基于RS码的网络编码层设计（.docVIP

基于RS码的网络编码层设计( 范宇 （，） 摘要： 关键词：； 中图分类号： 文献标识码： Fan Yu 1(Jiangsu Open University, Nanjing, 210019，China) 【Abstract】In contrast to wired TCP/IP networks, the wireless links induce packet erasures with high packet erasure probability. The network coding based on RS code is used to cope with such packet erasures. A network coding layer between network and transport layer of the Internet protocol stack is used to encapsulate all network coding related functions and to make network coding transparent to the other, traditional layers of the stack. A simulation in NS2 has proved that the network coding layer based on RS codes has increased the throughput of transmission in the network conditions with high packet drop rate. 【Key words】; network coding layer; wireless network; TCP/IP; throughput 引言 TCP协议在良好的网络条件下可提供值得信赖的数据传输。但随着时代的发展，各种无线网络，如3G等开始成为通信的主要途径。在这些信道较差、丢包率较高的网络条件下，TCP协议的表现就差强人意了。丢包、等待与重发的循环将反复上演。 在上个世纪，人们普遍认为网络的中间节点若对数据处理不会带来任何好处。在本世纪初，R. Ahlswede论述并推翻了这个“常识”，他提出：在无视噪声和干扰的情况下（在物理层可以解决），数据流可以被编码在一起以获得更好的信道利用率[1]。这就为数据通信提供了一个新的思路和研究方向——网络编码。网络编码指出允许路由器对不同的信息流进行编码可以达到香农最大流最小割定理的上界[2]。本文在TCP中引入网络编码的概念，对TCP包进行线性编码，分组发送，并在接收端解码获得原TCP数据包，便可提高数据传输效率[3]。本文所述的网络编码层是一种介于TCP/IP层次结构中传输层和网络层之间的透明结构，在良好信道中可将其关闭以免影响原TCP/IP的工作效率。 TCP在无线网络中的缺陷 与众所周知的7层OSI网络结构[4]相比，TCP/IP的层次结构有4层。它们是：网络接口层，网络层，传输层和应用层。本文主要涉及的传输层负责提供流控制、错误校验和排序等服务，以实现可靠的信息传输，TCP协议即属于该层；网络层管理着离散的计算机间的数据传输，包括处理信息的路由和主机地址解析等，IP协议属于该层。 传输层TCP协议及网络层IP协议合作实现了可信赖的数据包传输。TCP协议主要功能有：避免网络拥塞、将超时未确认的数据包重发、在不同带宽下提供自适应的传输率。TCP中超时重发的主要原因有丢包和拥塞。面对拥塞，TCP应当减小拥塞控制窗口宽度，减少发包量，以避免更多拥塞；而面对丢包，TCP应当快速重传丢失数据包。但事实上，由于有线传输的可靠性很高，丢包率极小，超时都被TCP判定为拥塞来处理。 在无线网络中，情况就大不相同了。超时主要是由信道中的丢包而不是拥塞造成的。但已适应了有线网络的TCP协议在此时仍以应对拥塞的方式来处理，减少单轮发包量。于是，频繁地丢包，频繁地超时，拥塞控制窗口宽度始终较窄，每轮发送数据包的数量也较小。这极大地浪费了带宽，让时间浪费在了臆想中的数据包拥塞上。 基于RS码的网络编码 为改进TCP协议，使其能够更好适应无线网络环境，可利用网络编码的方式为每轮传输的数据包组添加冗余。而采用分组代数码来对数据包编码是一种可行的方案。 2.1 Reed-Solomon 编码 在网络编码层中运用到的Reed-Solomon编码[5]（简称RS码）是一种MDS编码[6]。它是一个（n,k,n-k+1）码，也即一个长度为n，维度为k，最小汉明距离为d=n-k+1的线性分组码。该码有能力发现最多n-k个错误，纠正个错误。除了检测和纠正错误外，网络编码层运用到的是RS码的