CN103200192B - 网络编码层对数据包的编解码方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于网络编码层对发送的数据包进行编码的方法，以及网络编码层对接收到的数据包进行解码的方法。所述网络编码层应用于TCP协议与IP协议之间。编码方法包括：设置若干个编码矩阵；网络编码层收到传输控制协议TCP层发送给接收端的数据包时，判断当前编码矩阵的剩余空间是否大于零，如果是，将数据包放入当前编码矩阵，进行线性编码，产生一个线性编码组合包，组合包的包头中包括本次线性编码的系数、编码矩阵的索引号，以及所述数据包的序号；否则选择两个或两个以上的编码矩阵中的第二编码矩阵作为当前编码矩阵，再次尝试编码。解码方法大致与编码方法对应。本发明借助多矩阵并行编解码，提高了高容量无线环境下的TCP传输吞吐量。

Description

网络编码层对数据包的编解码方法

技术领域

本发明涉及计算机网络领域，具体涉及一种针对TCP协议优化的网络编码层对数据包的编解码方法，所述网络编码层应用于TCP协议与IP协议之间。

背景技术

随着移动通信3G，WIFI等多种无线技术和智能移动终端的迅猛发展，各种各样的移动互联应用逐渐渗透到人们生活的各个方面，移动互联网扮演着越来越重要的角色。同时移动互联网应用也对无线网络的传输效率提出了更高的要求，因此如何提高无线网络的传输效率、改善传输质量、提高用户体验成为如今网络研究中一个备受关注的热点问题。

而针对网络传输层中占主导地位的TCP协议的优化就成为提高网络传输效率的主要手段之一。TCP协议是一种面向连接的可靠的传输控制协议，最初它是面向有线网络而设计的。而有线链路的传输质量较好，有线网络中的丢包一般是网络拥塞造成的，而很少是由链路错误引起的。无线网络中丢包有可能是拥塞，也有可能是链路误码造成的，而传统的TCP无法区分不同的丢包情况，总是视为拥塞而减小发送端的速率，结果造成在无线环境下的TCP传输效率不高。针对无线环境的高误码率，已经提出了许多改进的方法，主要有显示拥塞通知机制方法（ECN，ExplicitCongestionNotification），分段连接TCP等方案。其中ECN方法需要中间路由器特殊支持，与现有网络的互操作性不强；分段TCP方案将TCP分为无线段和有线段传输，破坏了TCP端到端的语义。

美国麻省理工学院（MIT）提出一种基于网络编码的TCP优化方法（TCP/NC方法），TCP/NC方法在TCP与IP层之间定义新的网络编码层，TCP发送端产生的数据包不再以单个数据包的形式进行转发，而是在网络编码层按一定的冗余率R进行随机线性编码后以线性组合的形式发往接收端，利用网络编码的信息冗余特性，使得无线网络的非拥塞丢包对发送端隐藏。接收端收到编码包后，在网络编码层进行解码并将解码后的包交给TCP接收端。TCP/NC方法引入可见包机制：如果一个节点收到足够的编码包，能够计算出形如(p_k+q)的线性组合，其中q＝Σ_1＞ka₁p₁，且对所有l>k有a₁∈F_q（F_q是大小为q的有限域），则称接收端看见了包p_k，p_k就成为了这个节点的可见包。当接收端判断看见一个包p_k时，就可以立即发送一个ACK响应给发送端，而不必等到此包完全解码。可见包机制的引入了解决了解码时延所产生ACK响应不及时的问题，使得网络编码能够很好的适应基于流的TCP协议；可见包机制可以屏蔽TCP丢包次序，因此能够较好的避免TCPRENO算法中的因链路误码丢包所触发的错误的拥塞控制。

在网络编码层中，所有要发送的数据包都需要放在编码矩阵中进行编码后才能发送给接收端，并在接收到对端发送的确认包ACK后删除编码矩阵中的相应数据包。因此编码矩阵的大小W就决定了发送端与接收端之间的网络编码通道的容量。如果W过小，就会导致网络编码通道的容量小于物理路径的实际容量，成为传输路径上的瓶颈。但如果W过大，每次线性编码产生的组合包将需要携带更多系数导致每个包的有效载荷变小，降低传输效率；同时大的W也会大幅度增加两端编解码的计算量；因此在高容量的无线链路上，上述的网络编码方法将无法有效提高TCP的吞吐量。

