前向纠错编码在网络传输协议中的应用综述

前向纠错编码是一种在网络传输中应对丢包的技术。在传输过程中加入冗余数据,使接收端在丢包场景下可通过冗余数据直接恢复出原始数据。在丢包多、时延大的场景下,适当加入前向纠错编码可以大量节省超时重传的等待时间,从而提高网络传输的服务质量。过多地添加冗余会造成带宽的浪费,而过少地添加冗余会导致服务器端接收到的数据不足以恢复在传输过程中丢失的数据,因此实际应用前向纠错编码的难点在于恰当地控制冗余数据的比例。目前,前向纠错编码研究大多基于传统网络协议。而随着QUIC (Quick UDP Internet Connections)协议的崛起,由于其具有0-RTT (Round Trip Time)连接、多路复用以及连接无缝迁移等特性,因此更多的前向纠错研究开始结合QUIC协议,以进一步提升传输性能。文中首先对前向纠错编码(Forward Error Correction Coding,FEC)进行了概述,介绍了其应用场景、基本策略和自适应冗余控制策略;然后详细介绍了单播场景和组播场景中,前向纠错编码在传统协议中的研究现状;最后介绍了前向纠错编码在QUIC协议中的研究现状及仍面临的挑战。     

6LoWPAN中分布式TCP缓存队列策略

在多TCP连接的6Lo WPAN(IPv6 over Low-Power Wireless Personal Area Networks)网络中,针对丢包严重时存在频繁的端到端重传问题,提出分布式TCP缓存队列策略。该策略能够使中间节点合理地缓存不同TCP连接在链路层传输中丢失的分段,从而保证每个TCP连接的性能,减少网络能耗。另外,采用ARQ机制进行链路层数据帧传输时,由于中间节点判断丢包的准确率较低,导致缓存队列中存在一些实际未丢失的分段。对这些分段的重传会消耗额外的能量,降低了缓存队列的利用率。因此缓存管理采用询问邻居节点的方式检查分段是否丢失,及时地删除无效的缓存分段。实验结果表明,采用分布式TCP缓存队列策略可以使得多个TCP连接的网络性能以及缓存队列利用率得到了很大提高。     

移动网络中重传超时问题的研究

作为广泛使用的网络传输控制协议,TCP(Transmission Control Protocol)在高速移动网络中遇到了新的性能瓶颈。首先由于移动网络中存在随机位错误导致的丢包,而TCP协议不能有效区分这类丢包与拥塞丢包,导致TCP频繁的降低拥塞窗口无法有效利用移动网络的带宽资源。其次,高速移动网络的发展使得带宽时延积BDP(Bandwidth-Delay Product)进一步增大,在发生丢包时TCP协议中的流量控制将导致性能瓶颈和易引起重传超时。通过Wireshark工具抓取大量的tracing进行分析,发现重传超时的主要原因是重传数据包再次被丢,而TCP又不能发现丢失原因,因此无法进行再次重传最终导致重传超时。针对这一问题,本文提出的方法 DTOR(Detect Timeout and Retransmission)可以帮助TCP检测到重传数据包再次丢失并触发再次重传,DTOR使网络带宽利用率提升了20%左右。     

基于TCP友好速率控制和前向纠错的MPEG-2视频传输

针对Internet视频传输面临拥塞控制和数据包丢失的问题，结合TCP友好的速率控制算法和前向纠错机制建立视频传输的分层体系构架和控制策略。传输体系同时采用以GOP为基本分析单元的视频帧速率预测模型，实现根据网络丢包率的变化动态地优化配置前向纠错的冗余信息。实验证明，传输体系采用动态优化的前向纠错能实时地适应带宽的变化，有效地降低数据包丢失带来的影响，从而改善视频回放质量。     

自适应前向纠错增强TCP在无线链路上性能研究

针对无线链路引发的TCP性能缺陷,提出一种适用于TCP端对端前向纠错的自适应算法,并在此基础上利用Reed Solomon码实现一种新的TCP ARS。TCP ARS利用包一级的前向纠错在传输层恢复丢失的分组,并能自适应地根据网络丢包率、往返时延等参数调整前向纠错的冗余信息度,较好地解决了TCP在无线环境中的性能缺陷问题。     

