專利名稱：一種端到端無線傳輸控制協(xié)議線性網(wǎng)絡編碼的改進方法
技術領域：
本發(fā)明涉及無線通信領域，特別涉及無線通信過程中TCP傳輸性能優(yōu)化技術領域，具體是指一種端到端無線傳輸控制協(xié)議線性網(wǎng)絡編碼的改進方法。
背景技術：
傳輸控制協(xié)議(TCP)是當今互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧的關鍵協(xié)議之一。很多互聯(lián)網(wǎng)應用，比如文件傳輸協(xié)議FTP和網(wǎng)絡終端協(xié)議Telnet等，都是依靠TCP進行數(shù)據(jù)的可靠傳輸。TCP設計之初是專門針對有線網(wǎng)絡設計的，有線網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)丟失主要是由擁塞造成的。但是在無線網(wǎng)絡中，數(shù)據(jù)丟失經(jīng)常是由衰落、干擾和其它物理現(xiàn)象造成的，那么TCP就不適合在無線網(wǎng)絡中應用。在無線網(wǎng)絡中，一旦出現(xiàn)丟包，TCP經(jīng)常錯誤地認為網(wǎng)絡中出現(xiàn)擁塞并且減小傳輸速率，而實際上是無線鏈路丟包，不需要減小發(fā)送滑動窗口。結果，和有線網(wǎng)絡相比時，TCP在無線網(wǎng)絡中的性能就差了很多。網(wǎng)絡編碼由R.Ahlswede等人在2000年提出，其實現(xiàn)依靠網(wǎng)絡中節(jié)點在轉發(fā)信息前對接收到的信息進行編碼后再傳輸。由于網(wǎng)絡編碼可以有效改善通信網(wǎng)絡性能，尤其是無線網(wǎng)絡性能，迅速引起研究人員的注意，并且目前成為全球范圍內的研究熱點。在已有的技術中，端到端線性網(wǎng)絡編碼技術在無線傳輸控制協(xié)議中的應用主要存在以下問題:(1)網(wǎng)絡編碼層編碼時，對需要編碼的原始報文信息的編碼并未具體說明可行的實施過程；(2)在所生成的網(wǎng)絡編碼頭中，編碼頭較為復雜，冗余較多，可以進一步優(yōu)化；(3)接收端在成功接收到編碼報文后，回復攜帶的是期望接收單個未解碼的原始TCP報文信息，這與編碼信息來自網(wǎng)絡編碼層不一致，應該攜帶期望傳輸?shù)木W(wǎng)絡編碼信息；(4)發(fā)送端滑動窗口是動態(tài)的，和丟包率有關，并沒有考慮編碼窗口、滑動窗口以及鏈路丟包的相互關系，容易造成網(wǎng)絡編碼不能有效的解碼。以上問題增加了接收端解碼的復雜度，難于實現(xiàn)，不利于實際的推廣使用。而本發(fā)明針對上述問題，提出了具體可行的解決辦法，改善了基于端到端線性網(wǎng)絡編碼用于無線傳輸控制協(xié)議的效果，提高了無線網(wǎng)絡的吞吐量。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提出一種端到端無線傳輸控制協(xié)議線性網(wǎng)絡編碼的改進方法，降低基于網(wǎng)絡編碼的傳輸控制協(xié)議的編碼和解碼復雜度，減少重傳次數(shù)，提高網(wǎng)絡的吞吐量。在TCP/IP協(xié)議棧的TCP和IP層之間，增加一個子層網(wǎng)絡編碼層，并設置一定大小的網(wǎng)絡編碼緩沖區(qū)。發(fā)送端TCP報文的發(fā)送不再采用單個報文的形式，而是采用一定大小的編碼窗口在網(wǎng)絡編碼層對TCP緩沖區(qū)的多個報文進行隨機線性編碼發(fā)送。接收端接收編碼報文之后，進行解碼，恢復原始的TCP報文。網(wǎng)絡編碼頭包括:起始傳輸?shù)膱笪男蛄刑朣，本次傳輸?shù)木W(wǎng)絡編碼報文序列號，編碼窗口大小N，N個原始TCP報文對應補成固定長度L的補零字節(jié)數(shù)和對應的有限域內的隨機編碼系數(shù)；
