中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所 劉　釗

傳輸層網(wǎng)絡(luò)編碼研究

中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所 劉釗

底層網(wǎng)絡(luò)隨機丟包導(dǎo)致的TCP傳輸性能的惡化的問題由來已久。為了保障TCP的吞吐量在無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下依然能夠保持優(yōu)良的性能，通過分析傳輸層網(wǎng)絡(luò)編碼（TCP/NC協(xié)議）的基本原理，結(jié)果表明：傳輸層網(wǎng)絡(luò)編碼能夠有效克服底層的隨機丟包帶來的影響，提升TCP吞吐量。

網(wǎng)絡(luò)編碼；傳輸層；傳輸層網(wǎng)絡(luò)編碼

引自2000年來，Ahlswede［1］等人的研究開創(chuàng)了網(wǎng)絡(luò)編碼的新領(lǐng)域。網(wǎng)絡(luò)編碼是一種融合了路由和編碼的信息交換技術(shù)，它的核心思想是在網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點上對各條信道上收到的信息進(jìn)行線性或者非線性的處理，然后轉(zhuǎn)發(fā)給下游節(jié)點，中間節(jié)點扮演著編碼器或信號處理器的角色。網(wǎng)絡(luò)編碼突破了傳統(tǒng)路由在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包只能轉(zhuǎn)發(fā)和存儲的限制，使網(wǎng)絡(luò)的多播傳輸達(dá)到“最大流最小割”理論上的最大傳輸容量。網(wǎng)絡(luò)編碼雖然起源于對多播傳輸?shù)难芯?，但是現(xiàn)今已拓展到網(wǎng)絡(luò)研究的許多方面。無線鏈路的不可靠性和物理層廣播特性非常適合使用編碼的方法。

1　協(xié)議棧介紹

傳輸層TCP協(xié)議能夠提供可靠的端到端通信之外，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞時，還會主動降低發(fā)送速率以使網(wǎng)絡(luò)性能盡快恢復(fù)。但由于無線信道本身的易誤碼特性，導(dǎo)致其持續(xù)存在無線物理層隨機誤碼，使用TCP協(xié)議就容易將這種無線信道誤碼引起的丟包誤認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)了擁塞，進(jìn)而主動降低發(fā)送速率，最終會將網(wǎng)絡(luò)的吞吐量限制在一個較低的水平。

對于協(xié)議棧的修改［2］如圖1所示。其中，添加了網(wǎng)絡(luò)編碼層，它位于傳統(tǒng)計算機網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)中的傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層之間，其在源端對TCP傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼；在接收端進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)解碼，將數(shù)據(jù)還原成TCP的數(shù)據(jù)并遞交給TCP-Sink。

圖1　TCP/NC協(xié)議棧

圖2 發(fā)送端流程圖

2　TCP/NC算法介紹

本文介紹的網(wǎng)絡(luò)編碼算法為：隨機線性網(wǎng)絡(luò)編碼。隨機網(wǎng)絡(luò)編碼該方法基于一種隨機選擇編碼向量的策略：對于除了信宿節(jié)點外的所有中間節(jié)點，只要在一個足夠大的有限域上隨機選擇它們輸入鏈路到輸出鏈路的映射，而且各節(jié)點映射關(guān)系的選取是相互獨立的，就能以較高概率使各個信宿節(jié)點對應(yīng)的系統(tǒng)轉(zhuǎn)移矩陣滿秩，各信宿節(jié)點能以較高的概率成功譯碼。隨機網(wǎng)絡(luò)編碼具有重要的理論價值和應(yīng)用價值，得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。傳輸層網(wǎng)絡(luò)編碼的算法主要包含兩個部分：（1）編碼端算法；（2）解碼段算法。

2.1TCP/NC編碼流程（見圖2）

TCP/NC網(wǎng)絡(luò)編碼的編碼端流程：

（1）設(shè)置變量 NUM 為0。

（2）等待狀態(tài)。

（3）當(dāng)數(shù)據(jù)包從TCP發(fā)送端來。

1）如果數(shù)據(jù)包是一個用于建立連接的控制數(shù)據(jù)包，將其直接傳遞給IP層，并且返回等待狀態(tài)。

2）如果數(shù)據(jù)包還沒有加入編碼窗口，將其加入網(wǎng)絡(luò)編碼窗口。

3）設(shè)置NUM = NUM + R （R是網(wǎng)絡(luò)編碼冗余因子）。

4）重復(fù)下面子步驟[NUM]次。

①用網(wǎng)絡(luò)編碼窗口中的數(shù)據(jù)包產(chǎn)生一個隨機線性組合。

②將網(wǎng)絡(luò)編碼數(shù)據(jù)包的隨機系數(shù)和編碼信息加入網(wǎng)絡(luò)編碼頭。③將數(shù)據(jù)包傳輸給IP層。④NUM = NUM -1。5）返回等待狀態(tài)。

（1）ACK從接收端到達(dá)：將被確認(rèn)的數(shù)據(jù)包從編碼緩存中移除，并且將ACK傳遞給TCP發(fā)送端。

2.2TCP/NC解碼流程

圖3　接收端流程圖

TCP/NC網(wǎng)絡(luò)編碼解碼端流程：

（1）等待狀態(tài)。

（2）當(dāng)ACK是從TCP-Sink到達(dá)：如果ACK確認(rèn)的是一個建立鏈接的控制數(shù)據(jù)包，將其直接傳遞給IP層，然后再返回等待狀態(tài)；否則，忽略當(dāng)前ACK。

（3）當(dāng)數(shù)據(jù)包是從源端發(fā)送來。

1）將網(wǎng)絡(luò)編碼的頭從編碼的數(shù)據(jù)包中移除，將編碼系數(shù)向量從包頭中取出。

2）將網(wǎng)絡(luò)編碼的編碼向量作為一個行向量加入解碼系數(shù)矩陣，并且用高斯-約旦消元法處理接收矩陣。

3）將負(fù)載加入解碼緩存，如果任何一個數(shù)據(jù)包可以解碼，則將其傳遞給TCP-Sink并從緩存中移除。

4）產(chǎn)生新的TCP確認(rèn)序號。

3　結(jié)束語

本文分析表明：TCP/NC能夠有效克服底層隨機丟包造成TCP傳輸性能劇烈下降的問題，而且提升吞吐量，與現(xiàn)有協(xié)議棧的兼容性較好。

［1］Ahlswede R，Cai N，Li S-Y，et al.Network information flow［J］. Information Theory，IEEE Transactions on，2000，46 （4）：1204-1216.

［2］Sundararajan JK，Shah D，Medard M，et al.Network coding meets TCP［J］.IEEE Infocom 2009-IEEE Conference on Computer Communications，Vols 1-5，2009：280-288.