類(lèi)TCP流媒體擁塞控制算法

趙曉焱，張會(huì)芝，毛文濤

（河南師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng)453007）

0 引 言

流媒體業(yè)務(wù)的涌入使得網(wǎng)絡(luò)擁塞不斷增加［1］，這種業(yè)務(wù)與傳統(tǒng)的基于TCP 的業(yè)務(wù)如HTTP、FTP 有較大的差異。流媒體業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)性、連續(xù)性強(qiáng)、數(shù)據(jù)量大，允許有一定的差錯(cuò)和丟失，業(yè)務(wù)質(zhì)量對(duì)帶寬的變化十分敏感，對(duì)服務(wù)質(zhì)量Qos也有特殊的需求［2］。因此，需要一種適應(yīng)其特點(diǎn)的擁塞控制方法以保障網(wǎng)絡(luò)的性能和傳輸質(zhì)量。

基于TCP協(xié)議的擁塞控制算法是目前網(wǎng)絡(luò)中成熟的擁塞控制機(jī)制，例如文獻(xiàn) ［3，4］提出了基于TCP協(xié)議的加性增乘性減 （AIMD）窗口控制機(jī)制，文獻(xiàn) ［5，6］采用不同的TCP Reno慢啟動(dòng)策略進(jìn)行擁塞控制，文獻(xiàn) ［7－9］提出了TCP友好速率控制（TFRC）策略并研究了多種改進(jìn)算法。然而，改進(jìn)的TCP 擁塞控制機(jī)制為兼容傳統(tǒng)TCP 業(yè)務(wù)，保證數(shù)據(jù)的完整性，必須采用快速恢復(fù)、超時(shí)重傳等機(jī)制，這些嚴(yán)重影響了流媒體的連續(xù)性、實(shí)時(shí)性從而導(dǎo)致業(yè)務(wù)質(zhì)量降低。相對(duì)于TCP 協(xié)議，RTP／RTCP 協(xié)議提供帶有實(shí)時(shí)特性的端對(duì)端數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，不要求重傳丟包，更加適用于流媒體業(yè)務(wù)。但是傳統(tǒng)的RTP／RTCP擁塞控制算法［10］反饋速率低無(wú)法完全實(shí)現(xiàn)流控自同步，同時(shí)TCP友好性不足，對(duì)其它基于TCP的業(yè)務(wù)影響較大。針對(duì)這些問(wèn)題，本文提出了一種基于RTP／RTCP 協(xié)議的類(lèi)TCP 流媒體擁塞控制算法，重點(diǎn)研究如何將TCP擁塞控制機(jī)制改進(jìn)并應(yīng)用于RTP／RTCP協(xié)議之上，在有效控制網(wǎng)絡(luò)擁塞的同時(shí)，增強(qiáng)媒體流公平性，降低延遲抖動(dòng)以保證流媒體業(yè)務(wù)的傳輸質(zhì)量。

1 類(lèi)TCP算法原理

類(lèi)TCP算法由接收確認(rèn)模塊、窗口控制模塊、發(fā)送控制模塊、時(shí)鐘控制模塊等組成。窗口控制模塊根據(jù)接收模塊收到的確認(rèn)幀和超時(shí)時(shí)鐘控制模塊的超時(shí)情況調(diào)整窗口大小，傳輸控制模塊則根據(jù)窗口大小發(fā)送流媒體數(shù)據(jù)，時(shí)鐘控制模塊計(jì)算確認(rèn)超時(shí)時(shí)鐘值并處理其它模塊的消息，接收確認(rèn)模塊根據(jù)收到的數(shù)據(jù)幀向發(fā)送端發(fā)送確認(rèn)幀。

類(lèi)TCP算法結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 類(lèi)TCP算法結(jié)構(gòu)模型

