一種適用于分層多播的RTT估算方法*

張 牧1，王 攀

(1.貴陽學(xué)院 計算機(jī)科學(xué)系，貴陽 550005；2.南京郵電大學(xué) 江蘇省通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)工程研究中心，南京 210003)

1 引 言

異構(gòu)性是 Internet的固有特征，接入網(wǎng)絡(luò)的多樣性以及端系統(tǒng)處理能力的差異是這種異構(gòu)性存在的根源，并且隨著Internet規(guī)模的不斷擴(kuò)大，異構(gòu)性問題將更加突出。多播的提出為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境部署多媒體多播應(yīng)用提供了可行的方案，其中數(shù)據(jù)分層多播技術(shù)以多種速率傳輸既滿足了不同用戶間的異構(gòu)性和不同需求，又避免了冗余數(shù)據(jù)傳輸帶來的帶寬浪費(fèi)，成為多播研究領(lǐng)域中的一個熱點。

目前，傳輸控制協(xié)議(TCP)通信量占Internet通信的90%以上，多播應(yīng)用的廣泛開展引起了非TCP 通信量所占比重的增加[1]。這些協(xié)議大部分沒有與TCP 兼容的擁塞控制機(jī)制，它們以一種不公平的方式與TCP 流競爭：當(dāng)遇到擁塞時，所有參與的TCP 流立即減小其速度試圖減輕擁塞，而非TCP 流繼續(xù)以原速率發(fā)送，這種極度不公平的情形會遏制TCP通信，甚至導(dǎo)致?lián)砣罎?。?dāng)網(wǎng)絡(luò)中可利用的帶寬被耗盡，所有的包在到達(dá)目的地之前將會因擁塞而被丟棄，因而多播應(yīng)用要想成功地在Internet 上應(yīng)用，必須使用能與TCP 友好共存的多播擁塞控制機(jī)制，保證與TCP 共存時的公平性，即TCP友好性。文獻(xiàn)[2]提出了一種精確計算TCP吞吐量的公式以確保分層多播擁塞控制方案滿足TCP友好性，該公式顯示往返時間(RTT)是計算TCP吞吐量的關(guān)鍵因素之一，因此RTT的計算對于確保多播會話滿足TCP友好有著非常重要的作用。

本文提出了一種新的適用于分層多播擁塞控制方案中的RTT估算方法。在該估算方法中，分層多播會話中未被抑制的接收者進(jìn)行RTT測量，被抑制接收者進(jìn)行單向延時測量來估算RTT值，同時該方法采用優(yōu)先級因子將經(jīng)常被抑制的接收者和具有較大RTT的接收者考慮在內(nèi)。

2 往返時間(RTT)計算方法

目前大多數(shù)多媒體應(yīng)用都是基于RTP/RTCP(實時傳輸協(xié)議)協(xié)議[3]的，考慮到RTP/RTCP協(xié)議應(yīng)用的廣泛性，我們對RTCP協(xié)議進(jìn)行擴(kuò)充，增加RTT的請求和應(yīng)答字段來進(jìn)行RTT的測量，同時也可以進(jìn)行單向延時測量。我們采用閉環(huán)的方式[4]進(jìn)行RTT測量，重新定義的RTCP報文如圖1所示。

VPPCPT=RRLengthSSRC Receiver接收報告塊1?接收報告塊ntRreq

(a)接收者(RTT-RR)報文

(b)發(fā)送者(RTT-SR)報文

圖1 改進(jìn)后的RTCP報文格式

Fig.1 Improved message format of RTCP

RTT-RR是由接收者發(fā)出的向發(fā)送者提出測試RTT的請求報文，包括接收者的標(biāo)識SSRC和提出RTT測量的請求時間tRreq。RTT-SR為發(fā)送者的應(yīng)答報文，包括發(fā)送者的標(biāo)識SSRC、各接收者的SSRC和其對應(yīng)的請求時間tRreq，以及接收者收到該請求報文的時間tSreq和接收者發(fā)送對應(yīng)應(yīng)答報文的時間tSrep。

