視頻流傳輸中擁塞控制策略的研究

◆史磊

視頻流傳輸中擁塞控制策略的研究

◆史磊

（陜西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與信息學(xué)院 陜西 721001）

網(wǎng)絡(luò)帶寬的拓展及因特網(wǎng)服務(wù)的多樣性使視頻流得到了廣泛的應(yīng)用，同時(shí)為保證網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性，對(duì)視頻流的擁塞控制也提出了一定的要求。在研究視頻流傳輸特點(diǎn)和擁塞控制機(jī)制的基礎(chǔ)上，提出了一種更適合視頻流傳輸?shù)膿砣刂扑惴?，并通過實(shí)驗(yàn)對(duì)其在速率變化平滑性、傳輸有效性及延遲抖動(dòng)等方面進(jìn)行驗(yàn)證，可以作為對(duì)傳輸質(zhì)量和穩(wěn)定性要求較高的視頻流服務(wù)的擁塞控制策略。

視頻流傳輸；擁塞控制；延遲抖動(dòng)；往返時(shí)間抖動(dòng)

1 引言

通信技術(shù)和多媒體技術(shù)的不斷發(fā)展，使視頻流的應(yīng)用越來越廣泛。但是互聯(lián)網(wǎng)“盡力而為”的特性卻制約著視頻流應(yīng)用的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)突發(fā)狀況的不可預(yù)測(cè)性，使局部網(wǎng)絡(luò)擁塞經(jīng)常發(fā)生，有時(shí)甚至造成網(wǎng)絡(luò)崩潰。與傳輸控制協(xié)議（Transmission Control Protocol，TCP）流相比，視頻流傳輸卻對(duì)網(wǎng)絡(luò)擁塞更為敏感[1]。因此，不斷地研究一種擁塞控制機(jī)制，使視頻流既能與TCP流和平地共享帶寬，又能更適合視頻流的傳輸是迫在眉睫的。

TCP友好速率控制（TCP-Friendly Rate Control， TFRC）算法，是眾多與TCP友好的擁塞控制算法中，使用較廣泛的一種。它是基于模型的擁塞控制機(jī)制，使用丟失事件率來判斷網(wǎng)絡(luò)的當(dāng)前狀態(tài)[2]。目前在擁塞控制方面，已經(jīng)有一些研究：Sathiaseelan[3]等提出TCP相應(yīng)函數(shù)的修改將利用顯式擁塞通知信號(hào)，擁塞窗口在收到擁塞通知信號(hào)后，緩慢減小。Shahriar[4]等發(fā)現(xiàn)慢響應(yīng)擁塞控制機(jī)制的性能主要由分組丟失模式?jīng)Q定，并且他們認(rèn)為TFRC在利用新獲得的帶寬以及帶寬消耗平穩(wěn)性方面能表現(xiàn)出比慢響應(yīng)擁塞控制機(jī)制更好的性能。

2 網(wǎng)絡(luò)擁塞控制協(xié)議TFRC

2.1 TFRC擁塞控制機(jī)制的基本原理

TFRC是通過公式（1）來計(jì)算數(shù)據(jù)包的傳輸速率[5]。

2.2 TFRC速率控制的主要運(yùn)行階段

TFRC協(xié)議運(yùn)行的主要階段包括慢啟動(dòng)和擁塞避免兩個(gè)階段。在慢啟動(dòng)初期，發(fā)送端以較低的速率發(fā)送數(shù)據(jù)，然后在之后的每個(gè)RTT時(shí)間內(nèi)速率倍增，直到發(fā)生第一個(gè)數(shù)據(jù)包丟失時(shí)進(jìn)入擁塞避免階段。同時(shí)為了合理利用帶寬，當(dāng)反饋計(jì)時(shí)器超時(shí)后，TFRC也將進(jìn)入擁塞避免階段。進(jìn)入擁塞避免階段后，發(fā)送速率由公式（1）確定[6]。

2.3 TFRC協(xié)議存在的不足

為了快速地探測(cè)到網(wǎng)絡(luò)的可用帶寬，TFRC在慢啟動(dòng)階段的每個(gè)RTT時(shí)間內(nèi)發(fā)送速率都成倍增加，這樣在慢啟動(dòng)后期很容易出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)承載能力低于傳輸速率而產(chǎn)生數(shù)據(jù)包丟失的現(xiàn)象。同時(shí)退出慢啟動(dòng)階段的標(biāo)識(shí)為出現(xiàn)數(shù)據(jù)包丟失或超時(shí)，沒有綜合考慮其他能標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的因素，這樣會(huì)導(dǎo)致發(fā)送速率的調(diào)整將滯后當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀況[7]。

在擁塞避免階段，發(fā)送速率的調(diào)整由公式（1）決定，在此公式中只將RTT作為反饋因素，發(fā)送速率只會(huì)因RTT的增大而減小，卻沒有考慮相鄰RTT的變化對(duì)最終發(fā)送速率的影響，同時(shí)說明TFRC缺乏對(duì)往返時(shí)間抖動(dòng)的有效控制[8]。