TCP－RT算法采用TCP的確認(rèn)機(jī)制，接收端在收到反饋速率所規(guī)定數(shù)量的RTP數(shù)據(jù)幀后或時(shí)鐘超時(shí)而沒(méi)有收到規(guī)定數(shù)量的數(shù)據(jù)幀時(shí)，向發(fā)送端發(fā)送RTCP 接收?qǐng)?bào)告（SR、RR 幀），確認(rèn)收到的最后一個(gè)數(shù)據(jù)幀；發(fā)送端使用改進(jìn)的AIMD算法進(jìn)行窗口控制，調(diào)整RTP 數(shù)據(jù)幀的傳輸速率，改進(jìn)原TCP 窗口控制機(jī)制 （慢啟動(dòng)、擁塞避免、快速恢復(fù)）的轉(zhuǎn)換關(guān)系和控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)較平穩(wěn)的速率變化，在基于RTP／RTCP的流媒體傳輸中實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的流控自同步；同時(shí)徹底摒棄TCP的重傳機(jī)制，防止重傳造成進(jìn)一步擁塞以及由于等待造成的長(zhǎng)時(shí)間傳輸停頓。

2 類(lèi)TCP算法參數(shù)的計(jì)算

2.1 平均吞吐量

類(lèi)TCP算法和標(biāo)準(zhǔn)TCP算法在擁塞時(shí)都降低窗口（速率）大小，只是類(lèi)TCP算法基于RTP／RTCP協(xié)議，不重傳數(shù)據(jù)包，因此恢復(fù)到擁塞避免穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間不同，一般相差幾個(gè)往返時(shí)間（RTT）。類(lèi)TCP 算法與標(biāo)準(zhǔn)TCP 算法一樣，大部分時(shí)間都處于擁塞避免、快速恢復(fù)機(jī)制的控制之下，此時(shí)窗口的變化過(guò)程也基本相同，如圖2所示。

圖2 類(lèi)TCP控制算法窗口大小變化

文獻(xiàn) ［11］中J Padhye等人提出的標(biāo)準(zhǔn)TCP模型表明TCP流的傳輸速率正比于其丟包率的平方根的倒數(shù)，模型所描述的情況與類(lèi)TCP 算法的傳輸速率的變化過(guò)程相似，處于穩(wěn)定狀態(tài)下吞吐量基本由擁塞避免、快速重傳機(jī)制決定，并受到超時(shí)的一定影響。因此，本文以這個(gè)模型為基礎(chǔ)，參考文獻(xiàn) ［12］提出的吞吐量公式，在較理想的狀況下，推導(dǎo)出類(lèi)TCP算法的吞吐量近似計(jì)算公式，如下所示

式中：p——丟包率；b——反饋速率；RTT——往返時(shí)間；B——傳輸速率，表示單位時(shí)間內(nèi)發(fā)送的幀數(shù)，也可以通過(guò)與平均幀長(zhǎng)度相乘，得出比特?cái)?shù)為單位的傳輸速率；Bmax——最大編碼速率。

2.2 平均延遲抖動(dòng)

設(shè)定類(lèi)TCP算法的延遲抖動(dòng)為RTP 數(shù)據(jù)幀到達(dá)時(shí)間的變化。設(shè)Di為第i幀的到達(dá)時(shí)間，用式（2）表示抖動(dòng)

類(lèi)TCP算法傳輸過(guò)程中，定義兩次相鄰的以r≠b為標(biāo)志丟包事件之間的時(shí)間為T(mén)D，其中r為實(shí)際接收和丟失幀的總數(shù)，b為反饋速率。TD 周期與標(biāo)準(zhǔn)TCP 模型收到重復(fù)確認(rèn)幀的周期的窗口變化相似，設(shè)TD 期間正確收到Y(jié) 幀，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)TCP模型可得Y 的期望值如下