測量方法如圖2所示。將時間分為輪，TRR表示兩次RTT應(yīng)答(RR)的時間間隔也即每一輪。在新一次RR開始時，接收者根據(jù)上一次RR所提供的抑制參數(shù)確定一個隨機(jī)時間TS，這個隨機(jī)時間TS的選擇我們將在下一小節(jié)中進(jìn)行討論。當(dāng)一接收者在自己的定時器(定時值為TS)時間到之前發(fā)現(xiàn)已經(jīng)有其它接收者向發(fā)送者發(fā)出RTT請求，該接收者就將定時器歸零并取消自己即將發(fā)送的RTT請求。如果在定時器時間到前沒有發(fā)現(xiàn)其它接收者發(fā)出RTT請求，該接收者就在tRreq時刻向發(fā)送者發(fā)出RTT請求。發(fā)送者接收到這個RTT請求就記錄下該請求到達(dá)的時間tSreq和發(fā)送這個RTT請求的接收者的編號(SSRC)。當(dāng)TRR時間到時，發(fā)送者向所有接收者多播RTT應(yīng)答消息。RTT應(yīng)答消息包括該消息的發(fā)送時間tSrep、對應(yīng)所有未抑制接收者的編號(SSRC)及對應(yīng)的請求時間tRreq和到達(dá)時間tSreq、下輪RR的抑制參數(shù)(λ,T)。

圖2 RTT時序圖

在TRR時間間隔中，發(fā)送者會定時向接收者發(fā)送控制消息(CM)包，接收者可以根據(jù)包里的信息測量單向延時。其中，TCM(TCM<

我們定義CM包的格式如圖3所示，包括發(fā)送者的SSRC和CM包發(fā)出的時間。

VPPCPT=CMLengthSSRC SendertSk

在接收到發(fā)送者的RTT應(yīng)答報文后，發(fā)送RTT請求報文的接收者就可以計算出閉環(huán)的RTT值：

tRTT=dRS+dSR

(1)

式中，dRS表示從接收者到發(fā)送者的單向延時，dSR表示從發(fā)送者到接收者的單向延時。

dRS和dSR可以定義如下：

dRS=tSreq-tRreq+toff

(2)

dSR=tRrep-tSrep-toff

(3)

dRS=dSR-tasy

(4)

式中，toff和tasy分別表示時鐘偏差和鏈路不對稱性造成的時間延時。由上面的式子我們得到：

tRTT=tRrep-tRreq-(tSrep-tSreq)

(5)

由此我們看出RTT的值與toff和tasy無關(guān)。

從式(2)～(4)我們可以得到時鐘偏差和鏈路不對稱性引起的延時值的和，該值用在下一小節(jié)單向延時測量中。

ω=2toff+tasy=tRrep-tSrep-tSreq+tRreq

(6)

toff和tasy的值并不是固定的，會隨著時鐘頻差和動態(tài)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生突變而改變。

3 單向延時測量

當(dāng)接收者接收到第n個CM包時，就可以估算其單向延時：

(7)

根據(jù)上節(jié)中所討論的ω值，我們可以用單向延時來估算RTT值。

(8)

假設(shè)ω′=ω，得到：

(9)

同樣，當(dāng)接收到RR包時，被抑制的接收者也可以計算出單向延時，并用單向延時來估算RTT的值。dRS的值在每個TCM中都會更新，而toff和tasy的值是在每一次RTT估算后才更新。由于時鐘頻差和動態(tài)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生突變的原因，最新更新的時鐘偏差值和網(wǎng)絡(luò)鏈路不對稱引起的延時值會與當(dāng)前值不吻合。

從上面的測量方法中我們可以看到，頻率較小的進(jìn)行RTT測量可以避免反饋內(nèi)爆，而頻率較大的進(jìn)行單向延時測量可以確保RTT值更新的準(zhǔn)確性。為了避免一次RTT 時間內(nèi)的測量樣本對多播組發(fā)送產(chǎn)生過多的影響，我們使用指數(shù)加權(quán)滑動平均算法來平滑RTT 時間的測量結(jié)果：

(10)

在RTT測量中，我們設(shè)置α=0.5；在單向延時測量中，取α=0.1。

4 反饋時間TS的選定

在第2節(jié)中，我們提到了一個隨機(jī)時間TS，TS的選擇是算法中一個很重要的組成部分。如果發(fā)出RTT請求的接收者數(shù)量比較多，那么就容易引起反饋內(nèi)爆；如果數(shù)量偏少，那么就對比較準(zhǔn)確測量RTT的值有一定影響。因此，選擇合適的TS可以保證較準(zhǔn)的RTT測量精度。