提高Ad hoc网络中的TCP性能:TCP-FSR

标准TCP把Ad hoc网络中的移动丢包错误解释为拥塞丢包,从而不必要地启动拥塞控制,降低了TCP性能.目前绝大多数的方法都是利用中间节点的反馈信息来改善Ad hoc网络中TCP性能.但当在同一条路由上同时发生多处链路中断时,现有方法在路由重建后不能从正确的状态开始恢复TCP传输,使得TCP在刚恢复传输时就启动‘快速重传/快速恢复＇.本文提出的TCP-FSR方法能够很好地解决这个问题,分析和试验证明此方法是有效的.     

移动互联网下基于RS编码的文件传输软件设计与实现

针对移动互联网环境下,基于TCP的文件传输软件效率较低的问题,设计并实现了基于RS(Reed-Solomon)编码的文件传输软件。该软件基于UDP协议,利用RS编码的特性实现文件分块传输的前向纠错,可容忍一定范围内的数据丢失,无需重传,可有效减少交互开销,对超出纠错范围的分片数据,利用重传机制,保证可靠传输。实验结果表明,在高误码率,大时延情况下,该软件的传输性能(成功率、传输速率)相对传统的文件传输软件显著提升。     

VPN网络中的TCP性能改进方案

随着网络规模的增大,数据的传输延迟和丢失概率也随之增大,进而对TCP传输造成了较大影响.针对此现象,本文提出基于VPN网关的快速重传机制,通过在VPN网络中引入隧道重传协议,降低点到点传输中TCP数据的丢失概率,并为TCP协议提供一条可靠的传输链路.实际的测试表明,网关上的快速重传机制可以有效减小数据的丢失概率,并由此提升TCP协议的传输性能.     

基于TDD上行CSI的自适应预重传GBN-HARQ方案

针对预重传GBN-ARQ方案在误码率低的情况下吞吐率与时延大大下降的问题, 结合重传编码合并技术, 提出了一种基于TDD上行CSI的自适应预重传GBN-HARQ方案。首先, 发送端将数据进行前向纠错编码得到不同冗余版本; 然后, 根据上行CSI信息对重传分组自适应地选择冗余版本数, 在信道状况较差时一次性传输多个冗余版本以保证预重传的可靠性, 减小由预重传错误所带来的时延性能下降, 在信道状况较好时采用较少冗余以保证较高的吞吐率; 最后, 分析比较了传统GBN-ARQ方案、预重传GBN-ARQ方案和自适应预重传GBN-HARQ方案在不同情况下的吞吐率性能。理论和仿真分析表明, 在误码率大于10^－1时自适应预重传GBN-HARQ方案的吞吐率比传统GBN-ARQ方案提升了0. 1左右, 比预重传GBN-ARQ方案提升了0. 05左右, 在误码率较大的情况下, 基于编码合并技术的自适应预重传GBN-HARQ方案能够更好地保证预重传的可靠性。     

数据中心网络快速反馈传输控制协议

在数据中心网络中,当多个服务器同时向一个接收端发送数据时,产生的数据流量易在瓶颈交换机的缓冲区溢出,造成丢包事件以及数据重传,导致TCP Incast问题。为此,提出一种可快速反馈的数据中心网络传输控制协议( FFDTCP)。该协议在TCP协议的基础上采用显式拥塞通知机制,利用2个显式拥塞通知位通告4种拥塞级别,发送端根据拥塞信息所表示的拥塞级别快速调整拥塞窗口以减少拥塞,从而避免因瓶颈链路丢包而造成的吞吐量急剧下降问题。 NS2仿真实验结果表明,与传统TCP协议相比,FFDTCP协议可以保证较低的时延和较大的吞吐量,有效缓解TCP Incast问题,提高数据中心网络传输性能。     

