态冗余度对多变网络环境的不适应。

附图说明

图1是本发明的网络编码层在协议栈中实现的位置。

图2是本发明的网络编码层所使用的的网络首部。

图3是本发明的编码端处理流程。

图4是本发明的译码端处理流程。

图5是本发明的译码端无用包判定流程。

图6是本发明的译码矩阵一般情况。

图7是本发明的第3种无用包描述情况。

图8是本发明的第4种无用包描述情况。

图9是本发明的第5种无用包描述情况。

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。一般情况下，基于网络编码的传输控制协议，其基本思路是将网络编码与TCP结合起来。在这种方法下，少量丢包被译码端所掩盖，可以通过其后的冗余编码包来补偿。但基于网络编码的传输控制协议存在一些问题，例如TCP原始的快速重传机制被弱化，在网络状况波动较大时，基于网络编码的传输控制协议的冗余度调整灵敏度也会比较低，难以跟上网络的变化速度。本发明方法可以在网络编码的情况下，优化快速重传机制，使其更加适用于无线网络环境下基于网络编码的传输控制协议，详述如下：

1、在编码端和译码端的TCP层与IP层之间加入网络编码层；在发送TCP数据包时，使用滑动窗口的网络编码机制，发送经过编码的数据包；在接收TCP数据包时，维持译码矩阵，根据高斯消元的结果求解原始TCP数据包，并发送ACK(Acknowledgement)应答已看到“seen”的数据包。

2、在编码端发送TCP数据包和译码端发送ACK应答包时，在其TCP首部与IP首部之间加入网络编码首部。网络编码层首部由48个字节构成，其中从12个字节到14个字节作为packet_loss字段，此字段记录译码系数矩阵中列数与行数的差值。

3、编码端修改TCP原本的快速重传机制，具体是：

1)编码端收到第2次重复ACK后(确认号，接收窗口不变)，判断当前重复ACK中packet_loss值，如果其大于0则进入快速重传。

2)编码端根据收到的第2次重复ACK中packet_loss值确定发送编码包的个数，其发送个数与packet_loss值相等。

4、译码端收到编码包后，发送应答ACK，同时根据收到编码包是否对自己译码有用，来判断是否更新ACK确认号和接收窗口值，如果为无用包则发送重复ACK，无用包情况如下：

1)编码包中包含的原始数据包序号错误。

2)编码包中包含的原始数据包序号超出当前译码矩阵范围。

3)编码包中包含的所有原始数据包序号小于或等于最大已解码“decoded”的数据包序号。

4)编码包中包含的所有原始数据包序号大于最小的未看到“unseen”的数据包序号。

5)编码包虽然不满足以上4条，但与译码矩阵中已收到的所有编码包线性相关。

如图1所示，网络编码的基本实现框架是在传统的OSI七层网络模型的TCP层和IP层中间添加一层网络编码层用以实现编码译码传输功能。

如图2所示，网络编码层首部由48个字节构成。其中，Source port和Destinationport分别表示网络编码数据报文的源端口和目的端口；Base域表示发送端发送队列中最小的字节序号；Start 1域表示第一个参与编码的原始TCP数据报文的第一个字节序号；packet loss域的值为译码矩阵中列数与行数的差值，代表译码缺少的数据包数量；End 1域表示第一个参与编码的原始TCP数据报文的最后一个字节序号；Start 2域表示第二个参与编码的原始TCP数据报文的第一个字节序号；Start 3，Start 4，Start 5域的含义与Start 2类似；End 2表示第二个参与编码的原始TCP数据报文的最后一个字节序号；End 3，End 4，End 5域的含义与End2类似；n域表示参与编码的原始TCP数据报文个数；a[i]域表示第i个参与编码的原始TCP数据报文所对应的编码系数；wscale表示网络编码数据包的窗口扩展因子；ncack域表示网络编码层确认的字节序号；recv window域表示发送数据报文的网络编码层的当前的接收窗口值；private 1和private 2域是进行自适应冗余度调整的反馈参数。

在编码端，修改快速重传机制，具体如下：1)由于译码端发送掩盖丢包后，发送重复ACK的可能性降低，当编码端收到2个重复ACK时，触发快速重传。2)正常实行TCP拥塞避免算法。3)重传packet_loss数量的数据包，并按照正常编码流程编码传输。4)收到确认新数据的ACK后退出快速重传机制。

如图3所示，其为编码端网络编码层处理数据包的流程。图中网络编码层从TCP层获得需要发送的数据包后，判断是否为TCP快速重传引起的重传数据包，如果是则将TCP发送缓存中前packet_loss个数据包全部进行编码发送；如果不是则按照正常编码流程，只编码当前数据包并发送。

如图4所示，其表示译码端网络编码层处理编码数据包的流程。图中网络编码层从IP层获取新的编码数据报文，分析其是否为无用编码包，如果判断为无用包，则向发送端发送重复ACK；如果不是无用编码包，则进行正常的解码流程。

