劉 釗，史迎春

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第20研究所，西安 710068； 2.國(guó)防信息學(xué)院，武漢 430010)

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傳輸層網(wǎng)絡(luò)編碼性能分析

劉 釗1，史迎春2

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第20研究所，西安 710068； 2.國(guó)防信息學(xué)院，武漢 430010)

底層網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)丟包導(dǎo)致的傳輸控制協(xié)議(TCP)傳輸性能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)境下依然能夠保持在較好的性能，通過分析傳輸層網(wǎng)絡(luò)編碼(TCP/NC)協(xié)議的基本原理，分別利用NS-2搭建了軟件仿真平臺(tái)和Wi-Fi開發(fā)板搭建了硬件仿真平臺(tái)。在2種平臺(tái)上分別測(cè)試了傳輸層網(wǎng)絡(luò)編碼的性能并且分析了TCP的擁塞窗口和吞吐量性能。實(shí)驗(yàn)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(jī)丟包帶來的影響，提升TCP吞吐量。

網(wǎng)絡(luò)編碼；傳輸層；吞吐量

0 引 言

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)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)上對(duì)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(diǎn)，中間節(jié)點(diǎn)扮演著編碼器或信號(hào)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(chǔ)的限制，它允許網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包進(jìn)行編碼和處理，從而使網(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。因此，網(wǎng)絡(luò)編碼引起了學(xué)術(shù)界廣泛的重視，從而奠定了網(wǎng)絡(luò)編碼在現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通信研究領(lǐng)域的重要地位。

網(wǎng)絡(luò)編碼雖然起源于對(duì)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，例如：網(wǎng)絡(luò)鏈路傳輸?shù)目煽啃?，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，提高網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率，均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和網(wǎng)絡(luò)編碼在無線網(wǎng)絡(luò)下的研究等。尤其在近幾年來，網(wǎng)絡(luò)編碼的研究熱點(diǎn)已經(jīng)由傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下的網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)轉(zhuǎn)為無線網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下的網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)。因?yàn)闊o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。應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)編碼可以解決傳統(tǒng)路由技術(shù)無法解決的問題，以提高網(wǎng)絡(luò)性能。具體來說，網(wǎng)絡(luò)編碼在無線網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用可以提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，尤其是組播吞吐量；可以減少數(shù)據(jù)包的傳播次數(shù)，降低無線發(fā)送能耗；采用隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼，即使網(wǎng)絡(luò)部分節(jié)點(diǎn)或鏈路失效，最終在目的節(jié)點(diǎn)仍然能恢復(fù)原始數(shù)據(jù)，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)性和魯棒性。

在基于傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議(TCP/IP)與802.11協(xié)議所組成的協(xié)議棧的有損網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)膱?chǎng)景下，由J. K. Sundararajan[2-4]等人提出的傳輸層網(wǎng)絡(luò)編碼(TCP/NC)協(xié)議是在TCP[5]層與IP層之間加入網(wǎng)絡(luò)編碼層，通過網(wǎng)絡(luò)編碼將下層的丟包掩蓋，使TCP繼續(xù)保持良好的傳輸性能而不是主動(dòng)縮小擁塞窗口降低發(fā)送速率，除此之外，TCP/NC協(xié)議[6]具有很好的兼容性。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送隨機(jī)不相關(guān)丟包時(shí)，尤其在丟包率較大時(shí)，能極大地提升TCP的性能。因此，TCP/NC協(xié)議必須能夠?qū)褂捎谒ヂ湟鸬碾S機(jī)丟包。

本文針對(duì)TCP/NC協(xié)議進(jìn)行了軟件和硬件平臺(tái)上的仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了TCP/NC協(xié)議能夠抵抗底層隨機(jī)丟包對(duì)上層TCP帶來性能下降的影響，仿真結(jié)果表明：在這種底層有隨機(jī)丟包的網(wǎng)絡(luò)中，TCP/NC能夠明顯提升系統(tǒng)吞吐量。

1 協(xié)議棧介紹

TCP協(xié)議即傳輸控制協(xié)議,對(duì)應(yīng)于開放式系統(tǒng)互聯(lián)(OSI)七層模型中的傳輸層，建立于網(wǎng)絡(luò)層之上，它旨在給互聯(lián)網(wǎng)提供一種可靠的端到端的字節(jié)傳輸流。TCP是當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)廣泛使用的傳輸層協(xié)議,除了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(shí)，還會(huì)主動(dòng)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)存在物理層隨機(jī)丟包的情況，當(dāng)在無線網(wǎng)絡(luò)中使用TCP時(shí)，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(dòng)降低發(fā)送速率，最終會(huì)將網(wǎng)絡(luò)的吞吐量限制在一個(gè)較低的水平。