編碼算法:X, = Y^kPk，其中Pk為第k個TCP報文，為第i個TCP報文的編碼系
數(shù)，編碼系數(shù)由有限域GF(28)隨機產(chǎn)生，TCP報文在網(wǎng)絡編碼層按照線性編碼算法進行網(wǎng)絡編碼。如果TCP報文負載長度未達到指定長度L，采用補零的方式實現(xiàn)相同長度。作為本發(fā)明的改進，當編碼報文丟失時，發(fā)送端并不立即啟動重傳，而是等待丟失的編碼報文的個數(shù)達到編碼窗口 N時，再啟動重傳，這樣有利于簡化滑動窗口滑動操作以及降低解碼的復雜度，提高網(wǎng)絡的吞吐量。 設冗余因子為R，TCP滑動窗口為W，滑動步調為M，若發(fā)送端未收到重傳控制報文，則滑動步調M=W=N=R ;若收到重傳控制報文,則停止滑動,滑動步調M=O,啟動重傳。作為本發(fā)明的進一步改進，設置已丟失報文重傳次數(shù)上限為T (令T=N)，若重傳T次，依然沒有收到該報文的確認幀，則不再重傳，同時清除緩沖區(qū)中該組其它的編碼報文。本發(fā)明中，發(fā)送端主要處理:編碼和發(fā)送來自于TCP緩沖區(qū)的源數(shù)據(jù)包；以及接收來自于接收端的確認巾貞，確認巾貞包括普通確認巾貞和重傳控制中貞。1.如果收到接收端的普通確認幀，則提取網(wǎng)絡編碼報文系列號，清除網(wǎng)絡編碼緩沖區(qū)中確認收到的編碼報文。2.如果是重傳控制幀，則滑動窗口停止滑動，提取重傳控制幀中的待重傳網(wǎng)絡編碼序列號，啟動重傳。3.如果是來自TCP的要傳輸?shù)脑磾?shù)據(jù)包:(1)判斷TCP緩沖區(qū)的源數(shù)據(jù)包個數(shù)是否達到N個，若沒有達到N個，繼續(xù)等待；否則，轉(2);(2)從TCP緩沖區(qū)提取N個源數(shù)據(jù)包，將N個源數(shù)據(jù)包進行編碼，產(chǎn)生N個編碼報文，并將這N個編碼報文發(fā)送到IP層；(3)提取編碼報文的TCP序列號，清除TCP緩沖區(qū)對應的數(shù)據(jù)包；(4)計算丟失的已經(jīng)編碼報文數(shù)NUM，若NUM〈N，滑動窗口向后滑動N，轉(I);否則，轉(5)；(5)啟動重傳，滑動窗口停止向后滑動，編碼窗口重傳丟失的編碼報文；轉(4)。本發(fā)明中，接收端主要處理:接收并解碼來自于發(fā)送端的編碼報文，以及向發(fā)送端發(fā)送確認中貞。接收到編碼報文后，提取編碼系數(shù)，組成編碼向量，并將該編碼向量放入編碼矩陣中，求出編碼矩陣的秩；(1)若秩〈N，此時保留接收到的編碼數(shù)據(jù)包，并向發(fā)送端發(fā)送確認幀；(2)若秩=N，則可將N個編碼的數(shù)據(jù)包解碼，得到N個源數(shù)據(jù)包，此時清除接收到的N個已經(jīng)解碼的編碼報文，并向信源發(fā)送確認幀。


