车辆自组织网络中基于丢包区分的多路径TCP网络编码传输系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了一种车辆自组织网络中基于丢包区分的多路径TCP网络编码传输系统和方法。在车辆自组织网络中，由于车辆移动速度快，使得VANET中节点的网络拓扑结构变化迅速；另外，由于无线车载网环境中，易受到外界环境因素的干扰(如：噪声、无线信号衰减、建筑物等)，使得VANET中数据的传输效率大大降低。在本方法中，首先针对数据包在发送的过程中，是否出现数据包丢失做出判断；其次出现数据包丢失的情况下，能够检测出造成数据包丢失的原因，并根据不同子流上丢包的原因，做出不同的处理。通过实验仿真表明本方法相与常规的多路径TCP传输方法相比，不仅节约了网络资源，并且在吞吐量和时延等网络参数中，都具有优势。

Multipath TCP Network Coding and Transmission System Based on Packet Loss Differentiation in Vehicle Ad Hoc Networks

【技术实现步骤摘要】
车辆自组织网络中基于丢包区分的多路径TCP网络编码传输系统和方法
本专利技术属于计算机网络和通信领域，具体是基于车辆自组织网络(VehicularAd-hocNETwork，VANET)中对无限链路上的数传输控制方法进行优化改进，提出了一种基于丢包区分的多路径的TCP网络编码传输方法。
技术介绍
作为第5代移动通信系统(5G)的一种重要应用场景，目前无线车载网络(WVN，WirelessVehicularNetworks)引起了人们的高度关注，它是一个典型的无线Adhoc网络(WAN)，无线车载网络不但有动态网络拓扑、信道的质量不可预测等特点，而且无线车载网络还具有网络拓扑结构变化频繁、运动速度较快等特点，同时无线车载网络对延迟和吞吐量的要求也是很高的。TCP协议早已成为现代网络中不可或缺的网络传输协议，根据无线Adhoc网络(WAN)和无线车载网络(WVN)的特点，设计其TCP协议在一定程度上具有很大挑战性。多路径TCP(MultipathTCP，MPTCP)的提出为我们解决在WVN中数据传输提供了新的思路，网络编码(NetworkCoding，NC)的优点主要体现在减少无线发送的能量消耗、提升了网络的吞吐率、增强了网络的鲁棒性和容错性等方面，由于网络编码对数据传输的可靠性，将其与MPTCP协议结合而成的网络编码TCP协议，为改善无线网络的性能提供了一种新的方法。在MPTCP中无法充分利用每一条子流的带宽，有时甚至比单路径TCP的性能更差。针对这种情况作者Hwang提出了一种MPTCP快速耦合机制。当某一条子流上发生拥塞时，能够将该条子流上的数据调度到其他非拥塞子流上发送，提高了链路的整体吞吐量，减少了发送时间。在MPTCP中当某条子流不可靠时，这条子流上传输的数据可能会停滞，从而影响到整体的发送速率。作者Ageneau通过引入随机线性网络编码，提出一个带有网络编码的MPTCP方案，减少了由于阻塞引起的性能下降问题。该方案选取的网络编码易于在MPTCP上实现。有学者提出了一种在IoV中使用MPTCP移动感知多媒体数据的传输机制。该机制不仅使用MPTCP协议来提高传输速率，而且设计质量感知模块，将数据动态的分配到不同子流上。但是当车辆超出路边单元通信范围时，终端与远程服务器之间的通信链路会被中断。该作者同时设计了一种切换机制，将数据传输连接到路径上，使得MPTCP能够进行稳定传输。
技术实现思路
