流媒體擁塞控制中的整形算法研究

南京郵電大學(xué)　溫　璋　錢國明

1.引言

隨著近年來新興直播平臺，小視頻軟件的興起，對于圍繞著用戶的視頻業(yè)務(wù)，也提出了新的要求：降低卡頓率、抗網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定性等方面急需提高。所以對于視頻的數(shù)據(jù)發(fā)送源——流媒體服務(wù)器（Media Server，以下簡稱MS），需要在軟件設(shè)計上，針對網(wǎng)絡(luò)性能部分做重點的優(yōu)化，以跟上當(dāng)前視頻業(yè)務(wù)市場的網(wǎng)絡(luò)能力和用戶需求。

實時視頻的傳輸要求丟包率低、時延小、碼率抖動小。這幾個特征結(jié)合起來決定了實時視頻的質(zhì)量。出現(xiàn)突發(fā)的流量導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞，影響服務(wù)質(zhì)量。流量整形技術(shù)就是針對在網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生擁塞的情況下限制和調(diào)整流媒體服務(wù)器的發(fā)送速率，適當(dāng)提高視頻數(shù)據(jù)的發(fā)送優(yōu)先級，在減輕網(wǎng)絡(luò)突發(fā)壓力的同時，優(yōu)先保障視頻數(shù)據(jù)的傳輸，保證用戶體驗。流量整形是對網(wǎng)絡(luò)流量的速率進行主動調(diào)控。最早出現(xiàn)在處于網(wǎng)絡(luò)交換與網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點位置的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中,其主要目的是為了解決突發(fā)數(shù)據(jù)流對網(wǎng)絡(luò)所帶來的擁塞問題，是對網(wǎng)絡(luò)流量的速率進行主動調(diào)控[1-2]。

在本文中，我們將重點放在流量整形技術(shù)應(yīng)用在流媒體的速率控制服務(wù)（RCS）上。令牌桶算法在應(yīng)用于流量整形和速率限制時,一方面可控制網(wǎng)絡(luò)傳輸速率(將平均情況下的速率控制在S)，并且在一定情況下允許突發(fā)數(shù)據(jù)的發(fā)送(突發(fā)數(shù)據(jù)的大小最多為桶的大小T)。傳統(tǒng)令牌桶算法工作原理是以恒定的速率s往桶中添加令牌，當(dāng)桶中令牌個數(shù)達到桶容量時，不再生產(chǎn)新令牌，阻止數(shù)據(jù)入桶。數(shù)據(jù)的是否發(fā)送，取決于在桶內(nèi)是否能獲得令牌。

本文的媒體服務(wù)器軟件基于nginx優(yōu)化，雖然Nginx有基于令牌桶算法的請求限制模塊，通過配置它們可方便的控制令牌速率,自定義調(diào)節(jié)限流,實現(xiàn)基本的限流控制[3]，但這只是通過限制用戶上線頻率限流，并沒有對每一個用戶的數(shù)據(jù)發(fā)送管道進行優(yōu)化。本文應(yīng)用數(shù)傳領(lǐng)域的流量整形技術(shù)，基于令牌桶算法，結(jié)合視頻業(yè)務(wù)的特點，將流量整形算法設(shè)計到流媒體服務(wù)器中，在應(yīng)用層對每一個用戶都控制數(shù)據(jù)的讀取和發(fā)送速率，提高自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)能力，優(yōu)化視頻體驗，并用實際部署的MS流量做報文分析測試改進后的效果。

2.MS數(shù)據(jù)處理邏輯設(shè)計

數(shù)據(jù)處理邏輯包含兩個大模塊：

（1）數(shù)據(jù)緩存模塊:用來從磁盤上讀取實體文件，解析出文件碼率，分包打時戳并將打好時戳的數(shù)據(jù)包壓入數(shù)據(jù)發(fā)送令牌隊列；

（2）數(shù)據(jù)發(fā)送模塊：接收cache模塊入隊列的數(shù)據(jù)，做流量整形后發(fā)出。

2.1　數(shù)據(jù)緩存模塊（cache module）設(shè)計

Cache的主要功能就是從媒體文件中讀取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)打上時間戳入隊，時間戳的計算方法模擬令牌桶原理，即每一個數(shù)據(jù)包的時間戳計算公式(1)如下：