對(duì)于協(xié)議棧的修改[2]如圖 1。其中添加了網(wǎng)絡(luò)編碼層，它位于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)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(duì)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。協(xié)議棧中添加的網(wǎng)絡(luò)編碼層和新的TCP層合稱TCP/NC層。

圖1 TCP/NC協(xié)議棧

網(wǎng)絡(luò)編碼層主要負(fù)責(zé)對(duì) TCP 層遞交的數(shù)據(jù)包進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編解碼，通過增加協(xié)議層這種跨層[7-8]的思想結(jié)合網(wǎng)絡(luò)編碼，并且保持TCP與 IP的接口不發(fā)生任何改動(dòng)。將網(wǎng)絡(luò)編碼用于解決TCP與有損無線網(wǎng)絡(luò)的這種思想非常具有創(chuàng)新性，這給如何解TCP在無線網(wǎng)絡(luò)下性能衰退嚴(yán)重的問題帶來了新思路。當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)編碼在無線網(wǎng)絡(luò)中的研究主要集中于介質(zhì)訪問控制子層協(xié)議(MAC)[9-11]以下，針對(duì)其在傳輸層中的研究工作還較少。

2 TCP/NC算法介紹

傳輸層網(wǎng)絡(luò)編碼的算法主要包含2個(gè)部分：編碼端算法；解碼端算法。

(1) TCP/NC編碼流程

TCP/NC網(wǎng)絡(luò)編碼的編碼端流程：

步驟1，設(shè)置變量num為0。

步驟2，等待狀態(tài)：如果下面任何事件發(fā)生，則按照下面方法響應(yīng)；否則，等待。

步驟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(gè)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)下面子步驟次:

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

(b) 將網(wǎng)絡(luò)編碼數(shù)據(jù)包的隨機(jī)系數(shù)和編碼信息加入網(wǎng)絡(luò)編碼頭。

(c) 將數(shù)據(jù)包傳輸給IP層。

(d)num=num-1。

⑤ 返回等待狀態(tài)。

步驟4.確認(rèn)字符(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。

上述為TCP/NC的編碼流程，對(duì)于編碼端接到的數(shù)據(jù)包只有2種情況:一種是從TCP發(fā)送端接到的數(shù)據(jù)包;一種是從接收端發(fā)送的ACK。按照上述流程對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行操作，繪制成流程圖如圖2所示。

圖2 發(fā)送端流程圖

(2) TCP/NC解碼流程

TCP/NC網(wǎng)絡(luò)編碼、解碼端流程：

步驟1，等待狀態(tài)：如果下面任何事件發(fā)生，則按照下面方法響應(yīng)；否則，等待。

步驟2，當(dāng)ACK是從TCP-Sink到達(dá)：如果ACK確認(rèn)的是一個(gè)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。

步驟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(gè)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到的數(shù)據(jù)包。

③ 將負(fù)載加入解碼緩存，如果任何一個(gè)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(hào)。

上述為TCP/NC的解碼流程，對(duì)于編碼端接到的數(shù)據(jù)包只有3種情況:一種是從發(fā)送端接到的編碼數(shù)據(jù);一種是從TCP-Sink發(fā)送來的ACK;還有一種是負(fù)責(zé)信令交互的數(shù)據(jù)包。按照上述流程對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行操作，繪制成流程圖如圖3所示。

圖3 接收端流程圖

3 軟硬件平臺(tái)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 軟件平臺(tái)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

仿真實(shí)驗(yàn)均是在NS-2平臺(tái)下完成的。在本實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)用層采用FTP從10 s開始傳輸，到90 s傳輸結(jié)束。設(shè)置數(shù)據(jù)包大小為1 000字節(jié)，TCP的擁塞窗口為50。