我們用一個右截的指數(shù)分布函數(shù)[5]來定義隨機(jī)時間TS，其密度函數(shù)為

(11)

通過式(11)得到的參數(shù)值，使得在我們的測量方法中10 000個接收者只能發(fā)出不到10個的反饋報文，數(shù)量很小的反饋報文也意味著很少的RTT測量次數(shù)。為了平衡反饋內(nèi)爆和RTT測量準(zhǔn)確性的關(guān)系，我們對RTT測量方法進(jìn)行優(yōu)化。

對于那些被抑制而不能發(fā)出RTT請求的接收者，我們用優(yōu)先級因子p保證其有較高的優(yōu)先級來發(fā)送RTT請求。在加入多播會話后，加入的接收者維護(hù)自己的優(yōu)先級因子p，p的值最開始賦值為一個最大值pmax。如果某接收者進(jìn)行了一次RTT測量，那么p=1，否則在某輪RR結(jié)束后，其p的值改變?yōu)閜+1。如果在最新一次單向延時測量中，得到的測量值超過了一個設(shè)定好的極限值，這意味著網(wǎng)絡(luò)發(fā)生了突變，那么接收者就要設(shè)置p=(1+b)p(0

(12)

于是，優(yōu)化改進(jìn)后的TS值為

(13)

式中，q表示T的偏差量。

5 仿真實驗

我們對上述測試方法的有效性和對抑制的影響進(jìn)行仿真實驗。首先設(shè)置了3個多播會話，每個多播組的成員數(shù)目分別是100、1 000和10 000。圖4顯示的是在每一輪RR中所發(fā)出的RTT請求的數(shù)量，可以看出，當(dāng)組成員數(shù)目較小時，未被抑制的接收者占總接收者數(shù)量的9%以下，而當(dāng)組成員個數(shù)增大時，這個比率隨之降低，占總接收者數(shù)量的2%以下，這樣不會引起反饋內(nèi)爆，保證了網(wǎng)絡(luò)不會形成擁塞。

圖4 測量方法對抑制的影響

為了估算本文方法的準(zhǔn)確性，我們建立了一個多播會話，組成員數(shù)目為10。接收者分別用本文方法和普通的RTT測量方法對RTT進(jìn)行估算。多播連接時間持續(xù)200 s，每隔10 s就對本文RTT測量方法計算得到的RTT值t′和用普通測量方法得到的RTT值t進(jìn)行記錄。圖5顯示的是其相對偏差|t-t′|/t，從圖中我們可以看到其值不超過10%，在可以接收的范圍內(nèi)，因此本文提出的算法是可行的。

圖5 測量方法準(zhǔn)確性

6 結(jié) 論

RTT的計算對于多播擁塞控制方案如何保證多播會話與TCP會話共存時的公平性有很重要的作用，這也是分層多播方案能在互聯(lián)網(wǎng)上廣泛運(yùn)用的關(guān)鍵所在。本文提出了一種新的RTT計算方法，該算法將RTT測量與單向延時測量結(jié)合起來一起估算RTT值，仿真表明這種方法是可行的。在這種RTT測量方法中，反饋時間TS由右截的指數(shù)分布函數(shù)來選定，有效地避免了反饋內(nèi)爆，但卻降低了RTT測量的準(zhǔn)確性，下一步工作中，如何選擇TS，有效平衡反饋內(nèi)爆和RTT測量準(zhǔn)確性的關(guān)系，將是我們研究的重點。

參考文獻(xiàn)：

[1] Jamshid Mahdavi，Sally Floyd. TCP-friendly unicast rate-based flow control[EB/OL].1997-01-08.http://www.psc.edu/networking/papers/tcp-friendly.html.

[2] Padhye J, Firoiu V, Tow sley D, et al. Modeling TCP throughput: a simple model and its empirical validation[C]//Proceedings of ACM SIGCOMM′98. Vancouver, Canada:ACM,1998: 303-315.

[3] RFC 1889, RTP:A Transport Protocol for Real-Time Applications[S].

[4] Liu J, Li B, Zhang Y. A Hybrid Adaptation Protocol for TCP-friendly Layered Multicast and Its Optimal Rate Allocation[C]//Proceedings of IEEE INFOCOM′02. New York, USA:IEEE,2002: 1520-1529.

[5] Nonnenmacher J, Biersack E W. Scalable feedback for large groups[J]. IEEE/ACM Transactions on networking,1999,7(3): 375-386.