发明内容

针对现有技术中的上述问题，本发明实施例提供一种网络编码层对发送的数据包进行编码的方法，以及一种网络编码层对接收到的数据包进行解码的方法。

在第一方面，本发明实施例提供一种所述编码方法，该方法包括：步骤1，初始化网络编码层，设置用于对发送的数据包进行编码的两个或两个以上的编码矩阵，每个编码矩阵的大小为W，选择所述两个或两个以上的编码矩阵中的第一编码矩阵作为当前编码矩阵，所述W即该编码矩阵的所有矩阵元素的个数之和；步骤2，网络编码层收到传输控制协议TCP层发送给接收端的数据包时，判断当前编码矩阵的剩余空间是否大于零，如果是，进入步骤4，否则进入步骤3，所述当前编码矩阵的剩余空间即该编码矩阵中未存数据包的矩阵元素数目；步骤3，选择两个或两个以上的编码矩阵中的第二编码矩阵作为当前矩阵，返回步骤2；步骤4，将数据包p放入当前编码矩阵，并对编码矩阵中的所有n个数据包按式子进行线性编码，其中系数a₁∈F_q（F_q是大小为q的有限域），产生一个线性编码组合包，组合包的包头中包括本次线性编码的系数、编码矩阵的索引号，以及所述数据包的序号。Fq是含有q个元素的有限域，也叫伽罗华域，是代数里面的常用概念。上述“编码矩阵中的所有n个数据包”的含义是：编码矩阵中所有的数据包，并且所有的数据包的总个数为n。

优选地，所述步骤2还包括：如果收到与所述发送端对应的接收端反馈的确认包则进入步骤5；所述方法中还包括：步骤5，从所述确认包中提取矩阵索引和数据包序号，根据矩阵索引号获得相应的编码矩阵，根据数据包序号获得矩阵中相应的数据包，最后从编码矩阵中删除该数据包。

优选地，所述步骤3还包括：如果所述两个或两个以上的编码矩阵中的所有编码矩阵被选为当前矩阵时，其未存数据包的矩阵元素数目均小于1，则将欲发送的数据包缓存，暂缓对该数据包的编码。

优选地，所述方法还包括：查看是否有暂缓发送的数据包，如果有则判断当前编码矩阵的剩余空间是否大于零，如果是，进入步骤4，否则进入步骤3。

优选地，所述步骤3中选择两个或两个以上的编码矩阵中的第二编码矩阵作为当前矩阵，具体为，从所述两个或两个以上的编码矩阵中的除所述第一编码矩阵以外的其余所有或部分编码矩阵中随机或者按照次序选择一个作为当前矩阵。

在第二方面，本发明实施例提供所述解码方法，所述方法包括：步骤1，初始化网络编码层，设置用于对接收到的数据包进行解码的两个或两个以上的解码矩阵，每个编码矩阵的大小为W，所述两个或两个以上的解码矩阵与发送端对数据包进行编码的两个或两个以上的编码矩阵相对应，所述W为该解码矩阵的所有矩阵元素的个数之和；步骤2，接收端的网络编码层接收到发送端发送的经过编码矩阵编码过的数据包时，从该数据包中提取矩阵索引号，根据索引号获得对应的解码矩阵；步骤3，如果所述解码矩阵的剩余空间大于零，进入步骤4，否则释放该编码包，返回步骤2，所述解码矩阵的剩余空间为该解码矩阵中未存数据包的矩阵元素数目；步骤4，将所述数据包放入获得的所述解码矩阵中采用高斯消元迭代方法进行解码。

优选地，所述步骤4包括：通过高斯消元迭代计算判断所述数据包是否能够增加所述解码矩阵的秩，如果能，进入步骤5；否则释放该数据包，返回步骤2；所述方法包括步骤5，产生一个用于反馈给发送端的确认包，所述确认包中包括所述解码矩阵的序号。

优选地，所述，所述序号为所述获得的所述解码矩阵中第一个未确认数据包的序号。

本发明实施例借助多矩阵并行编解码，提高了高容量无线环境下的TCP传输吞吐量。

附图说明

下面将参照附图对本发明的具体实施方案进行更详细的说明，据此本发明的优点将更加凸显。在附图中：

图1是本发明实施例的实施网络拓扑示例图；

图2为现有技术的单矩阵网络编解码传输示意图；

图3为本发明实施例的多矩阵并行编解码传输示意图；

图4为本发明实施例在Linux***中的实施示意图；

图5为本发明实施例的发送端处理流程图；

图6为本发明实施例的接收端处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细、清楚、完整的说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

下面对本发明实施例进行更加详细的说明，以便本领域人员更好地了解其原理以及实施细节。

图1是本发明实施例的实施网络拓扑示例图。图1中移动终端可以作为发送端或接收端；个人电脑PC也可以作为发送端或接收端。骨干网络、无线路由器作为所述PC与移动终端之间的通信媒介。

