CN110062352A - 车辆自组织网络中基于丢包区分的多路径tcp网络编码传输***和方法 - Google Patents

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黄倩
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Abstract

本发明公开了一种车辆自组织网络中基于丢包区分的多路径TCP网络编码传输***和方法。在车辆自组织网络中，由于车辆移动速度快，使得VANET中节点的网络拓扑结构变化迅速；另外，由于无线车载网环境中，易受到外界环境因素的干扰(如：噪声、无线信号衰减、建筑物等)，使得VANET中数据的传输效率大大降低。在本方法中，首先针对数据包在发送的过程中，是否出现数据包丢失做出判断；其次出现数据包丢失的情况下，能够检测出造成数据包丢失的原因，并根据不同子流上丢包的原因，做出不同的处理。通过实验仿真表明本方法相与常规的多路径TCP传输方法相比，不仅节约了网络资源，并且在吞吐量和时延等网络参数中，都具有优势。

Description

车辆自组织网络中基于丢包区分的多路径TCP网络编码传输 ***和方法
技术领域
本发明属于计算机网络和通信领域，具体是基于车辆自组织网络(Vehicular Ad-hoc NETwork，VANET)中对无限链路上的数传输控制方法进行优化改进，提出了一种基于丢包区分的多路径的TCP网络编码传输方法。
背景技术
作为第5代移动通信***(5G)的一种重要应用场景，目前无线车载网络(WVN，Wireless Vehicular Networks)引起了人们的高度关注，它是一个典型的无线Ad hoc网络(WAN)，无线车载网络不但有动态网络拓扑、信道的质量不可预测等特点，而且无线车载网络还具有网络拓扑结构变化频繁、运动速度较快等特点，同时无线车载网络对延迟和吞吐量的要求也是很高的。TCP协议早已成为现代网络中不可或缺的网络传输协议，根据无线Adhoc网络(WAN)和无线车载网络(WVN)的特点，设计其TCP协议在一定程度上具有很大挑战性。多路径TCP(Multipath TCP，MPTCP)的提出为我们解决在WVN中数据传输提供了新的思路，网络编码(Network Coding，NC)的优点主要体现在减少无线发送的能量消耗、提升了网络的吞吐率、增强了网络的鲁棒性和容错性等方面，由于网络编码对数据传输的可靠性，将其与MPTCP协议结合而成的网络编码TCP协议，为改善无线网络的性能提供了一种新的方法。
在MPTCP中无法充分利用每一条子流的带宽，有时甚至比单路径TCP的性能更差。针对这种情况作者Hwang提出了一种MPTCP快速耦合机制。当某一条子流上发生拥塞时，能够将该条子流上的数据调度到其他非拥塞子流上发送，提高了链路的整体吞吐量，减少了发送时间。在MPTCP中当某条子流不可靠时，这条子流上传输的数据可能会停滞，从而影响到整体的发送速率。作者Ageneau通过引入随机线性网络编码，提出一个带有网络编码的MPTCP方案，减少了由于阻塞引起的性能下降问题。该方案选取的网络编码易于在MPTCP上实现。有学者提出了一种在IoV中使用MPTCP移动感知多媒体数据的传输机制。该机制不仅使用MPTCP协议来提高传输速率，而且设计质量感知模块，将数据动态的分配到不同子流上。但是当车辆超出路边单元通信范围时，终端与远程服务器之间的通信链路会被中断。该作者同时设计了一种切换机制，将数据传输连接到路径上，使得MPTCP能够进行稳定传输。
发明内容