本专利技术的目的在于结合丢包区分的同时加入网络编码，给出了一种能够提升吞吐量、减少时延、节约网络资源的方法，本专利技术在VANET环境中能对网络的传输性能进行一定程度的提高。本专利技术采用的技术方案是：车辆自组织网络中基于丢包区分的多路径TCP网络编码传输系统，包括数据调度分配模块、丢包率和带宽评测模块、丢包区分模块、链路可靠性评测模块和传输控制模块；其中，所述数据调度分配模块，用于根据丢包率和带宽评测模块对每条链路的质量做出评估，然后动态的把数据分配到各链路上进行传输。所述丢包率和带宽评测模块，用于对丢包率和带宽进行计算，为是否丢包提供判断依据。所述丢包区分模块，用于根据丢包率和带宽获知链路中网络传输状态，判断是否丢包，以及判断丢包为拥塞丢包、链路中断丢包或随机丢包。所述链路可靠性评测模块，用于检测链路是否发生中断。所述传输控制模块，用于根据网络数据丢包情况选择对应的传输方法，辅助数据调度分配模块进行动态适应的数据传输。进一步，本专利技术的方法包括以下步骤：丢包率和带宽评测模块对丢包率和带宽进行计算，为是否丢包提供判断依据；丢包区分模块根据丢包率和带宽获知链路中网络传输状态，判断是否丢包；如果发现为疑似链路中断丢包，链路可靠性评测模块检测链路是否发生中断，进一步确认是否为链路中断丢包；传输控制模块根据网络数据丢包情况选择对应的传输方法，辅助数据调度分配模块进行动态适应的数据传输。在此基础上进行以下分析：(1)在VANET中节点之间通信发送数据时，对收到链路的利用率进行判断。链路的利用率是指单位时间内路径中可以传输的数据，也就是链路中数据传输的实际速率。根据Subramanian在VCP实验验证中表明：当链路中的利用率在80％以下时，链路状态处于轻载；当链路中的利用率在80％到100％之间时，链路处于重载；当链路中的利用率到达100％时，链路此时处于超载。在本方法中为了有效的检测到链路状态，将链路利用率为60％以下时，链路设为轻载状态；将链路利用率在60％到100％之间时，链路状态设为重载；超载状态同上。(2)根据(1)中对链路利用率的计算进行区分。(a)当其小于60％时，则说明此时数据传输量与链路的承受能力相比，数据传输的量远远不够。不仅能够说明链路中出现了数据包丢失，而且也能说明导致数据包丢失的原因并不是由于链路拥塞导致。(b)当其处于60％到100％之间时，则表明此时链路中发送的数据量还未达到链路的承受能力，这时还继续要增加链路的拥塞控制窗口，增加发送量。(c)当其处于100％及其以上时，则说明传输的数据量已经超过了链路能够承受的能力，这时就会出现拥塞丢包。(3)根据(2)中区分出来的状态进行相应的处理，当链路处于(c)时，数据丢失是由于网络拥塞导致，这时除了要重传丢失的数据包之外，还要将拥塞窗口的大小减半(即传统TCP的拥塞控制算法步骤)。当链路处于(b)时，表示链路状态良好。除了继续发送数据之外，还要避免链路出现拥塞。当链路处于(a)时，这时的情况比较复杂，根据VANET的特点可以知道，VANET中节点移动速度快，网络拓扑结构变化相当快，所以此时链路极有可能中断。也有可能是由于随机丢包导致的。需要进行进一步判断，判断链路是否已经断开。当检测到链路中处于(a)状态时，这时需要通过发送端发送探针消息，通过探针来检测链路是否中断。包括：(1)当接收方能够收到探针消息时，则说明此时链路并未断开，而链路利用率小于60％。则说明由于误码率高的原因，而导致的随机丢包。这时并不重传丢失的数据包，因为重传的数据包在发送过程中也可能丢失。这时将数据进行随机线性编码。增加一定的冗余量，这样即使在发送过程中出现部分丢失，接收端也能通过收的编码包解码出丢失的数据。(2)当接收方不能收到发送方的探针消息时，已经表明链路出现中断，该条路径已经不能发送数据了，这时就将该条路径上待发送的数据包，转移到其他子流路径上进行发送。另外，发送方会持续在该条路径上发送探针消息，检测路径状态，一旦该条路径恢复通信，就将数据转移到该条路径上进行发送，从而提高链路利用率，增加吞吐量，提升网络的性能。