TD 期間最后的窗口大小W 的期望值如下

從圖3 所示TD 周期內(nèi)抖動(dòng)的變化模型中可以看出，每個(gè)TD 周期內(nèi)傳輸處于擁塞避免階段，反饋速率b＝2，可以認(rèn)為每一幀的延遲為RTT／2，抖動(dòng)延遲為0。當(dāng)TD周期結(jié)束時(shí)，發(fā)生丟幀，接收到的幀的平均延遲增大，與標(biāo)準(zhǔn)TCP收到重復(fù)確認(rèn)的情況相似，因此利用標(biāo)準(zhǔn)TCP模型分析可知此時(shí)延遲抖動(dòng)平均為RTT／（2b）；當(dāng)TD 周期開(kāi)始的一段時(shí)間，可用帶寬增加，傳輸時(shí)延又降低到原來(lái)的值，因此可以設(shè)定TD 開(kāi)始時(shí)第一幀的延遲抖動(dòng)為RTT／（2b）。

圖3 TD 周期內(nèi)抖動(dòng)的變化

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)，發(fā)生超時(shí)現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)連續(xù)超時(shí)發(fā)生的概率很低，為了簡(jiǎn)便計(jì)算，本文假設(shè)在傳輸過(guò)程中n個(gè)連續(xù)的TD 周期后發(fā)生一次超時(shí)。設(shè)超時(shí)時(shí)刻Timeout的平均值為T(mén)0，超時(shí)等待的時(shí)期稱為T(mén)out。定義連續(xù)的n個(gè)TD 和1個(gè)Tout組成的周期為T(mén)P，整個(gè)傳輸過(guò)程可視為由一系列連續(xù)TP周期所組成，因此可以用一個(gè)TP周期內(nèi)發(fā)送的幀的延遲抖動(dòng)的期望值作為整個(gè)傳輸過(guò)程抖動(dòng)的期望值。類(lèi)TCP 算法在一個(gè)TP 周期抖動(dòng)分析模型如圖4所示。

圖4 類(lèi)TCP算法抖動(dòng)分析模型

發(fā)生超時(shí)后，傳輸延遲在T0／2～T0 之間。假設(shè)傳輸延遲為T(mén)0，則接收端所收到的TP周期的最后一幀的延遲為T(mén)0，在此一段時(shí)期抖動(dòng)延遲之和為｜RTT／2－T0｜，因此可以抽象的認(rèn)為T(mén)P 最后一幀的延遲抖動(dòng)為｜RTT／2－T0｜，其以前的TD、Tout周期內(nèi)發(fā)送的幀的延遲抖動(dòng)為0；當(dāng)TP開(kāi)始的一段時(shí)間內(nèi)時(shí)，傳輸延遲將由T0 逐漸變?yōu)镽TT／2，也可以抽象地認(rèn)為T(mén)P 第一幀的延遲抖動(dòng)為｜T0－RTT／2｜，之后進(jìn)入TD 周期穩(wěn)定狀態(tài)中抖動(dòng)又為0。在發(fā)生超時(shí)的一段時(shí)間內(nèi)，延遲的具體變化如圖5所示。

圖5 超時(shí)情況下一段時(shí)間內(nèi)延遲的變化

根據(jù)上述的模型分析，假設(shè)在Tout周期內(nèi)發(fā)送的幀實(shí)際最多丟失E（W）個(gè)，可以得到平均抖動(dòng)Jitter的期望值為

整理得

式中：1／E（n）可以理解為T(mén)D 周期發(fā)生超時(shí)的概率，令Q＝1／E（n），則式（6）可表示為

由標(biāo)準(zhǔn)TCP模型可知，當(dāng)p－＞0時(shí)，有

將式（3）、式（4）、式（8）代入式（7）中整理得出Jitter估計(jì)值為

當(dāng)p較小時(shí)，式（9）中分母約為1，則估計(jì)值可表示為

傳統(tǒng)的RTP／RTCP 擁塞控制算法中，由于丟包率較高，導(dǎo)致其延遲抖動(dòng)較大。類(lèi)TCP 算法采取與TCP 算法相似的滑動(dòng)窗口控制機(jī)制，對(duì)擁塞反應(yīng)較快丟包率p較小，由式（10）可知從理論上講類(lèi)TCP算法整體上抖動(dòng)較小。

3 類(lèi)TCP算法的具體實(shí)現(xiàn)

