一種基於網絡編碼的多路並行傳輸方案的製作方法
2023-07-08 02:49:41 2
一種基於網絡編碼的多路並行傳輸方案的製作方法
【專利摘要】本發明提出了一種基於網絡編碼的多路並行傳輸方案，解決在無線網絡中進行多路並行傳輸時，由於無線網絡的不可靠性引起的頻繁丟包和多路徑的差異性引起的失序問題。引入網絡編碼，打破傳統可靠有序傳輸中按序接收的限制，關注接收數據包的個數而非順序。根據丟包率添加冗餘數據包，主動補償傳輸過程中可能發生的丟包，避免重傳。以組為單位進行傳輸管理，保證擁塞窗口的快速充分增長，增強系統對超時和丟包的容忍度。採用基於網絡編碼的多路並行傳輸方案進行無線多媒體數據傳輸，能夠主動預防並適應無線異構網絡的動態性和不可靠性，隱藏失序和丟包問題，大大減少重傳，有效提高吞吐量，提供高效優質的無線多媒體傳輸服務。
【專利說明】一種基於網絡編碼的多路並行傳輸方案
【技術領域】
[0001]本發明涉及通訊【技術領域】，通訊數據傳輸技術。具體涉及在流控制傳輸協議上結合網絡編碼的多路並行傳輸的實現。
【背景技術】
[0002]隨著社會的發展，人們對於高質量、高效率和方便的多媒體無線傳輸服務的需求越來越高。世界各地很多城市都已經為實時視頻流建立了城市網絡，例如車載無線網絡。隨著無處不在的寬帶行動網路接入技術的流行，多路並行傳輸CMT (Concurrent MultipathTransfer)成為增強多媒體傳輸的最可取的方式之一。目前,CMT的實現主要基於流控制傳輸協議 SCTP (Stream Control Transmission Protocol),研究表明，SCTP 能夠有效實現多路並行傳輸。SCTP CMT擁有較好的帶寬聚合能力、容錯性以及負載平衡能力，這些特點使其能夠為多媒體內容分發提供有效的數據傳輸服務。
[0003]然而，CMT在有一個非常嚴重數據包重排缺陷。由於多路徑具有較大的路徑差異(如帶寬、時延和丟包率)，數據包失序到達接收端，接收端需要一邊緩存較快路徑上已到達的數據包，一邊等待較慢路徑上延遲的數據包，進行數據包重排，保證數據包的有序交付。當數據包失序嚴重且移動終端的緩存受限時，CMT的性能會受到緩存阻塞的限制，導致連接進入空閒狀態。目前有很多研究工作都致力於減緩數據重排，其主要挑戰是如何在確定的路徑評估下進行數據調度。這些研究都遵從嚴格的有序數據接收，其傳輸性能仍然被動地受到接收緩存中的數據重排的影響。
[0004]另一個需要關心的問題是，無線信道的不可靠性導致丟包和重傳經常發生。為了達到可靠數據傳輸的目的，有時對於同一個數據包需要進行不止一次的重傳。在這種情況下，判斷丟包原因是擁塞或者無線錯誤是非常重要的。一些研究工作試圖加強CMT的可靠性，節省重傳的開銷。這些研究考慮單個數據包的唯一性，進行數據包的丟失檢測。然而，這幾乎不能減少重傳。
[0005]近年來，對於網絡編碼的研究顯示，傳輸層網絡編碼可以提供一種簡單的方法打破數據包和傳輸序列號TSN之間的強約束關係。雖然這種約束在可靠有序傳輸中是非常重要的，但實際上傳輸層的最終目的是進行可靠的數據傳輸。這樣，接收端只關心數據包到達的數量，而不關心數據包到達的順序，不需要進行重排序。再者，當發生丟包時，編碼包可以互相替代和補充，不需要重傳特定的數據包。在TCP或SCTP中，編解碼計算會給確認的回覆帶來較大延遲，引起自動重傳請求ARQ (Automatic Repeat reQuest)和擁塞控制的性能下降。Online ACK機制的提出可以解決該問題，使得網絡編碼能與TCP兼容且有效執行。隨後，網絡編碼以及online ACK機制被應用到MPTCP中，可以提高多路徑網絡的吞吐量。然而，由於MPTCP是一個較新的將SCTP CMT移植到TCP上的想法，並沒有形成標準。再者，MPTCP並不具有SCTP的全部特性，例如靈活的多塊數據包格式，心跳機制和選擇確認，這些特性都能與網絡編碼合作，優化其性能。同時現有研究也沒有涉及優化擁塞控制和區分無線環境中的丟包原因。[0006]
