[发明专利]一种基于TCP协议的自适应网络控制传输方法和系统

说明书

技术领域

本发明涉及数据通信领域的TCP协议（TCP：Transmission Control Protocol），特别涉及基于网络编码理论的TCP协议的网络控制传输领域。

背景技术

基于网络编码理论的TCP协议（Network Coding TCP,本文后面简称为NC-TCP）提出的算法是利用随机线性编码技术掩盖TCP数据包的丢失，有效提高吞吐量。这种方法同时确保被传送的数据包在很大概率上具有新信息保证性质，即对每个接收方来说，除非其已经具备了和发送方一样多的信息，否则它通常都能收到新的信息。因此，接收方每次成功的接收都会获得新信息。

NC-TCP协议为了引入网络编码技术，需要对现有的TCP协议进行一些修改。首先，在发送端，发送方发送的不是原始数据包，而是数据包的随机线性组合，每个随机线性组合的系数都是从一个很大的域中随机选取的元素，即使一个已发送的线性组合丢失了，下个成功接收的线性组合仍可使解码顺利完成，这样便可以掩盖TCP数据包的丢失，换句话说，链路的损失对于TCP就像是一个附加的时延，该时延将引起一个新的有效往返时间（RTT）。这里，原来TCP中的超时重传机制已被冗余度R所替代，R表明了发送方执行待发送数据包线性组合的次数。上述RTT在此有新的解释，其代表网络用于可靠传输一个自由度（信息线性组合向量空间的一个新维数，也可以这样理解，自由度表征收到线性组合的个数，当自由度大于等于未知数据包个数时便可利用类似解方程的方法解出所有数据包）所耗费的有效时间，即一个组合从发送方发出到收到接收方确认信号之间的时间。当然，链路损失越多，有效RTT就越大。选择TCP-Vegas 版本与网络编码理论相融合，发送方记下每个线性组合的发送时间，当确认到达时，就与对应的发送时间进行比较以计算RTT。其次，在接收端，引入了“看见包”的概念。“看见包”机制解释为：如果一个节点有足够的信息来计算一个线性组合p_k+ q ，其中q = ∑_1>kα₁p₁ , 且对于所有1 > k有α₁∈Fq,那么可以说这个节点看见了一个包p_k。在这里，q是一个索引值大于k的包的线性组合。当在接收端判断看见一个包p_k时，可以立即发送这个包对应的ACK回发送端，而不必等到将此包完全解码。“看见包”概念的引入解决了可能因解码时延而造成的ACK应答包不能及时产生发出的缺点，使网络编码理论很好地融入到了TCP协议中。

NC-TCP协议中还引入了节点知识和虚拟队列的概念。所谓节点知识就是一个节点所能计算的收到所有原始数据包的线性组合的集合，同时这些线性组合的系数向量所形成的向量空间称作该节点的知识空间。虚拟队列的个数等于接收方的个数，第j条虚拟队列的长度被定义为发送方知识空间的维数和第j个接收方知识空间的维数之差。

所有思想在现有的TCP协议上的实现需要尽可能采用一种非强加的方式，因而美国麻省理工学院（MIT）有人提出一种新的NC-TCP协议，即在发送方和接收方的TCP层和IP层间嵌入单独的网络编码层（参见J.K.Sundararajan, D.Shah, M.Medard, M.Mitzenmacher, and J.Barros “Network Coding Meets TCP,” in IEEE INFOCOM, Apr 2009），其中的操作描述如下：

发送模块从TCP源端收到数据包并将它们保存在一个代表编码窗口的编码缓存中，直到收到接收方的确认。发送方在编码窗口中生成并发送数据包的随机线性组合，线性组合系数通过包头来传输。

对于编码窗口中的数据包，将进行R次随机线性组合（R是冗余系数，为成功接收概率的倒数，其可能不是整数，故在运算时将向下取整）发送出去。如果R太小，将不足以掩盖数据包的丢失，因此，会出现大量的超时从而导致吞吐量低下；反之，发送速率会受到编码自身速率的限制，也会降低吞吐量，而且发送太多的线性组合也会阻塞网络。

当接收模块收到一个线性组合时，模块便从包头中检索出编码系数向量，将其添加到知识空间的基矩阵中，当虚拟队列的长度为零，即发送方知识空间的维数和接收方知识空间的维数之差为零时，便可开始解码，解码使用高斯消元法。一旦解码完成，接收模块就将这些数据包传给TCP。此外，接收方还维持一个存储未解码数据包的线性组合的缓存。另外，当接收方“看见”某一数据包时，其会通知发送方，发送方便将这一数据包丢弃。