一.理論基礎(chǔ)

本項目針對現(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）實現(xiàn)在發(fā)送方對原始TCP報文段編碼，在接收方解碼，并針對網(wǎng)絡(luò)實時丟失率調(diào)整編碼報文段的發(fā)送冗余，以達到向TCP層掩蓋丟失的目的；同時加入處理器共享技術(shù)，該技術(shù)旨在用一個合適的初始速率來代替TCP的慢啟動過程。最終提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量和可靠性，縮短數(shù)據(jù)流完成時間。

1.網(wǎng)絡(luò)編碼：

2000年，以香港中文大學信息工程系為主的研究人員針對通訊網(wǎng)絡(luò)的瓶頸問題，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)中傳輸包的線性組合，在接收端通過解碼恢復出原始數(shù)據(jù)包。

網(wǎng)絡(luò)編碼的概念可以通過蝴蝶拓撲圖來進行簡單的說明，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間內(nèi)只能傳輸1比特，則采用路由方式，UV鏈路會成為傳輸瓶頸，即只能傳輸a和b中的一個信息。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，平均每個信宿節(jié)點的吞吐量為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，平均每個信宿節(jié)點的吞吐量為2比特。

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

網(wǎng)絡(luò)編碼自誕生以來，得到了迅速的發(fā)展。短短幾年，發(fā)表了幾百篇學術(shù)論文，并對許多相關(guān)學科產(chǎn)生了深遠的影響，NC的理論研究范圍包括信息論及通信的幾乎每個領(lǐng)域，如隨機編碼，線性編碼，非線性編碼，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，無向網(wǎng)絡(luò)，分離理論，密碼學，錯誤檢測和糾錯碼，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，無線及衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，Ad hoc網(wǎng)絡(luò)，傳感網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)存儲及分布，矩陣理論，復雜性理論，圖論，隨機圖論，，多種物流（Multicommodity flow），游戲理論，矩陣胚理論（Matriod theory），信息論不等式，排隊論分析，樹裝箱（Tree Packing）率失真（rate-distortion）可逆網(wǎng)絡(luò)，多用戶信道，聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)信道編碼，P2P網(wǎng)絡(luò)等。

國外多所著名大學如普林斯頓大學、麻省理工、瑞士EPFL 學院等和多家IT 公司的研究中心,包括微軟研究院、貝爾實驗室、AT &T 的香農(nóng)信息實驗室等都在積極開展對網(wǎng)絡(luò)編碼理論和應用的研究。最近國內(nèi)學者也開始研究網(wǎng)絡(luò)編碼，如清華大學、西安電子科大、電子科技大學、北京郵電大學、中國科學技術(shù)大學、復旦大學、上海大學等。

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)流的運輸層（Transport layer）通信協(xié)議。在簡化的計算機網(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，提供進程到進程的通信，是一種面向流的協(xié)議（如圖1-2）。它把在每一個方向傳送的數(shù)據(jù)字節(jié)都進行編號。編號不一定從0開始，而是在之間產(chǎn)生一個隨機數(shù)作

圖1-2 流的傳輸

為第一個字節(jié)的號碼。當字節(jié)都被編上號后，TCP就給每一個報文段指派一個序號（該序號為報文段中第一個字節(jié)數(shù)據(jù)的編號，見圖1-3）。接收方接到報文后，要使用確認號對它已收到的字節(jié)進行確認，確認號是累計的，在數(shù)值上等于期望接收的下一個字節(jié)的編號。

圖1-3 報文段序號

在實際傳輸中，為了避免信道擁塞，我們完全可以只發(fā)送一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，然后在發(fā)送下一個字節(jié)之前等待確認。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時一直處于空閑狀態(tài)，信道吞吐率很低。為了完成流量控制，TCP使用滑動窗口協(xié)議。