基于上述讨论，本专利技术在丢包区分阶段的拥塞控制算法如下：通过上述算法步骤可以知道，当链路中断时有个问题需要解决：如何能够有效的检测到链路已经发生中断。由于在VANET中的网络拓扑结构是随着节点的移动而发生变化的，节点的移动速度很快，链路的有效性变化也非常迅速。在传统的TCP中，采用的是心跳机制。由于TCP心跳机制发送的心跳包是以秒为单位的，而在节点高速移动的VANET环境中，这种发送包的时间间隔无法适用，无法适用在VANET这种拓扑结构高度动态化的环境。MPTCP作为TCP的扩展，在MPTCP的格式中也提供了相应的标识位，如：MP_CAPABLE、MP_JOIN等，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.车辆自组织网络中基于丢包区分的多路径TCP网络编码传输系统，其特征在于：包括数据调度分配模块、丢包率和带宽评测模块、丢包区分模块、链路可靠性评测模块和传输控制模块；其中，所述数据调度分配模块，用于根据丢包率和带宽评测模块对每条链路的质量做出评估，然后动态的把数据分配到各链路上进行传输；所述丢包率和带宽评测模块，用于对丢包率和带宽进行计算，为是否丢包提供判断依据；所述丢包区分模块，用于根据丢包率和带宽获知链路中网络传输状态，判断是否丢包，以及判断丢包为拥塞丢包、链路中断丢包或随机丢包；所述链路可靠性评测模块，用于检测链路是否发生中断；所述传输控制模块，用于根据网络数据丢包情况选择对应的传输方法，辅助数据调度分配模块进行动态适应的数据传输。

【技术特征摘要】
1.车辆自组织网络中基于丢包区分的多路径TCP网络编码传输系统，其特征在于：包括数据调度分配模块、丢包率和带宽评测模块、丢包区分模块、链路可靠性评测模块和传输控制模块；其中，所述数据调度分配模块，用于根据丢包率和带宽评测模块对每条链路的质量做出评估，然后动态的把数据分配到各链路上进行传输；所述丢包率和带宽评测模块，用于对丢包率和带宽进行计算，为是否丢包提供判断依据；所述丢包区分模块，用于根据丢包率和带宽获知链路中网络传输状态，判断是否丢包，以及判断丢包为拥塞丢包、链路中断丢包或随机丢包；所述链路可靠性评测模块，用于检测链路是否发生中断；所述传输控制模块，用于根据网络数据丢包情况选择对应的传输方法，辅助数据调度分配模块进行动态适应的数据传输。2.根据权利要求1所述车辆自组织网络中基于丢包区分的多路径TCP网络编码传输系统，其特征在于：所述丢包区分模块针对链路利用率进行以下区分：(a)当链路利用率小于60％时，链路中出现了数据包丢失；(b)当链路利用率处于60％到100％之间时，链路中未出现数据包丢失；(c)当链路利用率处于100％及其以上时，会出现拥塞丢包。3.根据权利要求2所述车辆自组织网络中基于丢包区分的多路径TCP网络编码传输系统，其特征在于：所述(a)情况下，需要通过链路可靠性评测模块对链路探测，如果探测出链路中断，则判定网络中的数据丢包是链路中断造成的。4.根据权利要求3所述车辆自组织网络中基于丢包区分的多路径TCP网络编码传输系统，其特征在于：所述链路可靠性评测模块在MPTCP中添加一个可靠性选项OPT_LR，作为探针发送给接收方，如果在固定的时间内发送方没有收到反馈，则该条链路中断。5.根据权利要求2或3或4所述车辆自组织网络中基于丢包区分的多路径TCP网络编码传输系统，其特征在于：所述(c)情况下出现链路拥塞时，传输控制模块调整链路拥塞窗口大小，减少发送量；所述(a)情况下，判断为链路中断时，传输控制模块...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢显中，陈杰，黄倩，黎佳，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50