3.1 發(fā)送控制模塊

發(fā)送端通過(guò)窗口控制機(jī)制調(diào)整傳輸速率，保證流媒體業(yè)務(wù)的質(zhì)量。當(dāng)發(fā)送端有數(shù)據(jù)幀需要發(fā)送時(shí)，編碼器將數(shù)據(jù)發(fā)送給發(fā)送控制模塊。該模塊根據(jù)當(dāng)前發(fā)送端已發(fā)送但尚未收到確認(rèn)的數(shù)據(jù)幀數(shù)量pipe和當(dāng)前窗口大小即當(dāng)前最多可以連續(xù)發(fā)送的幀數(shù)cwnd的關(guān)系決定是否發(fā)送數(shù)據(jù)。

（1）如果pipe＜cwnd，則可以發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)幀并令pipe＝pipe＋1；

（2）當(dāng)pipe≥cwnd時(shí)，則不發(fā)送，此時(shí)可以丟棄這個(gè)數(shù)據(jù)幀，也可以按一定規(guī)則緩存一段時(shí)間再發(fā)送，視具體業(yè)務(wù)的要求而定。

每次發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)幀時(shí)，如果確認(rèn)超時(shí)時(shí)鐘沒(méi)有開(kāi)始計(jì)，則令其重新開(kāi)始計(jì)時(shí)，如果已經(jīng)開(kāi)始計(jì)時(shí)，則超時(shí)時(shí)鐘無(wú)需重新計(jì)時(shí)。

3.2 傳輸控制機(jī)制

窗口模塊根據(jù)反饋情況進(jìn)行窗口控制，調(diào)節(jié)傳輸速率，是實(shí)現(xiàn)擁塞控制的核心。窗口調(diào)整算法如下：如果超過(guò)了超時(shí)時(shí)鐘值Timeout沒(méi)有收到確認(rèn)信息，則認(rèn)為發(fā)生了丟幀，說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)擁塞引起丟包。此時(shí)令pipe＝0，窗口調(diào)整閾值ssthreshold＝3／4＊cwnd，cwnd＝cwnd／2，以使傳輸速率平穩(wěn)地下降，或較快進(jìn)入擁塞避免狀態(tài)。

如在確認(rèn)時(shí)鐘超時(shí)之前發(fā)送端收到確認(rèn)幀，根據(jù)接收端反饋的最后一個(gè)數(shù)據(jù)幀的序號(hào)，計(jì)算實(shí)際接收和丟失幀的總數(shù)r。如果r≠b說(shuō)明發(fā)生丟包，則調(diào)整窗口大小和閾值，進(jìn)入 “快速恢復(fù)”狀態(tài)，同時(shí)不重傳丟失的數(shù)據(jù)幀，直接發(fā)送新的數(shù)據(jù)，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)層的RED 機(jī)制，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)擁塞的控制能力。如果r＝b說(shuō)明沒(méi)有丟包，根據(jù)窗口大小與閾值的關(guān)系確定進(jìn)入慢啟動(dòng)或擁塞避免狀態(tài)。如果在確認(rèn)時(shí)鐘超時(shí)前收到確認(rèn)幀，算法代碼實(shí)現(xiàn)如下：

4 實(shí)驗(yàn)分析

為考察算法的實(shí)際應(yīng)用性能，本文采用集成了類(lèi)TCP算法的Openphone軟件終端，在Windows環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)環(huán)境配置如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)環(huán)境配置

4.1 擁塞控制能力

為了測(cè)試類(lèi)TCP算法的帶寬利用和擁塞控制能力，設(shè)置兩個(gè)軟件終端相互發(fā)送最高速率為400Kbps的H261CIF格式的視頻流，并與RTP／RTCP算法進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。該RTP／RTCP算法以丟包率loss為標(biāo)志量，接收端每隔8秒左右向發(fā)送端反饋一個(gè)RTCP幀，接收端根據(jù)RTCP 幀中的丟包率，使用傳統(tǒng)AIMD 方式調(diào)整傳輸速率。其傳輸速率的調(diào)整算法簡(jiǎn)單描述如下：