图中PC可以是互联网上的任意可访问设备，移动终端与PC可以通过无线链路通信；无线链路可以是高吞吐量的802.11n环境。可以分别在PC与移动终端上安装linux***，实现两端的传输控制协议TCP通信。

要说明的是，图1这种网络拓扑示例图只是本发明实施例的编解码方法能够应用的一种场景示意图，不能构成对所述编解码方法应用的限制。比如也可以应用于移动终端与移动终端之间。在此不做特别限定。

图2为现有技术的单矩阵网络编解码传输示意图。可以看出，单编码矩阵构成传输路径上的瓶颈，会限制TCP容量。鉴于此，本发明实施例采用多矩阵网络编解码，参见图3。

本发明实施例可以在具体实现在发送端与接收端这两个设备的linux***内核中，以内核模块的形式加载到***中。网络编码模块/网络编码层通过在linux***中注册netfilter钩子函数，截获***中发送出去和接收的数据包，并实现编码或解码过程。采用linux时的实施场景可以参考图4。

图5为本发明实施例的发送端处理流程图。如图5，发送端处理流程包括以下步骤：

1）初始化网络编码层。设置n个编码矩阵（M1、M2…Mn），窗口为W，用于对发送的数据包进行编码计算，设置当前数据包编码矩阵为M1；

2）网络编码层进入等待状态，由步骤3）触发启动后续流程；

3）网络编码层如果收到TCP层发送给对端的包则执行步骤4）；如果收到对端发送给本机的确认包则执行步骤10）；

4）判断包的类型，如果是用于建立TCP连接的控制包则执行步骤5），如果是数据包则执行步骤6）；

5）将设置包类型为控制包交给发送模块，执行步骤9）；

6）查看当前编码矩阵的剩余空间，即查看矩阵中已存数据包的数目，如果包数小于窗口W,则说明该矩阵还有空间，执行步骤8），否则执行步骤7）；

7）设置下一个编码矩阵为当前矩阵，查看该矩阵的剩余空间，如果矩阵有剩余空间，执行步骤8）；否则，判断是否已遍历所有矩阵，是则缓存数据包暂缓发送，并返回步骤2)的等待状态,否则执行步骤6）；

8）将数据包放入选定的编码矩阵，并对编码矩阵中的所有n个数据包p1按式子进行线性编码，产生一个线性编码组合包，组合包的包头携带本次编码的系数、编码矩阵的索引号,原始包序号等参数；将产生的编码包交给发送模块，执行9）；

9）将要发送的包封装在指定端口的UDP包头中，并通过IP层发送给对端，返回步骤2）；

10）从收到的确认包中提取矩阵索引和数据包序号，根据矩阵索引号获得相应的编码矩阵，根据数据包序号获得矩阵中相应的数据包，最后从矩阵中删除该包；

11）将确认包向上交给TCP层处理；

12）查看是否有暂缓发送的数据包，如果有则执行步骤8）；没有暂缓发送包则返回步骤2）。

图6为本发明实施例的接收端处理流程图。所述接收端处理流程图可以包括以下步骤：

1)初始化网络编码层。设置n个解码矩阵（M1、M2…Mn），窗口大小为W用于对接收到的编码包进行解码计算；进入步骤2）；

2)网络编码层处于等待状态，由步骤3）触发启动后续流程；

3)网络编码层收到TCP层发送给对端的确认包则执行步骤4）；如果收到对端发送的控制包，执行步骤5）；如果收到对端发送给本机的编码包则执行步骤6）；

4)释放TCP层产生的确认包，返回步骤2）；

5)提取出TCP原始包，提交给TCP层，返回步骤2）；

6)从编码包中提取矩阵索引号，根据索引号获得对应的解码矩阵，查看矩阵是否有足够的空间，有空间则执行步骤7），否则释放该编码包返回步骤2）；

7)将编码包放入解码矩阵中进行高斯消元迭代计算进行解码，通过迭代计算可以判断该编码包是否能够增加矩阵的秩，如果能增加矩阵的秩则执行步骤8）；否则释放该编码包返回步骤2）；

8)产生一个确认包，确认包的矩阵序号为本矩阵的索引号，确认序号为本解码矩阵中第一个未确认包的序号，并将此确认包的发送给对端；

9)如果解码过程，如果有编码包完成解码恢复出原始数据包，则将恢复的数据包交给TCP层处理，并返回步骤2）。

可以看出，本发明实施例借助多矩阵并行编解码，提高了高容量无线环境下的TCP传输吞吐量。

要特别说明的是，虽然图5-6中还涉及了传输包的发送与接收，但是这部分内容不是本发明的发明点所在，或者说这部分内容类似于现有技术中对传输包的处理流程，因此该部分内容未被写入权利要求书之中，但是这并不妨碍其可以与权利要求书中的内容相结合使用，也不会影响说明书对于权利要求书的支持效果。