一种CDMA2000链路层自适应重传算法

TCP协议应用在3G无线网络中时，其传输性能受到了无线网络物理层帧差错率的严重影响。链路层重传技术可以大大改善TCP数据传输性能因无线信道误码率大而下降的情况。主要研究了CDMA2000中链路层重传技术对无线TCP数据传输的影响，并结合TCP层重传超时机制，提出了一种新的自适应链路层重传算法，提高了TCP在无线链路的数据传输性能。最后对该算法进行仿真，验证了此算法可以显著提高TCP吞吐率。     

Engineering TCP transmission and retransmission mechanisms for wireless networks

Transmission Control Protocol (TCP) provides mechanisms for reliable data communications. Although it works well in wired networks, it fails to offer satisfactory performance in lossy and wireless environments. And in the multi-hop wireless infrastructure, packet delivery suffers high cumulative loss rate if traveling over multiple wireless hops. The Selective acknowledgment (SACK) is one header option that might be used to combat segment corruptions in air channels. In this paper, an alternative set of flow control mechanisms is proposed to handle high packet loss rate in a wireless medium. Using a measurement-based mechanism, sustainable segment delivery is achievable through a novel size-reduction method. Multiple segment retransmission mechanisms are introduced to reduce successive timeout events. One single byte loss is sufficient to waste all other bytes in a file received at a destination. That is, a good TCP flow control mechanism should provide a high successful file transmission completion rate, and this is set as our design goal. Through thorough simulations, our proposed multi-segment retransmission designs perform with higher successful file transfer rate and fewer timeout events than NewReno and SACK under a wide range of packet loss probabilities.     

Improved WWW multimedia transmission performance in HTTP/TCP overATM networks

Transmission control protocol/Internet protocol (TCP/IP) is the de facto standard of the networking world. It dynamically adjusts routing of packets to accommodate failures in channels and allows construction of very large networks with little central management. But IP packets are based on the datagram model and are not really suited to real-time traffic. In order to overcome the drawbacks, a new network technology, ATM, is proposed. ATM provides quality of service (QOS) guarantees for various classes of applications and in-order delivery of packets via connection oriented virtual circuits. Unfortunately, when ATM is to be internetworked with the existing network infrastructure, some special signaling, addressing and routing protocols are needed. IP over ATM is one of the methods proposed by IETF. It allows existing TCP/IP applications to run on ATM end-stations and ATM networks to interconnect with legacy LAN/WAN technologies. But the performance of TCP/IP over ATM leaves something to be desired. Partial packet discard (PPD) and early packet discard (EPD) are two schemes to improve its performance. This paper proposes a “selective packet retransmission” scheme for improving HTTP/TCP performance when transmitting through ATM networks. In selective packet retransmission, we take advantage of the property of humans' perception tolerance for errors to determine whether to retransmit a corrupted TCP segment or not. For lossable data, such as images, when an error occurs because of cell losses, it will not be retransmitted. The simulations show that, for the same buffer size and traffic load, selective packet retransmission performs better than PPD, EPD, and plain TCP over ATM     

以太网帧传输中延时补偿的研究

以太网的帧传输在数据位出错、接收缓冲区满或其他异常情况下,接收器会简单地丢弃帧,特别是在高速传输或网络互连设备中更为明显。虽然以太网提供了重传机制,但是这样会带来延时的不确定性,为传输电路数据的时钟特性,适应以太网承栽电路数据IP包的需求,通过分析以太网数据传输特点,提出了一种包丢失及延时补偿的设计方法,并在FPGA中实现了包丢失补偿的缓冲器设计。     

基于集成FEC的可靠多目广播及性能评价

对点对点通信，数据的传输常使用自动重复求技术，而前向纠错多用于半可靠实时传输。然而，ＡＲＱ用于多目广播的性能不佳。     

基于RTT的TCP拥塞控制慢启动改进算法

分析目前TCP拥塞控制的慢启动策略及其存在的短连接带宽浪费、过度丢包等实际问题,提出一种基于RTT（Round Rrip Time,往返时延）反馈的TCP慢启动改进算法SS IM(Slow Start Improved)。改进算法在慢启动过程前期为快速利用当前有效网络带宽,拥塞窗口保持较高速度增长,后期为避免加重网络拥塞,根据当前网络状况动态地缓慢调整拥塞窗口增长因子,使cwnd（congestion window,拥塞窗口）平滑过渡到ssthresh（slow start threshold,慢启动阈值）。性能分析和NS2仿真实验结果表明,改进算法能有效地减少分组丢包数,提高网络吞吐量,降低路由排队时延,平缓数据突发量冲击,降低网络拥塞发生的可能性,利于网络性能的提高。     

