基于网络编码的TCP协议原型设计与实现

发布时间：2017-09-28 17:38

  本文关键词：基于网络编码的TCP协议原型设计与实现

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【摘要】：传输控制协议TCP由于“丢包即拥塞”的设计思想使其在网络随机丢包率较高的环境中传输性能急剧下降,针对这一不足产生过许多改进方案,然而出发点大都局限于如何区分造成丢包的原因或者对传输参数进行调整,因此并没有产生质的飞跃,而网络编码技术的出现为解决这一难题提供了新思路。基于网络编码设计的TCP/NC协议充分利用了节点的计算能力并对数据进行了融合,打破了原有数据包的顺序性,在不区分产生丢包原因的前提下很好地屏蔽了因网络随机丢包造成的拥塞控制机制的调用,从而在随机丢包率较高的网络中大幅提升了其传输性能。然而该协议只提供了一个基本框架,对如何进行有效的编解码操作并未提供具体的实现细节,并且由于编解码操作造成的大量传输和计算开销也没有得到很好的优化,而高效可用的编解码算法是设计与实现该协议的关键,因此尚需进一步研究和改进。 本文在深入研究网络编码技术和TCP/NC协议的基础之上,对随机线性编解码操作进行了开发与实现,在仿真环境下实现了该协议,并针对协议中编解码算法的不足,提出了一种改进的固定系数矩阵编解码算法,具体研究工作主要包括以下几个方面： (1)基于伽罗华域运算设计实现了高可用的随机线性编解码算法,该算法利用查表法很好地降低了伽罗华域乘法计算的复杂度,并在仿真环境下验证了编解码的正确性。 (2)设计并实现了一套算法验证系统,用于验证编解码算法的正确性和复杂性,并可根据接口规范修改和替换编解码函数,具有良好的可扩展性。 (3)利用NS2对TCP/NC协议进行了仿真实现,并与母体协议TCP-vegas进行了对比评估。结果表明,在丢包率为5%和10%的网络中,TCP/NC的吞吐量达到了相同条件下TCP-vegas的4.7倍和8.1倍,传输速率是TCP-vegas的3.8倍和12.1倍。 (4)针对随机线性编解码算法由于发送编码参数造成大量的额外网络传输开销,以及解码端复杂计算产生的计算CPU消耗和延时,提出了一种固定系数矩阵编解码算法,减小了网络传输开销。在相同参数设置的仿真环境下,执行一次解码操作减少了28.9%的伽罗华域运算次数,具有更低的计算复杂度。
【关键词】：TCP 拥塞控制 网络编码 TCP/NC 伽罗华域
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP393.04
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-8
• 目录8-10
• 第一章 绪论10-15
• 1.1 研究背景10
• 1.2 国内外研究现状与发展10-13
• 1.2.1 改进TCP协议的常用方法10-11
• 1.2.2 网络编码技术的发展及应用现状11-13
• 1.3 研究内容与论文工作13-14
• 1.4 论文结构14-15
• 第二章 网络编码及TCP简介15-25
• 2.1 网络编码简介15
• 2.2 网络编码的基本原理15-16
• 2.3 网络编码的优势16-18
• 2.4 网络编码的劣势18-19
• 2.5 网络编码在OSI模型各个层上的典型应用19-20
• 2.6 传输控制协议TCP20-23
• 2.6.1 TCP简介20-21
• 2.6.2 TCP段的头21-22
• 2.6.3 TCP的拥塞控制机制22-23
• 2.7 网络编码改进传输层协议的思路23-24
• 2.8 本章小结24-25
• 第三章 随机线性编解码算法的实现与验证25-39
• 3.1 随机线性编解码的基本原理25-26
• 3.2 Galois理论简介26
• 3.3 伽罗华域在随机线性网络编码中的应用26-29
• 3.3.1 伽罗华域的定义27
• 3.3.2 伽罗华域上的运算27-29
• 3.4 基于伽罗华域运算的随机线性编解码算法的实现29-33
• 3.4.1 TCP/NC概述29-30
• 3.4.2 编码算法的详细设计方案30-31
• 3.4.3 解码算法详细设计方案31-33
• 3.5 算法正确性验证33-38
• 3.5.1 算法验证系统整体架构设计34-35
• 3.5.2 算法验证系统编码模块35-36
• 3.5.3 算法验证系统解码模块36-38
• 3.5.4 随机线性编解码算法正确性验证38
• 3.6 本章小结38-39
• 第四章 TCP/NC协议的实现与仿真评估39-51
• 4.1 TCP/NC协议整体架构39-40
• 4.2 修改后的ACK机制——seen40-41
• 4.3 TCP/NC协议流程方案41-43
• 4.3.1 发送端算法流程41
• 4.3.2 接收端算法流程41-42
• 4.3.3 编码缓冲区及编码头的设计42-43
• 4.4 基于NS2的TCP/NC协议的仿真实现与性能评估43-50
• 4.4.1 NS2简介43-44
• 4.4.2 使用NS2模拟的一般过程44-45
• 4.4.3 TCP/NC协议在NS2中的实现45-46
• 4.4.4 TCP/NC与TCP-vegas协议的仿真与性能评估46-50
• 4.5 本章小结50-51
• 第五章 基于固定系数矩阵改进的网络编解码算法51-59
• 5.1 基于固定系数矩阵的编码算法设计51-54
• 5.2 基于固定系数矩阵的解码算法设计54-55
• 5.3 固定系数矩阵编解码算法的验证与性能评估55-58
• 5.3.1 改进算法正确性验证56
• 5.3.2 改进算法的复杂性验证56-58
• 5.4 本章小结58-59
• 第六章 总结与展望59-61
• 6.1 论文总结59-60
• 6.2 研究展望60-61
• 参考文献61-63
• 附录63-64
• 致谢64-65
• 攻读学位期间发表的学术论文65

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 杨林;郑刚;胡晓惠;;网络编码的研究进展[J];计算机研究与发展;2008年03期

2 李令雄;洪江守;龙冬阳;;NS仿真器的一个网络编码扩展[J];计算机科学;2009年07期

3 蒲保兴;王伟平;;线性网络编码运算代价的估算与分析[J];通信学报;2011年05期

中国博士学位论文全文数据库 前2条

1 王静;网络编码理论及其应用的研究[D];西安电子科技大学;2009年

2 杨军;网络编码的若干关键问题研究[D];华中科技大学;2013年

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本文编号：937193