本发明的目的在于结合丢包区分的同时加入网络编码，给出了一种能够提升吞吐量、减少时延、节约网络资源的方法，本发明在VANET环境中能对网络的传输性能进行一定程度的提高。
本发明采用的技术方案是：车辆自组织网络中基于丢包区分的多路径TCP网络编码传输***，包括数据调度分配模块、丢包率和带宽评测模块、丢包区分模块、链路可靠性评测模块和传输控制模块；其中，
所述数据调度分配模块，用于根据丢包率和带宽评测模块对每条链路的质量做出评估，然后动态的把数据分配到各链路上进行传输。
所述丢包率和带宽评测模块，用于对丢包率和带宽进行计算，为是否丢包提供判断依据。
所述丢包区分模块，用于根据丢包率和带宽获知链路中网络传输状态，判断是否丢包，以及判断丢包为拥塞丢包、链路中断丢包或随机丢包。
所述链路可靠性评测模块，用于检测链路是否发生中断。
所述传输控制模块，用于根据网络数据丢包情况选择对应的传输方法，辅助数据调度分配模块进行动态适应的数据传输。
进一步，本发明的方法包括以下步骤：
丢包率和带宽评测模块对丢包率和带宽进行计算，为是否丢包提供判断依据；
丢包区分模块根据丢包率和带宽获知链路中网络传输状态，判断是否丢包；
如果发现为疑似链路中断丢包，链路可靠性评测模块检测链路是否发生中断，进一步确认是否为链路中断丢包；
传输控制模块根据网络数据丢包情况选择对应的传输方法，辅助数据调度分配模块进行动态适应的数据传输。
在此基础上进行以下分析：
(1)在VANET中节点之间通信发送数据时，对收到链路的利用率进行判断。链路的利用率是指单位时间内路径中可以传输的数据，也就是链路中数据传输的实际速率。根据Subramanian在VCP实验验证中表明：当链路中的利用率在80％以下时，链路状态处于轻载；当链路中的利用率在80％到100％之间时，链路处于重载；当链路中的利用率到达100％时，链路此时处于超载。在本方法中为了有效的检测到链路状态，将链路利用率为60％以下时，链路设为轻载状态；将链路利用率在60％到100％之间时，链路状态设为重载；超载状态同上。
(2)根据(1)中对链路利用率的计算进行区分。(a)当其小于60％时，则说明此时数据传输量与链路的承受能力相比，数据传输的量远远不够。不仅能够说明链路中出现了数据包丢失，而且也能说明导致数据包丢失的原因并不是由于链路拥塞导致。(b)当其处于60％到100％之间时，则表明此时链路中发送的数据量还未达到链路的承受能力，这时还继续要增加链路的拥塞控制窗口，增加发送量。(c)当其处于100％及其以上时，则说明传输的数据量已经超过了链路能够承受的能力，这时就会出现拥塞丢包。
(3)根据(2)中区分出来的状态进行相应的处理，当链路处于(c)时，数据丢失是由于网络拥塞导致，这时除了要重传丢失的数据包之外，还要将拥塞窗口的大小减半(即传统TCP的拥塞控制算法步骤)。当链路处于(b)时，表示链路状态良好。除了继续发送数据之外，还要避免链路出现拥塞。当链路处于(a)时，这时的情况比较复杂，根据VANET的特点可以知道，VANET中节点移动速度快，网络拓扑结构变化相当快，所以此时链路极有可能中断。也有可能是由于随机丢包导致的。需要进行进一步判断，判断链路是否已经断开。
当检测到链路中处于(a)状态时，这时需要通过发送端发送探针消息，通过探针来检测链路是否中断。包括：
(1)当接收方能够收到探针消息时，则说明此时链路并未断开，而链路利用率小于60％。则说明由于误码率高的原因，而导致的随机丢包。这时并不重传丢失的数据包，因为重传的数据包在发送过程中也可能丢失。这时将数据进行随机线性编码。增加一定的冗余量，这样即使在发送过程中出现部分丢失，接收端也能通过收的编码包解码出丢失的数据。