MANET中TCP改进方案的性能分析与比较

TCP协议最初是为有线网络设计,它假设数据包的丢失都是由网络拥塞引起.但在MANET中,链路的高误码率和节点移动等都会引起数据包的丢失.如果不加改进地把传统TCP应用于MANET中,它会把非拥塞因素引起的数据包丢失也当作是网络拥塞,从而错误的触发拥塞控制,导致传输性能的下降.首先讨论了MANET中影响TCP性能的主要因素;然后从传输层、网络层和链路层3个层面,分别介绍了提高MANET中TCP性能方法的工作机制;并对这些方法进行了分析比较.最后指出了今后的工作方向.     

面向TCP的流媒体传输编码码率自适应算法

由于网络的时变性和异构性,以及在拥塞情况下的高丢包率,利用TCP传输流媒体数据是Internet流媒体分发系统提高流媒体分发质量的首选方案。由于TCP具有超时或错误重传机制,在网络拥塞情况下,难以保证高码率流媒体数据传输的实时性,因此提出一种面向TCP流媒体传输的编码码率自适应算法(TCP_RA)。该算法根据流媒体发送应用层缓冲区读写指针差值调整流媒体发送端的编码码率适应网络带宽的变化。仿真实验对比分析了该算法与基于UDP之上TFRC协议的流媒体传输码率自适应算法在流媒体传输质量上的差别。结果表明,该算法在网络环境较差的情况下有效地提高了流媒体传输质量。并且该算法容易实现,值得推广。     

Adaptive hybrid error correction model for video streaming over wireless networks

The Hybrid ARQ (HARQ) mechanism is the well-known error packet recovery solution composed of the Automation Repeat reQuest (ARQ) mechanism and the Forward Error Correction (FEC) mechanism. However, the HARQ mechanism neither retransmits the packet to the receiver in time when the packet cannot be recovered by the FEC scheme nor dynamically adjusts the number of FEC redundant packets according to network conditions. In this paper, the Adaptive Hybrid Error Correction Model (AHECM) is proposed to improve the HARQ mechanism. The AHECM can limit the packet retransmission delay to the most tolerable end-to-end delay. Besides, the AHECM can find the appropriate FEC parameter to avoid network congestion and reduce the number of FEC redundant packets by predicting the effective packet loss rate. Meanwhile, when the end-to-end delay requirement can be met, the AHECM will only retransmit the necessary number of redundant FEC packets to receiver in comparison with legacy HARQ mechanisms. Furthermore, the AHECM can use an Unequal Error Protection to protect important multimedia frames against channel errors of wireless networks. Besides, the AHECM uses the Markov model to estimate the burst bit error condition over wireless networks. The AHECM is evaluated by several metrics such as the effective packet loss rate, the error recovery efficiency, the decodable frame rate, and the peak signal to noise ratio to verify the efficiency in delivering video streaming over wireless networks.     

MANET中TCP改进研究综述

传统TCP(transmission control protocol)本是为有线网络设计,它假设包丢失全是由网络拥塞引起,这个假设不能适应于MANET (mobile ad hoc network),因为MANET中除了拥塞丢包以外,还存在由于较高比特误码率、路由故障等因素引起的丢包现象.当出现非拥塞因素丢包时,传统TCP将错误地触发拥塞控制,从而引起TCP性能低下.任何改进机制都可以分为发现问题和解决问题两个阶段.首先概括了MANET中影响TCP性能的若干问题;然后针对发现问题和解决问题两个阶段,详细地对每一阶段中存在的各种可行方法进行了分类、分析和比较;最后指出了MANET中TCP性能优化的研究方向.