根據(jù)上述方式調(diào)整傳輸速率后，將重新計(jì)算的傳輸速率傳給編碼器，編碼器調(diào)整壓縮過(guò)程中的量化參數(shù)，按新的速率輸出視頻碼流。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用干擾程序以一定的平均碼率同時(shí)在測(cè)試鏈路上發(fā)包，圖7、圖8顯示出不同碼率的干擾碼流下，兩種算法發(fā)送速率的變化。其中橫軸為時(shí)間軸（s），縱軸表示傳輸速率（Kbps）。兩種算法終端在視頻傳輸過(guò)程中，每隔15分鐘左右，調(diào)整一次干擾程序的平均碼率。干擾程序碼率的調(diào)整過(guò)程為：64Kbps－128Kbps－256Kbps－128Kbps－64Kbps。

圖7 類(lèi)TCP算法傳輸速率變化過(guò)程

圖8 RTP／RTCP算法傳輸速率變化過(guò)程

從圖7、圖8中可知類(lèi)TCP 算法能較快地將傳輸速率調(diào)節(jié)到可用帶寬，并且在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)時(shí)傳輸速率保持穩(wěn)定并充分利用帶寬，較好地抑制了擁塞。而傳統(tǒng)RTP／RTCP算法整體上傳輸速率不穩(wěn)定、震動(dòng)較大。在網(wǎng)絡(luò)帶寬發(fā)生波動(dòng)時(shí)，類(lèi)TCP算法也能夠較快做出反應(yīng)，比如可用帶寬下降時(shí)，類(lèi)TCP算法在20－40s左右可將發(fā)送速率降低，碼率降低的過(guò)程比較平穩(wěn)，變化曲線呈階梯狀。但是當(dāng)可用帶寬降低較大如圖7中500－1000s時(shí)，碼率的變化還是較快，算法在這一方面還需進(jìn)一步的改進(jìn)。

4.2 吞吐量

將1小時(shí)傳輸過(guò)程中實(shí)際測(cè)量的傳輸速率與式（1）計(jì)算的期望速率進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。從表中可以看出在丟包率和RTT 相同的條件下，吞吐量的實(shí)際測(cè)量值與使用式（1）計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)TCP的傳輸速率相近，符合TCP友好性的要求。

表1 類(lèi)TCP算法與標(biāo)準(zhǔn)TCP算法傳輸速率的比較

4.3 延遲抖動(dòng)

表2將1 小時(shí)傳輸過(guò)程中實(shí)際測(cè)量的平均抖動(dòng)與式（10）計(jì)算的平均抖動(dòng)進(jìn)行了比較，結(jié)果表明其絕對(duì)誤差不到1ms，證明可以用式 （10）估計(jì)傳輸中的抖動(dòng)；從測(cè)量和估計(jì)兩方面證明類(lèi)TCP算法有效抑制了抖動(dòng)，提供了比較平穩(wěn)的傳輸速率，有利于提高業(yè)務(wù)的整體質(zhì)量。

表2 延遲抖動(dòng)的測(cè)量與估計(jì)

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的類(lèi)TCP 擁塞控制算法，平均丟包率低于1%，與一般的RTP／RTCP 算法統(tǒng)計(jì)的平均丟包率2%－10%相比，不僅大大降低了丟包率，而且能夠及時(shí)地對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的變化做出反應(yīng)，較好地抑制擁塞、抖動(dòng)，提供比較平穩(wěn)的傳輸速率。然而，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將在今后的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展中占有重要地位，流媒體業(yè)務(wù)無(wú)法回避無(wú)線網(wǎng)絡(luò)提出的挑戰(zhàn)，類(lèi)TCP算法是在有線網(wǎng)絡(luò)條件下研究和實(shí)驗(yàn)的，研究過(guò)程中沒(méi)有考慮無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，下一步工作中將深入研究無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中流媒體擁塞控制策略。

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