其中T為當(dāng)數(shù)據(jù)包的rtc時間戳，size為當(dāng)前數(shù)據(jù)包的大?。ü潭?316字節(jié)），speed為當(dāng)前流媒體文件碼率，t為上一個數(shù)據(jù)包的rtc時間戳。從公式可以看出，單位時間1秒內(nèi)，將size=1316帶入，可計算發(fā)送報文數(shù)n如公式(2)所示：

即給n個數(shù)據(jù)包打上時間戳。即time秒內(nèi)理論發(fā)送數(shù)據(jù)可以達到公式(3)：

從上面的步驟可以看出，通過RTC時戳，在單位時間內(nèi)精確控制發(fā)包個數(shù)，從而達到控制均勻控制碼率的目的。相對于傳統(tǒng)令牌桶軟件實現(xiàn)相比，這種時間戳控制方式，在保證速率控制的同時，減少了發(fā)送模塊對于令牌結(jié)構(gòu)出隊入隊，申請內(nèi)存等操作，提高系統(tǒng)性能。

2.2　數(shù)據(jù)發(fā)送模塊（shape_sender module）設(shè)計

Shaper_sender模塊框架如圖1所示：

圖1　Shaper_sender模塊框架

Shaper模塊主要負責(zé)將cache模塊入隊的數(shù)據(jù)進行發(fā)送，并打點計算發(fā)送結(jié)果，根據(jù)單位時間內(nèi)發(fā)送的字節(jié)數(shù)B計算出當(dāng)前的鏈路帶寬b，實時更新每一個發(fā)送對端的鏈路速度，針對每一路用戶的數(shù)據(jù)流進行數(shù)據(jù)降速或者增速。

本文MS系統(tǒng)結(jié)合具體的業(yè)務(wù)場景增加了桶水位線的優(yōu)化：如果當(dāng)前媒體文件的碼率為s，MS數(shù)據(jù)緩存模塊以每1/s的精度，從當(dāng)前RTC時鐘自加，給每個數(shù)據(jù)包打上時間戳。數(shù)據(jù)發(fā)送模塊預(yù)先開辟一定大小m的隊列，將打好時間戳，并且需要發(fā)送出去的數(shù)據(jù)入隊，當(dāng)數(shù)據(jù)包到達發(fā)送時間后，獲得令牌，出隊發(fā)送。每個隊列有一條上水位線H和下水位線L，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)阻塞時，隊列內(nèi)的數(shù)據(jù)大于等于H，則新到的數(shù)據(jù)不入隊，隊列中的每個數(shù)據(jù)時間戳往后移動d個精度單位（unit），降低發(fā)送速率,減少擁塞；降低后的速率為，如式(4)所示：

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)狀況良好，無發(fā)送失敗記錄，并且隊列中的數(shù)據(jù)量在[L,H]之間，則將令牌生成間隔相對提高%d，按緩慢升速發(fā)送，如式(5)所示：

直到隊列水位線下降到L處，為了保留緩存，數(shù)據(jù)發(fā)送速率回復(fù)到媒體文件碼率s。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送成功后，該數(shù)據(jù)的令牌被銷毀。所以令牌桶的原理就是通過控制令牌產(chǎn)生的速度，將數(shù)據(jù)發(fā)送碼率平穩(wěn)在s左右，對于每一個長穩(wěn)連接，令牌桶的數(shù)據(jù)流量為B，如式(6)所示：

3.應(yīng)用場景下流量整形前后測試

本文流媒體服務(wù)器在某大型運營商的CDN網(wǎng)絡(luò)中進行的測試結(jié)果：

（1）單用戶發(fā)包波形比較

帶寬充足的情況下，對于單點用戶，用wireshark抓包，比較出流IO圖。

圖2　流量整形前后的數(shù)據(jù)發(fā)送碼率對比

從圖2左可以看出，在抓包的10秒內(nèi)，有2次明顯的碼率欠載。圖2右，優(yōu)化過后的流媒體服務(wù)器數(shù)據(jù)發(fā)送碼率明顯平齊，這表明流量整形已經(jīng)生效：在網(wǎng)絡(luò)中提高了抗抖動能力。