(2)当接收方不能收到发送方的探针消息时，已经表明链路出现中断，该条路径已经不能发送数据了，这时就将该条路径上待发送的数据包，转移到其他子流路径上进行发送。另外，发送方会持续在该条路径上发送探针消息，检测路径状态，一旦该条路径恢复通信，就将数据转移到该条路径上进行发送，从而提高链路利用率，增加吞吐量，提升网络的性能。
基于上述讨论，本发明在丢包区分阶段的拥塞控制算法如下：
通过上述算法步骤可以知道，当链路中断时有个问题需要解决：如何能够有效的检测到链路已经发生中断。由于在VANET中的网络拓扑结构是随着节点的移动而发生变化的，节点的移动速度很快，链路的有效性变化也非常迅速。在传统的TCP中，采用的是心跳机制。由于TCP心跳机制发送的心跳包是以秒为单位的，而在节点高速移动的VANET环境中，这种发送包的时间间隔无法适用，无法适用在VANET这种拓扑结构高度动态化的环境。
MPTCP作为TCP的扩展，在MPTCP的格式中也提供了相应的标识位，如：
MP_CAPABLE、MP_JOIN等，并且这些标识位在发送数据时并不会被使用。因此可以利用这些标识位来设置一种可靠性选项，在待发送的数据包中加入可靠性选项来检测链路的可靠性。因为选项字段占用几个字节，不携带任何数据，所以并不会占用待发送数据的带宽。当接收端收到该选项时，并且该选项返回给发送方，通知其已经收到了该选项，则能够说明此时链路并未中断，数据包丢失也不是由于链路中断造成的，所以如果发送端在链路最大RTT之后还没有收到接收端的确认信息，就认为该条链路已经中断。
在车辆自组织网络中进行信息传输时，当链路中出现数据包丢失时，能够区分丢包的原因，能采取有效的控制方法。在由于链路拥塞导致丢包时，能进行相应的拥塞控制。在随机丢包的原因下，将数据包进行编码发送，避免了重传。在检测到链路中断时，将该条路径上的数据转移到其他路径上发送。所以本方法能够提升整体网络的吞吐量，减少时延，避免了不必要的重传，节约了网络资源，使网络性能得到提升。
附图说明
图1为模块之间的关系示意图；
图2为数据包分组模块流程；
图3为丢包区分示意图；
图4为传输控制模块；
图5为丢包区分的拥塞流程控制；
图6为吞吐量与仿真时间变化图；
图7为吞吐量与仿真时间变化图；
图8为吞吐量与接收缓存变化图；
图9为传输时延与接收缓存变化图。
具体实施方式
整个区分过程中涉及面很广，包括数据的分发、丢包的区分、传输的控制和网络参数的评估。发送方主要由五个模块构成，分别是数据调度分配模块、丢包率和带宽评测模块、丢包区分模块、链路可靠性检测模块和传输控制模块。
其中数据调度分配模块是将数据分配到不同的路径上传输。当链路中出现丢包时，首先根据丢包率和带宽评测模块，判断出丢包原因。通过链路可靠性评测模块的协助，传输控制模块针对丢包的原因，采取不同的数据传输策略。通过使用不可丢弃的选择确认机制(Non Renegable Selective Acknowledgments，NR-SACK)作为数据确认机制，来进行数据确认。
根据功能来划分，可以将所有的模块分为：网络环境感知模块、传输模块、优化模块和反馈模块。各模块之间的关系如图1所示。
数据调度分配模块的作用是：对多路径TCP网络中的路径进行质量评测后，动态的对各路径上的数据进行分配，保证数据在接收端能够按序到达。反馈模块中包括了丢包率和带宽评测模块。对丢包率和带宽进行计算，从而能够准确知道链路中网络传输状态，判断是否丢包，进而为丢包区分做准备。网络环境感知模块有丢包区分模块、链路可靠性评测模块。通过反馈模块计算得到的丢包率和带宽，丢包区分模块能够先进行丢包区分，然后为数据传输管理做出判断。传输模块综合反馈模块和网络环境感知模块，依据不同的情况，设计对应的传输方法，以便数据更好的传输。本发明将NR-SACK应用到车载通信网多路径传输中。对重传做了改进，避免了不必要的重传。在丢包区分和数据调度的协作下，解决了车载通信网中多路径传输问题。有效地提高了传输速率，减少了传输的时延，提升了传输的性能。下面具体对每个模块进行说明。