【發明內容】
一權利要求書部分
[0007]有鑑於此，本發明提出了一種基於網絡編碼的多路並行傳輸方案，在流控制傳輸協議的多路並行傳輸過程中，結合網絡編碼，打破按序接收的傳統可靠傳輸思想，消除數據包的唯一性，提供高性能的多媒體數據傳輸服務。本發明定義了一個基於組的網絡編碼運算，根據一個組內的原始數據包生成網絡編碼包；採用了一個混合快速數據分發策略，選取具有最大容納空間的路徑進行數據分配，並按需添加冗餘；提出了一個組傳輸管理機制，進行擁塞控制、重傳等管理。本發明能夠有效地避免數據包重排，補償丟失的數據包，解決因路徑差異性和移動終端存儲限制而引起的緩存阻塞，主動適應無線網絡的動態性，為移動用戶提供高效的多媒體傳輸。
[0008]I、一種基於網絡編碼的多路並行傳輸方案，其步驟包括：
[0009]a)基於組的網絡編碼運算。利用帶寬和丟包率確定組數目，對一個組內的數據包進行線性組合網絡編碼；
[0010]b)混合快速數據分發策略。選擇具有最大容納空間的路徑進行數據分配，每分配完一組數據，都在路徑緩存末尾添加一定冗餘數據包；
[0011]c)組傳輸管理機制。以組為單位進行傳輸管理，包括擁塞控制、必要的重傳以及丟包率的記錄更新。
[0012]2、如權利要求I所述的基於組的網絡編碼運算，其特徵在於：
[0013]a)往返時間RTT測量：發送HEARTBEAT獲取RRTT，對比SRTT，當RRTT與SRTT接近時，選擇SRTT的值作為路徑的RTT ;當RRTT與SRTT差距較大時，選擇RRTT作為路徑的RTT ；
[0014]b)帶寬BW估計：由測量時間間隔內數據的發送量和測量時間的比值得到帶寬樣本，再進行平滑處理得到帶寬估計值；
[0015]c)組數目更新：利用往返時間RTT、帶寬BW以及丟包率pe確定組數目；
[0016]d)網絡編碼包生成：根據組數目劃分組，對一個組內的數據包進行線性組合編碼，並在數據包中插入相應編碼信息。
[0017]3、如權利要求I所述混合快速數據分發策略，其特徵在於：
[0018]a)路徑選擇：選擇具有最大容納空間的路徑進行數據分配，其中最大容納空間是指，在某一時刻路徑允許發送的數據量與已發送但尚未確認的數據量的差值再乘以成功發送率；
[0019]b)添加冗餘：根據某組分配到某路徑上的數據包個數以及丟包率進行冗餘度計算，添加冗餘數據包，保證該獨立路徑上能夠成功到達接收端的數據包數量不小於其分配的數據包個數。
[0020]4、如權利要求I所述的組傳輸管理機制，其特徵在於：
[0021]a)基於組的擁塞控制：對於當前指向的組GC，如果SACK確認GC中一個新的TSN，執行慢開始或者擁塞避免算法；若GC的丟失報告到達三次以上，根據丟包原因執行相應快速重傳算法；若超時GT0，則進行與標準SCTP類似的超時重傳算法；
[0022]b)丟包率pe計算：對於當前最後完成傳輸的組GP，記錄GP在各路徑上按發送數據包的總數和成功接收的數據包,計算各路徑的丟包率。
[0023]本發明具有如下技術效果：[0024]I、在本發明中，以組為單位進行網絡編碼並混合發送編碼包或者原始數據包。不管數據包有沒有進行編碼，都可以看做是經過線性組合的編碼包。這樣，每一個編碼包僅僅代表了組的一個關係，編碼包不是獨立和唯一的，任何丟失的編碼包都可以用屬於該組的其他編碼包代替，同時同一個組內的編碼包之間沒有順序。接收端只要收到足夠數目的編碼包，就能譯出原始數據，不必考慮數據包失序問題，恰當的冗餘度也能大大減少甚至避免重傳。