（2）增加丟包率場景下的網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)比較

在城域網(wǎng)里，IPTV的容忍丟包率是五萬分之一[5]，所以重點測試和對比五萬分之一附近的卡頓狀況，如圖3：

圖3　丟包率和擁塞指數(shù)關(guān)系圖

圖3橫軸表示丟包率（單位是1/500000），縱軸表示擁塞指數(shù)（單位1/100），表示在當(dāng)前丟包率下，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備監(jiān)控到的整體鏈路擁塞程度從圖中可以對比出，10/500000丟包率以內(nèi)，兩者相差不多，流量整形算法系統(tǒng)略優(yōu)，但到了10/500000這個閥值，出現(xiàn)了明顯的差別，到25/500000的時候，兩者又趨于相同。所以可以得出結(jié)論：流量整形后的交換機擁塞指數(shù)要大大低于非整形的軟件，在丟包可控的小概率丟包情況下，流量整形技術(shù)可以明顯降低交換機側(cè)的擁塞，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能，在IP網(wǎng)絡(luò)傳輸中，流量整形并不會引起額外的端到端延遲，經(jīng)正確整形后的流量將在中間網(wǎng)絡(luò)節(jié)點經(jīng)歷更小的網(wǎng)絡(luò)擁塞。

（3）水位線參數(shù)對服務(wù)性能的影響

圖4　水位線和終端欠載率關(guān)系圖

測試環(huán)境模擬恒定的丟包率，模擬一般網(wǎng)絡(luò)擁塞可控情況下的城域網(wǎng)丟包范圍[1/50000,1/10000]，流媒體服務(wù)器對每一個發(fā)送用戶都維護一個數(shù)據(jù)緩存水位,分別在0.5s,1s,1.5s,2s,2.5s,3s各個值進行測試分析。從圖4中可以看出，在可控網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量情況下，調(diào)整流媒體shaper模塊的緩存水位線參數(shù)，可以有效的提高在網(wǎng)絡(luò)閃斷獲擁塞時候的QOS指標(biāo)，減少終端因流媒體數(shù)據(jù)欠載導(dǎo)致的卡頓花屏問題。水位線的靈活設(shè)置，雖然犧牲了很小一部分的視頻實時性，但能夠有效保證流媒體服務(wù)器的數(shù)據(jù)流質(zhì)量。

4.結(jié)語

本文基于令牌桶算法，設(shè)計并實現(xiàn)優(yōu)化了流媒體服務(wù)器的數(shù)據(jù)發(fā)送軟件。在軟件設(shè)計中，采用了數(shù)據(jù)緩存和發(fā)送模塊分離的思路，將令牌桶算法變種為用時間戳控制，并設(shè)置了發(fā)送隊列數(shù)據(jù)包緩存水位線，用于更加靈活的控制抗抖動能力。從測試結(jié)果來看，基本達到了流量整形目的，提高網(wǎng)絡(luò)側(cè)QOS指標(biāo)，降低擁塞和卡頓率。

[1]J.Y.L.Boudec.Some Properties of Variable Length Packet Shapers.IEEE/ACM Transactions On Networking,2002,10(3):329-338.

[2]JohanssonI.RFC5506:Supportforreducedsizerealtirnetrailsportconl rolprotocol(RTCP):Opportunities and consequenccs[J/OL].http://www.ietf.org/rfc/rfc5506.txt,2009.

[3]Paez S,Kathern G,Guevara Amaya J C.Traffic management algorithms: Leaky Bucket,Token Bucket and Virl:ual Scheduling[J].Tecnura,2011,15(29):76-89.

[4]Zhang Ertong,Xu Li song.Capacity and token rate estimation for networks with token bucket shapers[J].Computer Networks The International Journal of Computer and Telecommunications Networking,2015,9:1-11.

[5]中國電信上海公司IPTV質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)體系V1.1,2008:7.