一.理論基礎(chǔ)

本項(xiàng)目針對(duì)現(xiàn)有TCP協(xié)議在丟失率較高的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下所表現(xiàn)出的糟糕性能，提出基于網(wǎng)絡(luò)編碼的改造，以TCP-Vegas為基礎(chǔ)通過(guò)修改其源代碼（邏輯上在TCP層與IP層之間加入全新的網(wǎng)絡(luò)編碼層）實(shí)現(xiàn)在發(fā)送方對(duì)原始TCP報(bào)文段編碼，在接收方解碼，并針對(duì)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)丟失率調(diào)整編碼報(bào)文段的發(fā)送冗余，以達(dá)到向TCP層掩蓋丟失的目的；同時(shí)加入處理器共享技術(shù)，該技術(shù)旨在用一個(gè)合適的初始速率來(lái)代替TCP的慢啟動(dòng)過(guò)程。最終提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量和可靠性，縮短數(shù)據(jù)流完成時(shí)間。

1.網(wǎng)絡(luò)編碼：

2000年，以香港中文大學(xué)信息工程系為主的研究人員針對(duì)通訊網(wǎng)絡(luò)的瓶頸問(wèn)題，提出了網(wǎng)絡(luò)編碼理論，以網(wǎng)絡(luò)編碼器取代路由器，在網(wǎng)絡(luò)中傳輸包的線(xiàn)性組合，在接收端通過(guò)解碼恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)包。

網(wǎng)絡(luò)編碼的概念可以通過(guò)蝴蝶拓?fù)鋱D來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)單的說(shuō)明，如圖1-1所示：

圖1-1 網(wǎng)絡(luò)編碼的基本原理

假設(shè)上圖中每條路徑單位時(shí)間內(nèi)只能傳輸1比特，則采用路由方式，UV鏈路會(huì)成為傳輸瓶頸，即只能傳輸a和b中的一個(gè)信息。若UV鏈路傳輸消息b，則信宿P能收到消息a和b，而信宿Q只能收到消息b；若UV鏈路傳輸消息a，則信宿Q能收到消息a和b，而信宿P只能收到消息a。兩者情況下，平均每個(gè)信宿節(jié)點(diǎn)的吞吐量為1.5比特。

同樣的條件下，若采用網(wǎng)絡(luò)編碼，即UV鏈路上傳輸?shù)氖窍和b的編碼，則信宿P可以接受消息a且譯碼出消息b，信宿Q可以接受消息b且譯碼出消息a。這樣，平均每個(gè)信宿節(jié)點(diǎn)的吞吐量為2比特。

從中可以得出，網(wǎng)絡(luò)編碼可以達(dá)到多播網(wǎng)絡(luò)的最大容量，而路由卻可能達(dá)不到。

網(wǎng)絡(luò)編碼自誕生以來(lái)，得到了迅速的發(fā)展。短短幾年，發(fā)表了幾百篇學(xué)術(shù)論文，并對(duì)許多相關(guān)學(xué)科產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，NC的理論研究范圍包括信息論及通信的幾乎每個(gè)領(lǐng)域，如隨機(jī)編碼，線(xiàn)性編碼，非線(xiàn)性編碼，靜態(tài)碼，群碼，卷積碼，Alphabet碼，算法協(xié)議，碼構(gòu)建，有環(huán)網(wǎng)絡(luò)，鏈路失效及其網(wǎng)絡(luò)管理，無(wú)向網(wǎng)絡(luò)，分離理論，密碼學(xué)，錯(cuò)誤檢測(cè)和糾錯(cuò)碼，多信源編碼，Cost Criteria，多-單播編碼，非均勻需求，最大流/刮集界，關(guān)聯(lián)信源編碼，疊加編碼，網(wǎng)絡(luò)互連，路由尋找，無(wú)線(xiàn)及衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，Ad hoc網(wǎng)絡(luò)，傳感網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及分布，矩陣?yán)碚?，?fù)雜性理論，圖論，隨機(jī)圖論，，多種物流（Multicommodity flow），游戲理論，矩陣胚理論（Matriod theory），信息論不等式，排隊(duì)論分析，樹(shù)裝箱（Tree Packing）率失真（rate-distortion）可逆網(wǎng)絡(luò)，多用戶(hù)信道，聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)信道編碼，P2P網(wǎng)絡(luò)等。

國(guó)外多所著名大學(xué)如普林斯頓大學(xué)、麻省理工、瑞士EPFL 學(xué)院等和多家IT 公司的研究中心,包括微軟研究院、貝爾實(shí)驗(yàn)室、AT &T 的香農(nóng)信息實(shí)驗(yàn)室等都在積極開(kāi)展對(duì)網(wǎng)絡(luò)編碼理論和應(yīng)用的研究。最近國(guó)內(nèi)學(xué)者也開(kāi)始研究網(wǎng)絡(luò)編碼，如清華大學(xué)、西安電子科大、電子科技大學(xué)、北京郵電大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、上海大學(xué)等。

2.TCP協(xié)議：

傳輸控制協(xié)議（TCP）是一種面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的運(yùn)輸層（Transport layer）通信協(xié)議。在簡(jiǎn)化的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)OSI模型中，它完成第四層傳輸層所指定的功能。

TCP使用端口號(hào)，提供進(jìn)程到進(jìn)程的通信，是一種面向流的協(xié)議（如圖1-2）。它把在每一個(gè)方向傳送的數(shù)據(jù)字節(jié)都進(jìn)行編號(hào)。編號(hào)不一定從0開(kāi)始，而是在之間產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)作

圖1-2 流的傳輸

為第一個(gè)字節(jié)的號(hào)碼。當(dāng)字節(jié)都被編上號(hào)后，TCP就給每一個(gè)報(bào)文段指派一個(gè)序號(hào)（該序號(hào)為報(bào)文段中第一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的編號(hào)，見(jiàn)圖1-3）。接收方接到報(bào)文后，要使用確認(rèn)號(hào)對(duì)它已收到的字節(jié)進(jìn)行確認(rèn)，確認(rèn)號(hào)是累計(jì)的，在數(shù)值上等于期望接收的下一個(gè)字節(jié)的編號(hào)。

圖1-3 報(bào)文段序號(hào)

在實(shí)際傳輸中，為了避免信道擁塞，我們完全可以只發(fā)送一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，然后在發(fā)送下一個(gè)字節(jié)之前等待確認(rèn)。但如果信源和信宿之間的距離很大，那么信源就要在等待確認(rèn)時(shí)一直處于空閑狀態(tài)，信道吞吐率很低。為了完成流量控制，TCP使用滑動(dòng)窗口協(xié)議。