[0025]2、在本發明中，以組為單位進行傳輸控制。發送端關注屬於一個組的確認消息，而不是某一個數據包的確認消息。只要SACK中確認了屬於當前組的TSN，cwnd就能進行相應增長；SACK連續三次以上沒有確認任何屬於當前組的TSN時，就執行快速重傳；GT0超時，執行超時重傳。以組為單位的擁塞控制，保證了 cwnd的告訴增長，同時對於對包以及超時的容忍性大大增強。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]圖I為本發明的系統整體框架；
[0027]圖2為多路徑網絡編碼原理圖；
[0028]圖3為組數目更新算法流程圖；
[0029]圖4為網絡編碼包包格式示意圖；
[0030]圖5為快速數據分發算法流程圖；
[0031]圖6為路徑緩存佔用情況示意圖；
[0032]圖7為組傳輸管理算法流程圖。
【具體實施方式】
[0033]為使本發明的技術手段、創作特徵、達成目的與功效便於理解，下面將結合附圖及具體實施例對本發明進行詳細闡述。
[0034]I、系統整體框架圖
[0035]為了解決在SCTP CMT中，由於路徑的多樣性引發數據重排序和丟包，最終導致傳輸性能下降的問題，本發明提出了一種基於網絡編碼的多路並行傳輸方案。如圖I所示，即為本發明的系統整體框架，包括發送端，接收端和無線網絡上的多路徑。
[0036]BW&RTT估計模塊計算帶寬BW和往返時間RTT，傳輸管理模塊計算丟包率pe。由帶寬BW、往返時間RTT以及丟包率pe決定每次對多少數據包(用N表示）進行編碼。這一組攜帶數據塊DATA chunks且TSN連續的數據包被稱為組（Group)(圖I中藍色方框所示)。攜帶其他塊(例如控制）的數據包不進行分組和編碼，僅僅按照往常方式發送。
[0037]混合數據分發模塊將數據包分組並自適應地選擇路徑進行數據傳輸。網絡編碼器隨機選擇數據包進行網絡編碼，這樣在路徑緩存裡混合了原始數據包（白色）和編碼包(黃色)。為了能夠正確快速解碼，這兩個模塊需要附加一些冗餘數據包。雖然設置冗餘會增加發送數據包的數量，但是考慮到恰當的冗餘能保證足夠的數據包到達接收端，從而大量減少重傳，所以添加冗餘數據包是值得的。同時，傳輸管理模塊接收SACKs以獲取數據包接收狀態，維護擁塞控制，並判斷是否有必要進行重傳。其傳輸管理是基於組而不是像標準SCTP那樣以數據包為單位。[0038]在接收端，數據包先保存在接收緩存中，然後遞交給網絡解碼器進行解碼，恢復原始數據包。接著，這些數據包將被組裝並交付給應用層。最後，接收端回復SACK。
[0039]2、多路徑網絡編碼原理
[0040]多路徑網絡編碼的原理如圖2所示。發送端將原始數據包S1-S4劃分為一個組，用G表示，並進行線性組合編碼。不管是發送原始數據包還是編碼包，他們都包含了編碼係數。這使得發送的數據包所攜帶的不再是應用層數據，而是代表了原始數據之間的關係。因此，接收端沒有必要嚴格按序接收數據包，只需要緩存這些數據包並提取它們之間的關係(係數)。此外，各數據包之間等價，這些信息之間可以進行互換，任何丟失的數據包都能由其他的數據包補充。這樣，只要接收端收集到足夠數量的數據包(理論上4個)，就能夠通過高斯消元法正確解碼出原始數據包，同時也不需要考慮其他丟失的數據包或者重傳。總的來說，通過網絡編碼，數據包不再由他們的TSN唯一決定，接收端不再需要重新排序，同時發送端也大量減少了重傳。
[0041]3、基於組的網絡編碼運算