3 TFRC改進(jìn)算法研究

根據(jù)視頻流傳輸?shù)奶攸c(diǎn)及TFRC協(xié)議在慢啟動(dòng)和擁塞避免階段的不足，提出了TFRC的改進(jìn)算法—I-TFRC（Improved-TFRC）算法。

3.1 TFRC在慢啟動(dòng)階段的改進(jìn)

網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)可以通過數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的排隊(duì)等待時(shí)間反映，即數(shù)據(jù)包的延遲抖動(dòng)可以間接反映網(wǎng)絡(luò)擁塞狀況。因此，可以將延遲抖動(dòng)也作為標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的因素，與是否發(fā)生數(shù)據(jù)包丟失共同作為反饋標(biāo)識(shí)，及時(shí)調(diào)整發(fā)送速率，改善TFRC在慢啟動(dòng)階段的不足[9]。數(shù)據(jù)包的延遲抖動(dòng)（Jitter，J）將通過公式（2）計(jì)算：

其中（）為相鄰數(shù)據(jù)包的延遲差，為加權(quán)因子（0<<1），由實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)取0.2時(shí)可以得到最好的效果。

3.2 TFRC在擁塞避免階段的改進(jìn)

相鄰?fù)禃r(shí)間變化的穩(wěn)定性也能標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，因此可以通過在TFRC的吞吐量公式中加入往返時(shí)間抖動(dòng)因子來修正當(dāng)前計(jì)算的發(fā)送速率，使數(shù)據(jù)包的傳輸更平穩(wěn)[10]。假設(shè)用表示相鄰兩次RTT的變化與前一次RTT的比值，則的計(jì)算如公式（5）所示：

因此，在I-TFRC的擁塞避免階段，將按照公式（7）計(jì)算出的值對(duì)發(fā)送速率進(jìn)行調(diào)整。

4 I-TFRC算法仿真結(jié)果分析

為了驗(yàn)證I-TFRC算法在速率控制方面的各種性能，利用NS2網(wǎng)絡(luò)仿真軟件進(jìn)行驗(yàn)證，在仿真過程中采用的是圖1所示的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖1 仿真拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)參數(shù)值圖

4.1 慢啟動(dòng)階段發(fā)送速率及丟包率分析

在s2和k2之間首先運(yùn)行TFRC協(xié)議，然后用I-TFRC協(xié)議代替TFRC進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在整個(gè)仿真過程中丟包率變化情況如表1所示。

表1 TFRC與I-TFRC前1秒內(nèi)丟包率變化情況

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，I-TFRC協(xié)議在慢啟動(dòng)后期可以使發(fā)送速率的變化更加平穩(wěn)，從表1中可以看出，采用I-TFRC后，丟包率明顯降低了，例如在前0.5秒內(nèi)，丟包率由5.8%降低為4.7%，同比下降了約19%。因此，改進(jìn)后的算法可以有效預(yù)防由于發(fā)送速率增長過快而引起丟包率過大的現(xiàn)象的出現(xiàn)，即提高了數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸質(zhì)量[11]。

4.2 傳輸時(shí)延及延遲抖動(dòng)分析

仿真過程采用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與前文相同，仿真持續(xù)5秒。傳輸過程中的平均時(shí)延和平均延遲抖動(dòng)的對(duì)比如表2所示。

表2 TFRC與I-TFRC平均時(shí)延和平均延遲抖動(dòng)對(duì)比

由表2可以看出，I-TFRC在平均時(shí)延和平均延遲抖動(dòng)方面較TFRC都有所下降，發(fā)送速率的波動(dòng)降低了，傳輸過程更加穩(wěn)定，使I-TFRC更加適合對(duì)延遲和抖動(dòng)要求較高的視頻流業(yè)務(wù)[12]。

5 結(jié)論

本文提出的基于視頻流的新的擁塞控制算法I-TFRC，其對(duì)于TFRC針對(duì)視頻流數(shù)據(jù)在傳輸過程中存在的不足進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的算法在慢啟動(dòng)后期使發(fā)送速率的變化更加平穩(wěn)，丟包率降低；在擁塞避免階段通過修正原有的TFRC吞吐量公式，達(dá)到降低發(fā)送速率波動(dòng)性的效果，從而提高視頻流傳輸?shù)姆€(wěn)定性。最后通過實(shí)驗(yàn)證明了I-TFRC算法的可實(shí)施性，使其更加適合對(duì)數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，延遲和抖動(dòng)要求較高的視頻流服務(wù)。

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2018年度陜西省教育廳科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目（名稱：基于視頻流傳輸中網(wǎng)絡(luò)擁塞控制的研究，編號(hào)18JK0074）