圖1網(wǎng)絡編碼頭幀設計；圖2重傳確認幀網(wǎng)絡編碼頭設計；圖3網(wǎng)絡編碼算法流程。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明做進一步說明。在TCP/IP協(xié)議棧的TCP和IP層之間，增加一個子層網(wǎng)絡編碼層。發(fā)送端TCP報文的發(fā)送不再采用單個報文的形式，而是采用一定大小的編碼窗口在網(wǎng)絡編碼層對TCP緩沖區(qū)的多個報文進行隨機線性編碼發(fā)送；接收端接收編碼報文之后，進行解碼，恢復原始的TCP報文；當網(wǎng)絡出現(xiàn)編碼報文丟失時，并不立即啟動重傳；僅當丟失的網(wǎng)絡編碼報文數(shù)大于或等于編碼窗口 N時，滑動窗口停止滑動，并啟動重傳。本發(fā)明的網(wǎng)絡編碼頭幀結構如圖1所示，起始傳輸?shù)膱笪男蛄刑朣 (4字節(jié))，本次傳輸?shù)木W(wǎng)絡編碼報文序列號(I字節(jié))，編碼窗口大小N (I字節(jié))，N個原始TCP報文對應補成固定長度L的補零字節(jié)數(shù)(I字節(jié))和對應的有限域內的隨機編碼系數(shù)(I字節(jié))；編碼窗口為參與網(wǎng)絡編碼的原始TCP報文個數(shù)；編碼固定長度L應大于等于實際TCP分段報文大小的整數(shù)值；針對無線網(wǎng)絡，一般有限域取GF (28)。當丟失的網(wǎng)絡編碼報文數(shù)大于或等于編碼窗口 N時，啟動重傳，接收端發(fā)送重傳確認幀，其幀結構如圖2所示，其中類型(I字節(jié))表示該確認幀是普通確認幀還是重傳確認幀；編碼頭長度表示待重傳編碼報文個數(shù)；待重傳編碼序號通知發(fā)送端順序需要重發(fā)的編碼報文。編碼和解碼具體過程如下:發(fā)送端:1.如果收到接收端的普通確認幀，則提取網(wǎng)絡編碼報文系列號，清除網(wǎng)絡編碼緩沖區(qū)中確認收到的編碼報文。2.如果是重傳控制幀，則滑動窗口停止滑動，提取重傳控制幀中的網(wǎng)絡編碼序列號，啟動重傳。3.編碼算法如圖3所示，如果是來自TCP的待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包:(I)如圖3中的步驟120，等待接收上層報文，并判斷TCP緩沖區(qū)的源數(shù)據(jù)包個數(shù)是否達到N個，若沒有達到N個，繼續(xù)等待；否則，轉(2);(2)如圖3中的步驟140，從TCP緩沖區(qū)提取N個源數(shù)據(jù)包，將N個源數(shù)據(jù)包進行編碼，產(chǎn)生N個編碼報文，并將這N個編碼報文發(fā)送到IP層；(3)如圖3中的步驟160，提取編碼報文對應的TCP序列號，清除TCP緩沖區(qū)對應的數(shù)據(jù)包；(4)如圖3中的步驟180，計算丟失的編碼報文數(shù)NUM，若NUM〈N，滑動窗口向后滑動N，轉(I);否則，轉(5)；(5)啟動重傳，如圖3中的步驟200，滑動窗口停止向后滑動，編碼窗口重傳丟失的編碼報文；轉(4)。接收端:接收到編碼報文后，提取編碼系數(shù)，組成編碼向量，并將該編碼向量放入編碼矩陣中，求出編碼矩陣的秩；(I)若秩〈N，此時保留接收到的編碼數(shù)據(jù)包，并向發(fā)送端發(fā)送確認幀；(2)若秩=N，則可將N個編碼的數(shù)據(jù)包解碼，得到N個源數(shù)據(jù)包，此時清除接收到的N個已經(jīng)解碼的編碼報文，并向信源發(fā)送確認幀。
假設網(wǎng)絡的丟包率
權利要求