本领域技术人员应该理解到，在本申请所提供的几个实施例中，实现在本发明实施例个步骤的各功能模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个模块单独物理存在。上述模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块或者软硬件结合的形式实现。

所述模块可以以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-OnlyMemory）、随机存取存储器（RAM，RandomAccessMemory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

显而易见，在不偏离本发明的真实精神和范围的前提下，在此描述的本发明实施例可以有许多变化。因此，所有对于本领域技术人员来说显而易见的改变，都应包括在本发明权利要求书所涵盖的范围之内。本发明所要求保护的范围由所述的权利要求书进行限定。

Claims (7)

1.一种网络编码层对发送的数据包进行编码的方法，所述网络编码层应用于发送端的TCP协议与IP协议之间，其特征在于，所述方法包括：

步骤1，初始化网络编码层，设置用于对发送的数据包进行编码的两个或两个以上的编码矩阵，每个编码矩阵的大小为W，选择所述两个或两个以上的编码矩阵中的第一编码矩阵作为当前编码矩阵，所述W即该编码矩阵的所有矩阵元素的个数之和；

步骤2，网络编码层收到传输控制协议TCP层发送给接收端的数据包时，判断当前编码矩阵的剩余空间是否大于零，如果是，进入步骤4，否则进入步骤3，所述当前编码矩阵的剩余空间即该编码矩阵中未存数据包的矩阵元素数目；

步骤3，选择两个或两个以上的编码矩阵中的第二编码矩阵作为当前矩阵，所述第二编码矩阵具体为，两个或两个以上的编码矩阵中的除所述第一编码矩阵以外的其余所有或部分编码矩阵中随机或者按照次序选择一个作为当前矩阵，返回步骤2；

步骤4，将数据包p放入当前编码矩阵，并对编码矩阵中的所有n个数据包按式子进行线性编码，其中系数a₁∈F_q，其中F_q是大小为q的有限域，产生一个线性编码组合包，组合包的包头中包括本次线性编码的系数、编码矩阵的索引号，以及所述数据包的序号。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述步骤2还包括：如果收到与所述发送端对应的接收端反馈的确认包则进入步骤5；所述方法中还包括：步骤5，从所述确认包中提取矩阵索引和数据包序号，根据矩阵索引号获得相应的编码矩阵，根据数据包序号获得矩阵中相应的数据包，最后从编码矩阵中删除该数据包。

3.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述步骤3还包括：如果所述两个或两个以上的编码矩阵中的所有编码矩阵被选为当前矩阵时，其未存数据包的矩阵元素数目均小于1，则将欲发送的数据包缓存，暂缓对该数据包的编码。

4.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述方法还包括：查看是否有暂缓发送的数据包，如果有则判断当前编码矩阵的剩余空间是否大于零，如果是，进入步骤4，否则进入步骤3。

5.一种网络编码层对接收到的数据包进行解码的方法，所述网络编码层应用于接收端的TCP协议与IP协议之间，其特征在于，所述方法包括：

步骤1，初始化网络编码层，设置用于对接收到的数据包进行解码的两个或两个以上的解码矩阵，每个编码矩阵的大小为W，所述两个或两个以上的解码矩阵与发送端对数据包进行编码的两个或两个以上的编码矩阵相对应，所述W为该解码矩阵的所有矩阵元素的个数之和；

步骤2，接收端的网络编码层接收到发送端发送的经过编码矩阵编码过的数据包时，从该数据包中提取矩阵索引号，根据索引号获得对应的解码矩阵；

步骤3，如果所述解码矩阵的剩余空间大于零，进入步骤4，否则释放该数据包，返回步骤2，所述解码矩阵的剩余空间为该解码矩阵中未存数据包的矩阵元素数目；

步骤4，将所述数据包放入获得的所述解码矩阵中使用高斯消元迭代方法进行解码。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤4包括：通过高斯消元迭代计算判断所述数据包是否能够增加所述解码矩阵的秩，如果能，进入步骤5；否则释放该数据包，返回步骤2；所述方法包括步骤5，产生一个用于反馈给发送端的确认包，所述确认包中包括所述解码矩阵的序号。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述确认包中还包括确认序号，所述确认序号为所述获得的所述解码矩阵中第一个未确认数据包的序号。