1数据调度分配模块
数据调度分配模块的作用是将上层应用的数据交付到传输层。在传输层的MPTCP层中，数据先被分成不同的分段，然后分配到不同的路径上传输到网络中。数据调度分配模块通过反馈模块的信息，对每条路径的质量做出评估，然后动态的把数据分配到子流中进行传输。图2是数据调度模块的图解说明。
2丢包率与带宽评测模块
丢包率和带宽评测模块能通过网络参数如丢包率、带宽和RTT等来反映链路的状态。这个模块对数据调度分配模块和丢包区分模块起着重要的支撑作用。移动网络中的带宽时刻发生着变化，所以通过网络参数能够合理地计算出无线网络中实际的带宽。根据实际的网络情况，对路径中的网络质量做出评估；根据每条路径质量的差异，将数据动态分配到每条子流上；从而能够使得网络资源得到合理利用，优化传输的效率。
3.丢包区分模块
在无线车载通信网中主要有三种丢包方式，分别是拥塞丢包、链路丢包和随机丢包。丢包率和带宽测量模块得到的参数，是进行丢包区分的重要依据。通过TCP-Westwood评估带宽，得到链路中的可用带宽。计算链路的利用率，了解网络资源的使用情况。通过设置链路的拥塞参考阀值进行拥塞控制，降低拥塞导致的丢包。对于链路中断导致的丢包，需要通过可靠性评测模块对路径探测。如果探测出链路中断，则判定网络中的数据丢包是链路中断造成的。图3为丢包区分涉及到的模块和它们之间的关系。
4.链路可靠性检测模块
链路可靠性检测模块为丢包区分模块提供服务，检测链路是否发生中断。利用多路径TCP易于扩展的特性，在MPTCP中添加一个可靠性选项OPT_LR。与MPTCP中的MP_CAPABLE选项一样，而OPT_LR选项的目的就是探测路径是否可靠。在链路中发生数据丢失后，通过发送路径可靠性选择作为探针给接收方。如果接收方能够收到并且向发送方进行反馈，就能够说明此条路径可用。如果在固定的时间内发送方没有收到反馈，就说明该条子流已经中断。
5.传输控制模块
传输控制模块的功能是在丢包区分模块以及丢包率和带宽评测模块的协助下，对不同原因造成的网络数据丢失的链路，进行动态适应的传输策略。传输控制模块根据协助模块计算出的可用带宽去计算每条路径的传输能力。并且按照每条路径缓存区的大小和处理能力，动态地将数据发送到每条路径上，以确保网络资源的合理利用。
在丢包区分模块和链路可靠性评测模块的协助下，当链路出现丢包时，传输控制模块能够针对丢包的链路进行数据传输控制。在链路出现拥塞时，传输控制模块会调整链路拥塞窗口大小，减少发送量。在链路中断时，通过路径可靠性选项为探针，发送给接收方。若发送方在规定时间内收到反馈，表明该路径可用，否则表明该条链路中断。这时将链路的拥塞窗口设置为0，把该路径上的数据转移到其他子流上传输。可靠性选项会依旧在中断路径上发送，一旦当该路径可用时，就将其拥塞窗口设置为1，并且依据AIMD机制增长，为数据传输提供通道。丢失数据在不可丢弃的选择确认机制下，能迅在中断链路上进行数据的快速重传。保证数据按序到达，从而向上交付。对于随机丢包，则在发送端将数据包进行编码然后发送，保证丢失的数据能够快速发送至接收端。图4为各个模块和丢包模块之间的对应关系图。