[0042]設計網絡編碼的首要問題是每個組需要包含多少數據包，即組數目N。為了達到較低的緩存需求但同時保證能夠進行充分的亂序補償，組數目需要適當高於失序數據包的數量。當發生重傳時，說明組數目已經滯後於多路徑環境的變化，則根據時延、帶寬和丟包率更新N。
[0043]時延即BW&RTT估計模塊測量的RTT時間。由於SCTP CMT允許在與相應數據包不同的路徑上回復SACK，普通的SRTT (Smoothed RTT)測量方式可能會不準確。SCTP為路徑探測提供了心跳機制，其要求HEARTBEAT_ACK在與HEARTBEAT相同的路徑上回復。當需要更新組數目時，發送兩個HEARTBEATS，等待兩個HEARTBEAT_ACKs都成功接收，這樣就能獲得這兩個HEARTBEATS的RTT時間並選擇其中的較小值作為路徑的RRTT(Reference RTT)。如果SRTT和RRTT接近，說明很有可能SACK的回覆路徑與數據包的發送路徑是相同的，或者其前向和反向路徑具有相同的時延，此時，考慮到SRTT的估計是基於大量樣本的，其結果更為準確，我們選擇SRTT作為路徑RTT ;反之，SRTT和RRTT差距較大，則選擇RRTT作為路徑RTT。對於路徑i，我們通過下式確定路徑的RTT:
【權利要求】
1.一種基於網絡編碼的多路並行傳輸方案，其步驟包括： a)基於組的網絡編碼運算。利用帶寬和丟包率確定組數目，對一個組內的數據包進行線性組合網絡編碼； b)混合快速數據分發策略。選擇具有最大容納空間的路徑進行數據分配，每分配完一組數據，都在路徑緩存末尾添加一定冗餘數據包； c)組傳輸管理機制。以組為單位進行傳輸管理，包括擁塞控制、必要的重傳以及丟包率的記錄更新。
2.如權利要求I所述的基於組的網絡編碼運算，其特徵在於： a)往返時間RTT測量：發送HEARTBEAT獲取RRTT，對比SRTT，當RRTT與SRTT接近時，選擇SRTT的值作為路徑的RTT ;當RRTT與SRTT差距較大時，選擇RRTT作為路徑的RTT ； b)帶寬BW估計：由測量時間間隔內數據的發送量和測量時間的比值得到帶寬樣本，再進行平滑處理得到帶寬估計值； c)組數目更新：利用往返時間RTT、帶寬BW以及丟包率pe確定組數目； d)網絡編碼包生成：根據組數目劃分組，對一個組內的數據包進行線性組合編碼，並在數據包中插入相應編碼信息。
3.如權利要求I所述混合快速數據分發策略，其特徵在於： a)路徑選擇：選擇具有最大容納空間的路徑進行數據分配，其中最大容納空間是指，在某一時刻路徑允許發送且能被成功接收的數據量； b)添加冗餘：根據某組分配到某路徑上的數據包個數以及丟包率進行冗餘度計算，添加冗餘數據包，保證該獨立路徑上能夠成功到達接收端的數據包數量不小於其分配的數據包個數。
4.如權利要求I所述的組傳輸管理機制，其特徵在於： a)基於組的擁塞控制：對於當前指向的組GC，如果SACK確認GC中一個新的TSNjAR慢開始或者擁塞避免算法；SGC的丟失報告到達三次以上，根據丟包原因執行相應快速重傳算法；若超時GTO，則進行與標準SCTP類似的超時重傳算法； b)丟包率pe計算：對於最近完成傳輸的組GP，記錄GP在各路徑上按發送數據包的總數和成功接收的數據包，計算各路徑的丟包率。
【文檔編號】H04L1/00GK103840917SQ201410124188
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2014年3月28日 優先權日:2014年3月28日
【發明者】許長橋, 張宏科, 關建峰, 黎卓峰, 王目, 唐曼, 黃輝 申請人:北京郵電大學