1.一種基于端到端無線傳輸控制協(xié)議線性網(wǎng)絡編碼的改進方法，其特征在于，其改進方法包括以下幾個方面:(1)在網(wǎng)絡編碼層優(yōu)化了網(wǎng)絡編碼頭幀設計，全面考慮了編解碼所需參數(shù)，縮短了網(wǎng)絡編碼頭長度，減少了網(wǎng)絡編碼頭的復雜性；(2)根據(jù)無線網(wǎng)絡丟包情況，設計了合理的滑動窗口和編碼窗口，并優(yōu)化令兩者大小相等；(3)接收端確認幀捎帶信息內容為期望下一次接收的網(wǎng)絡編碼報文序號；(4)修改了報文丟失重傳機制，當編碼報文累計丟包數(shù)達到編碼窗口大小時，啟動重傳。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種端到端無線傳輸控制協(xié)議線性網(wǎng)絡編碼的改進方法，其特征在于，所述的網(wǎng)絡編碼頭包括:起始傳輸?shù)膱笪男蛄刑朣 (4字節(jié))，本次傳輸?shù)木W(wǎng)絡編碼報文序列號(I字節(jié))，編碼窗口大小N (I字節(jié))，N個原始TCP報文對應補成固定長度L的補零字節(jié)數(shù)(I字節(jié))和對應的有限域內的隨機編碼系數(shù)(I字節(jié))；編碼窗口為參與網(wǎng)絡編碼的原始TCP報文個數(shù)；編碼固定長度L應大于等于實際TCP分段報文大小的整數(shù)值；針對無線網(wǎng)絡，隨機編碼系數(shù)一般取自有限域取GF (28)。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種端到端無線傳輸控制協(xié)議線性網(wǎng)絡編碼的改進方法，其特征在于，所述的接收到編碼數(shù)據(jù)報文之后的確認幀捎帶的信息為:接收端確認捎帶信息內容為期望下一次接收的網(wǎng)絡編碼報文序號，而不是發(fā)送端TCP報文序列號。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種端到端無線傳輸控制協(xié)議線性網(wǎng)絡編碼的改進方法，其特征在于，所述的累計編碼報文重傳機制具體為:當網(wǎng)絡出現(xiàn)編碼報文丟失時，并不立即啟動重傳；僅當丟失的網(wǎng)絡編碼報文數(shù)大于或等于編碼窗口 N時，滑動窗口停止滑動，并啟動重傳。
5.根據(jù)權利要求4所述的一種端到端無線傳輸控制協(xié)議線性網(wǎng)絡編碼的改進方法，其特征在于，所述的重傳控制報文的網(wǎng)絡編碼頭幀格式為:類型(I字節(jié))，長度(I字節(jié))，待重傳的N個編碼報文序列號，每個序列號占I字節(jié)；類型域表明該確認幀是普通確認報文或是啟動重傳控制報文，長度域表示該確認網(wǎng)絡編碼頭的總字節(jié)數(shù)，待重傳的N個編碼報文序列號是通知發(fā)送端順序需要重發(fā)的編碼報文。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種端到端無線傳輸控制協(xié)議線性網(wǎng)絡編碼的改進方法。具體為(1)在網(wǎng)絡編碼層優(yōu)化了網(wǎng)絡編碼頭幀設計，全面考慮了編解碼所需參數(shù)，縮短了網(wǎng)絡編碼頭長度，減少了網(wǎng)絡編碼頭的復雜性；(2)根據(jù)無線網(wǎng)絡丟包情況，設計了合理的滑動窗口和編碼窗口，并優(yōu)化令兩者大小相等。(3)接收端確認捎帶信息內容為期望下一次接收的網(wǎng)絡編碼報文序號；(4)修改了報文丟失重傳機制，當編碼報文累計丟包數(shù)達到滑動窗口數(shù)時，啟動重傳。以上操作能減小網(wǎng)絡編碼的復雜性，提高網(wǎng)絡編碼效率和端到端系統(tǒng)的TCP吞吐量。
文檔編號H04L29/06GK103152359SQ201310097340
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月25日 優(yōu)先權日2013年3月25日
發(fā)明者廖勇, 曹杰, 魏海波, 何娟 申請人:重慶大學