在出现数据丢包时，起初通过链路利用率来判定链路是否已经拥塞丢包。如果链路是处于超载的情况时，就能够判断出链路丢包是由网络中的拥塞造成的，就在该条子流上进行拥塞控制和快速重传。通过链路的可靠性选项进行链路可靠性的探测。在链路中断的情况下，将数据转移到其他路径上发送，并把该中断链路的拥塞窗口设置为0。在没有链路中断的情况下，判定数据为随机丢包，就将数据进行编码发送。具体的拥塞控制流程如图5所示。
在无线车载网络中节点的运动没有规律性，使得数据的传输过程具有唯一性。所以为了准确知道网络拓扑变化的情况，选择进行多次实验，然后平均分析数据结果。每次实验的接收窗口都采用256KB。在图6中显示的是MPTCP方案，在仿真时间内的吞吐量与链路的可靠性变化情况；而图7则是MP-TCP/NC方案，在仿真时间内吞吐量和链路可靠性的变化情况。
通过图6可以看出，在仿真时间内，由于车联网是自组织网络，节点在动态的移动，拓扑结构变化迅速，链路中的连接时常断开，导致整体的吞吐量不稳定。在仿真实例中可以看到链路的吞吐量都是在开始时增加十分迅速，这是由于在发送初期拥塞窗口在成功收到数据后，发送量以成倍的方式增加。尽可能地利用网络带宽，提高数据的传输能力，也就是慢启动步骤。
从图6与图7中可以知道子流A的吞吐量低于子流B的吞吐量，这是由于采用的数据调度机制不同而导致。在子流A中采用的是轮询调度器算法，而在子流B中采用的是最优RTT调度器算法。根据实际情况采用不同的数据调度器能够更好的利用网络资源，传输速率会更加迅速，吞吐量也相对更高。从图7中可知采用数据切换测量，将链路中断的子流(子流A)转移到另外一条链路的子流(子流B)上，数据能够通过稳定的子流B进行传输。所以图7中子流B的吞吐量会高于图6中子流B的吞吐量。另外图7中，在链路可靠性恢复后，子流A吞吐量恢复的速度比图6中子流A更快。主要是由于链路中可靠性选项探针机制一直在中断链路上发送探针，检查链路的可靠性。当链路可用时，能够在很短时间对拥塞窗口做出调整，恢复数据的传输。采用基于丢包区分的MP-TCP/NC方案的总吞吐量明显也高于普通的MPTCP方案的吞吐量。因此，本发明的方案能够更加合理地利用网络中的资源，能够在车联网环境中提高多路径TCP传输的吞吐量。
图8为基于丢包区分MP-TCP/NC传输方案和普通多路径传输方案的吞吐量，在接收端缓存增大时的对比变化情况。从图8中可以知道：在同一时刻下MP-TCP/NC的吞吐量都要高于MPTCP的吞吐量。随着接收缓存的增加，两种传输方案的吞吐量都在增加，但是MP-TCP/NC的吞吐量始终要高于MPTCP的吞吐量。基于丢包区分的多路径网络编码传输方案，传输的性能要高于普通多路径的传输方案。当接收缓存大小为2000KB时，MPTCP的吞吐量变化趋于稳定。而MP-TCP/NC是在接收缓存为1400KB时候，已经趋于稳定。这是由于在基于丢包区分的多路径网络编码传输方案中，采用不可丢弃的选择确认机制，对于收到的乱序的包并没有丢弃掉，减少了不必要的重传，使网络的传输速率得到提高。图9为MP-TCP/NC与MPTCP平均时延随着接收端缓存变化而变化的情况。两种传输方案中传输时延都随着接收端缓存的增大而减小，但MP-TCP/NC在任何大小的接收缓存下传输时延都低于MPTCP的传输时延。

Claims (10)

1.车辆自组织网络中基于丢包区分的多路径TCP网络编码传输***，其特征在于：包括数据调度分配模块、丢包率和带宽评测模块、丢包区分模块、链路可靠性评测模块和传输控制模块；其中，
所述数据调度分配模块，用于根据丢包率和带宽评测模块对每条链路的质量做出评估，然后动态的把数据分配到各链路上进行传输；
所述丢包率和带宽评测模块，用于对丢包率和带宽进行计算，为是否丢包提供判断依据；