如图5所示，判断无用包有5个条件，互相为逻辑或的关系。成为无用包的原因有：

1)任何序号有错误时，编码包无法使用。

2)所有序号超过当前编码窗口时，编码包无法在译码中使用。

3)所有序号都小于或等于最大已解码“decoded”数据包序号时，编码包中的信息对译码端没有意义，因为这些信息译码端已经拿到了。

4)所有序号大于最小的未看到“unseen”数据包序号时，编码包中的信息对当前译码没有作用，因此编码包无法在译码中使用。

5)当编码包中系数与当前译码矩阵中其他系数线性相关时，此包为冗余编码包，且当前解码矩阵不需要冗余包，因此为无用包。

如图6所示，其表示译码矩阵做完一次高斯消元后的形态，图中每一行代表一个编码包，每一列代表编码包中包含的一个原始数据包系数。高斯消元后，译码矩阵变成了两个子矩阵，左边的子矩阵是单位阵，右边的子矩阵是非零矩阵。其中单位阵所在的列对应的原始TCP数据包被认为是已看到“seen”到的数据包；非零矩阵所在列对应的原始TCP数据包被认为是未看到“unseen”到的数据包；如果某一行只有一个非零元素，则这个非零元素所在列对应的原始TCP数据包已经被解码“decoded”，如图中第一行第一列。

如图7所示，其表示刚加入新的编码包，还没有做高斯消元时译码矩阵的情况。此图为本发明第3种无用包描述情况示例，新加入的编码包所包含的所有原始数据包都已经“decoded”了，因此编码包属于无用包，高斯消元后第7行被化掉，此时需要发送重复ACK作为应答，ACK中packet_loss字段填入1。

如图8所示，其表示刚加入新的编码包，还没有做高斯消元时译码矩阵的情况。此图为本发明第4种无用包描述情况示例，新加入的编码包所包含的所有原始数据包都属于未看到“unseen”，且不包含序号最小的未看到“unseen”，因此判断为乱序包，高斯消元后移出译码矩阵，放入乱序列表中，并发送重复ACK作为应答，ACK中packet_loss字段填入5。

如图9所示，其表示刚加入新的数据包，还没有做高斯消元时译码矩阵的情况。此图为本发明第5种无用包描述情况示例，其中，此时新加入的编码包所包含的线性组合与以前的线性相关，所以是判断为无用包，高斯消元后移出译码矩阵，放入乱序列表中，并发送重复ACK作为应答，ACK中packet_loss字段填入1。

Claims (4)

1.一种基于网络编码的传输控制协议的数据传输方法，其特征在于：

在编码端的传输控制协议层与网际协议层之间加入网络编码层，此编码端的网络编码层实现网络编码；在译码端的传输控制协议层与网际协议层之间加入网络编码层，此译码端的网络编码层实现译码和应答；具体如下：

在编码端

网络编码层从传输控制协议层获得需要发送的数据包后，判断此数据包是否为传输控制协议层快速重传引起的重传数据包，如果是，则将传输控制协议层发送缓存中前packet_loss个数据包全部进行编码发送，packet loss域的值为译码矩阵中列数与行数的差值，代表译码缺少的数据包数量，如果不是，则按照正常编码流程，只编码当前数据包并发送；

所述快速重传具体过程为：

1)当编码端收到2个重复ACK应答报文时，触发快速重传；

2)正常实行传输控制协议拥塞避免算法；

3)重传packet_loss数量的数据包，并按照正常编码流程编码传输；

4)收到确认新数据的ACK应答报文后退出快速重传机制；

在发送传输控制协议层的数据包时，使用滑动窗口的网络编码机制，发送经过编码的数据包；

在译码端

在接收传输控制协议层的数据包时，维持译码矩阵，根据高斯消元的结果求解原始传输控制协议层数据包，并发送ACK应答报文确认译码端已看到的数据包；

同时根据收到的编码包是否对译码有用，来判断是否更新ACK应答报文确认序号和接收窗口值，如果为无用编码包则发送重复ACK应答报文。

2.如权利要求1所述的基于网络编码的传输控制协议的数据传输方法，其特征在于：

在编码端发送传输控制协议层数据包和译码端发送ACK应答报文时，在其传输控制协议层首部与网际协议首部之间加入网络编码首部。

3.如权利要求2所述的基于网络编码的传输控制协议的数据传输方法，其特征在于：

网络编码层首部由48个字节构成，其中从第12个字节到第14个字节作为packet_loss字段，此字段记录译码系数矩阵中列数与行数的差值。

4.如权利要求1至3任一项所述的基于网络编码的传输控制协议的数据传输方法，其特征在于：判断无用编码包有5个条件，互相为逻辑或的关系，具体为：

1)任何序号有错误时，编码包无法使用；

2)所有序号超过当前编码窗口时，编码包无法在译码中使用；

3)所有序号都小于或等于最大已解码包序号时，编码包中的信息对译码端没有意义，为无用编码包；

4)所有序号大于最小的未看到包序号时，编码包中的信息对当前译码没有作用，编码包无法在译码中使用；

5)当编码包中系数与当前译码矩阵中其他系数线性相关时，此编码包为冗余编码包，且当前解码矩阵不需要冗余包，为无用编码包。

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