仿真實(shí)驗(yàn)所使用線型拓?fù)淙鐖D4所示。

圖4 仿真實(shí)驗(yàn)使用的線性網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

TCP-NC在丟包率為5%，10%，20%，R為不同值時(shí)，TCP/NC的有效吞吐量分別如圖5～圖7所示。

從圖 5、圖 6和圖 7的理論分析得到的冗余因

圖5 丟包率為5%，R為不同值時(shí)TCP/NC的有效吞吐量

圖6 丟包率為10%，R為不同值時(shí)TCP/NC的有效吞吐量

圖7 丟包率為20%，R為不同值時(shí)TCP/NC的有效吞吐量

圖 8驗(yàn)證了TCP/NC算法應(yīng)用于一般無線系統(tǒng)的有效性，即當(dāng)物理信道存在一定丟包率的情況下，系統(tǒng)的有效吞吐量還能保持在一個(gè)比較高的水平，而沒有出現(xiàn)非常劇烈的波動(dòng)。

圖8 系統(tǒng)在不同丟包率情況下，TCP&TCP/NC有效吞吐量

如圖9所示，擁塞窗口的大小應(yīng)該是與有效吞吐量是保持一致的。將上面實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線與之前的吞吐量曲線進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)兩者的趨勢(shì)基本一致。

圖9 TCP&TCP/NC在不同丟包率下的擁塞窗隨時(shí)間變化

3.2 硬件平臺(tái)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如圖10所示是用于實(shí)現(xiàn)及測(cè)試TCP/NC的

Wi-Fi開發(fā)板所搭建成的硬件仿真平臺(tái)示意圖。開發(fā)板的主要組成為：ARM Stm32f103單片機(jī)、RS232串口、JTAG/JLINK接口和Wi-Fi模塊。該開發(fā)板使用Keli uVeison4軟件編譯源代碼，通過JTAG/JLINK接口將編譯好的程序下載到開發(fā)板。電腦和開發(fā)板通過RS232串口線連接，從而可以利用電腦上的串口調(diào)試工具觀察運(yùn)行信息。

圖10 硬件系統(tǒng)示意圖

在有丟包網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的TCP/NC和TCP的性能比較。實(shí)驗(yàn)中設(shè)置丟包率p為2%，發(fā)送窗口與有效傳輸速率如圖 11與圖 12所示。

從圖 11可以看出，在有隨機(jī)丟包的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，TCP/NC發(fā)送窗口的大小仍然能夠達(dá)到且維持在最大發(fā)送窗口，而TCP會(huì)因?yàn)閬G包而產(chǎn)生發(fā)送窗口大小的波動(dòng)。從圖 12可以看出，在有隨機(jī)丟包的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，TCP/NC仍然有一個(gè)比較穩(wěn)定的有效傳輸速度。

同樣，在設(shè)置丟包率為2%的條件下，還研究了不同冗余因子R對(duì)TCP/NC吞吐量性能的影響。

通過圖13與之前軟件平臺(tái)仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果(如圖 5～圖 7的結(jié)果)對(duì)比來看，能得到相同的結(jié)論。

圖11 有丟包網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的TCP/NC和TCP的發(fā)送窗口

4 結(jié)束語

本文基于J.K.Sundararajan等人提出的TCP/NC協(xié)議的研究基礎(chǔ)之上，分別在利用NS-2所搭建的軟件仿真平臺(tái)與Wi-Fi開發(fā)板搭建的硬件仿真平臺(tái)上對(duì)TCP/NC的性能進(jìn)行了仿真與性能分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：TCP/NC能夠有效克服底層隨機(jī)丟

圖12 有丟包網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的TCP/NC和TCP的有效傳輸速率

圖13 不同冗余度R條件下TCP/NC的平均吞吐量曲線

包造成TCP傳輸性能劇烈下降的問題，而且提升效果顯著，解決問題辦法新穎，并且與現(xiàn)有協(xié)議棧的兼容性較好。

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Performance Analysis on Transmission Control Protocol Layer with Network Coding

LIU Zhao1，SHI Ying-chun2

(1.The 20th Research Institute of CETC,Xi'an 710068,China；2.PLA Academy of National Defense Information，Wuhan 430010，China)

The long-standing problem is that the transmission performance deterioration of transmission control protocol (TCP) caused by random packet loss in lower layer network.In order to guarantee the TCP throughput still maintain good performance in wireless network environment,this paper analyzes the basic principle of transmission control protocol layer with network coding (TCP/NC) protocol,separately uses NS-2 to construct software simulation platform and Wi-Fi development board to construct hardware simulation platform,tests the TCP/NC performance and analyzes the congestion window and throughput of TCP.The experimental results show that TCP/NC can effectively overcome the impact of random packet loss in lower layer and improve the TCP throughput.

network coding;transmission layer;throughput

2016-01-19

TN915.04

A

CN32-1413(2016)04-0092-07

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.04.021