所述丢包区分模块，用于根据丢包率和带宽获知链路中网络传输状态，判断是否丢包，以及判断丢包为拥塞丢包、链路中断丢包或随机丢包；
所述链路可靠性评测模块，用于检测链路是否发生中断；
所述传输控制模块，用于根据网络数据丢包情况选择对应的传输方法，辅助数据调度分配模块进行动态适应的数据传输。
2.根据权利要求1所述车辆自组织网络中基于丢包区分的多路径TCP网络编码传输***，其特征在于：所述丢包区分模块针对链路利用率进行以下区分：(a)当链路利用率小于60％时，链路中出现了数据包丢失；(b)当链路利用率处于60％到100％之间时，链路中未出现数据包丢失；(c)当链路利用率处于100％及其以上时，会出现拥塞丢包。
3.根据权利要求2所述车辆自组织网络中基于丢包区分的多路径TCP网络编码传输***，其特征在于：所述(a)情况下，需要通过链路可靠性评测模块对链路探测，如果探测出链路中断，则判定网络中的数据丢包是链路中断造成的。
4.根据权利要求3所述车辆自组织网络中基于丢包区分的多路径TCP网络编码传输***，其特征在于：所述链路可靠性评测模块在MPTCP中添加一个可靠性选项OPT_LR，作为探针发送给接收方，如果在固定的时间内发送方没有收到反馈，则该条链路中断。
5.根据权利要求2或3或4所述车辆自组织网络中基于丢包区分的多路径TCP网络编码传输***，其特征在于：所述(c)情况下出现链路拥塞时，传输控制模块调整链路拥塞窗口大小，减少发送量；所述(a)情况下，判断为链路中断时，传输控制模块将链路的拥塞窗口设置为0，把该链路上的数据转移到其他链路上传输。
6.根据权利要求5所述车辆自组织网络中基于丢包区分的多路径TCP网络编码传输***，其特征在于：当判定所述链路中断时，链路可靠性评测模块的可靠性选项会依旧在中断链路上发送，一旦当该链路可用时，将其拥塞窗口设置为1，为数据传输提供通道。
7.车辆自组织网络中基于丢包区分的多路径TCP网络编码传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
丢包率和带宽评测模块对丢包率和带宽进行计算，为是否丢包提供判断依据；
丢包区分模块根据丢包率和带宽获知链路中网络传输状态，判断是否丢包；
如果发现为疑似链路中断丢包，链路可靠性评测模块检测链路是否发生中断，进一步确认是否为链路中断丢包；
传输控制模块根据网络数据丢包情况选择对应的传输方法，辅助数据调度分配模块进行动态适应的数据传输。
8.根据权利要求7所述车辆自组织网络中基于丢包区分的多路径TCP网络编码传输方法，其特征在于：根据丢包率和带宽评测模块对链路利用率进行计算，(a)当链路利用率小于60％时，链路中出现了数据包丢失，且该数据包丢失不是链路拥塞导致；(b)当链路利用率处于60％到100％之间时，链路中未出现数据包丢失；(c)当链路利用率处于100％及其以上时，会出现拥塞丢包。
9.根据权利要求8所述车辆自组织网络中基于丢包区分的多路径TCP网络编码传输方法，其特征在于：当链路处于(c)状况时，数据丢失是由于网络拥塞导致，传输控制模块控制重传丢失的数据包，且将拥塞窗口的大小减半；当链路处于(b)状况时，传输控制模块控制数据继续发送；当链路处于(a)状况时，链路可靠性评测模块通过探针检测链路是否发生中断，若未发生中断，则数据丢失为随机丢包，若发生中断，将该条链路上待发送的数据包，转移到其它链路上进行发送。
10.根据权利要求8所述车辆自组织网络中基于丢包区分的多路径TCP网络编码传输方法，其特征在于：所述随机丢包，需要将数据进行随机线性编码并发送。
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