详解向日葵自研Oray-Raptor混合编码:对比TCP/IP通信有何优势?

为了进一步提升弱网场景下的远程控制体验，提高解码成功率，贝锐旗下“国民远控”向日葵使用了一种自研的混合FEC算法：Oray-Raptor，这一算法可以大幅优化远程控制技术在传输层的效能。本文将为大家详细介绍Oray-Raptor算法及其优势。

深空通信与远程控制，Oray-Raptor的诞生

众所周知，TCP协议是如今最为常用的网络协议之一，如果接收者发现报文错误或者丢包会要求发送者重传，它会通过一种“传输-确认”的反馈机制来实现。这是一种纠错机制，被称为自动重传（Automatic Repeat-reQuest，ARQ），它对通信损伤具有很强的修复能力，是一种可靠传输。

但它有一个缺点，在高丢包率和大延时的弱网环境中，大量的重传包会占用有限的资源，使本已糟糕的网络进一步恶化。ARQ本质是以时间换取可靠性，它会显著增加时延。

在地球上，构建于TCP/IP的互联网通信，两端计算延时使用的是毫秒（ms）。如果增加传输距离，放在深空通信场景，地球与火星探测器之间，延时将以分钟计，地火距离随着各自的公转有远有近，一次交互大约需要8~20分钟。与此同时，遥远的距离导致接收者的SNR（信噪比）极低，宇宙中复杂的电磁辐射使通信环境更加恶化。

遥远的距离对通信的编码增益提出了极高的要求，此时传统的TCP/IP基于反馈重传的机制就显得非常低效。设想一下，接收者发现报文有误或者丢失（考虑到宇宙空间环境的不可预测，这会经常发生），要求火星探测器再发一份，这一次交互大约需要多花16~40分钟，这还只是一个报文的重传。

因此，出于效率的考虑，深空通信一般会使用高增益的信道编码。目前，喷泉码是一种被广泛使用的编码方案，它是前向纠错编码（FEC，Forward Error Correction）中的一种。

事实上，深空通信和远程控制场景中的一些需求非常类似，如它们对延时非常敏感。远控时，如果有较大的延迟，用户很容易感知到操作存在的滞后性。例如：用户点击鼠标画面却没有立刻反馈，而是需要等待1~2秒，不仅严重影响了体感，而且无法及时反馈，也容易引起用户重复操作，导致误操作的问题。显然，弱网环境下的远控，延时非常重要。

为了进一步提升远程控制体验，贝锐参考了深空通信的一些技术，综合使用了Raptor喷泉码技术和ARQ优化了弱网环境下的通信效率问题，并研发了Oray-Raptor混合编码。

Oray-Raptor传输算法

在网络环境允许时，Oray-Raptor采用Raptor喷泉码技术，优先获得更小的数据传输延时。如果遇到丢包率>10%的弱网环境，超过Raptor喷泉码的纠错能力后，将使用ARQ进行少量数据重传，提高传输可靠性，从而满足基本解码需求，使得接收方可以重建所有数据。

Oray-Raptor算法详解，融合ARQ与FEC技术的优势

Oray-Raptor混合编码使用的Raptor喷泉码，是和里所码（RS码, Reed–Solomon Code）一样的FEC编码方式，也是经常被讨论的两种编码。

FEC与ARQ完全不同，它彻底抛弃了TCP的ACK反馈模型，通过冗余编码技术对待发送的数据进行编码，即使在传输时出现丢包，接收者也可以通过冗余的编码对缺失的数据进行恢复，做到与ARQ的可靠传输。它是单向的不需要双向连接，也没有反馈机制，在弱网环境中，在大规模丢包和超时的情况下，FEC相对于传统的通信模型可以大大提高传输效率。由于它的单向传输特性，它一般与UDP协议配合使用。

FEC编码中的里所码（RS码, Reed–Solomon Code）是1960年由麻省理工的Irving S. Reed和 Gustave Solomon提出的编码方法。但在后来的很长一段时间，由于没有实用的解码方法一直没有商用，直到1975年才出现使用欧几里德算法解码的关键方法。1982年RS码首度商用，被广泛用于CD、DVD、蓝光光盘、RAID6磁盘阵列和某些加密技术中。

RS码由于出现时间较早，已被大量应用于视频通信业务中。以DVB-T标准的RS(204，188)为例，该示例设定了一个恒定的丢包率，然后计算该丢包率下解码成功率，RS(204，188)是指每一组信源信号为188 Bytes，编码后为204 Bytes，增加了16Bytes的冗余 。

在UDP传输中最大纠错能力为16个信号。只要在连续发送的204个UDP数据包中丢包的数量小于16，即可正确的恢复数据。根据下图所示的实验结果，我们很容易发现在丢包率低于3%时，RS(204,188)码能够保持较高的解码成功率(>90%)，当丢包率5%-10%的区间中，RS码解码成功率急剧降低。6%左右的丢包率下，RS码已不能有效的重构丢包数据(60%)，需要更大译码开销的RS码。

此时，RS码最大的缺点便显现出来：它不具备自适应信道变化的能力，而这在远程控制场景跨地域，尤其是跨国的端到端的连接中，是非常常见的。

喷泉码（Digital Fountain）可以完美的解决RS码的缺点，它包含LT码（Luby Transform）和Raptor码两种，后者是前者的扩展。

喷泉码的定义中，K个原始数据分组可以任意数量的编码分组，接收者只要收到其中的M个分组就可以以较高的概率恢复全部原始数据分组，一般情况下，M略大于K。这个过程犹如喷泉（编码器）源源不断的产生水滴（编码分组），只要用杯子（解码器）接收足够数量的水滴就可以使用（成功解码）。它因此被形象的称为喷泉码。

喷泉码的最大特性是无码率，能完美的自适应信道变化，充分利用信道容量。同时它还具有几乎完美的线性复杂度，有利于编码器和解码器的简化。相比而言，RS码的复杂度较高，必须将数据先分成较小的单元才能降低编码复杂度，这一方面会降低算法对突发网络抖动的适应能力，另一方面也会产生较大的包头比例，降低信道利用率。

下图是在相同的DVB-T标准的RS(204，188)仿真试验中，RS码和Raptor码的解码成功率表现。数据显示，即使在10%的丢包率下，20%冗余的Raptor码仍然可以保证可靠的传输。

RS码和Raptor码在UDP传输中的解码性能

总体来说，Oray-Raptor混合编码在充分利用于喷泉码无码率的特征之余，引入的少量的重传机制，以较低的延时代价，将解码成功率控制在可接受的范围内，进一步提高传输性能，达到更高的数据净荷率和带宽利用率，成功解决了“鱼和熊掌不可兼得”的难题。