基于MPUDP的多鏈路信道分配協(xié)議設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王 卉，占 敖，吳呈瑜，夏雨峰

（浙江理工大學(xué) 信息學(xué)院，杭州 310018）

0 引 言

隨著無(wú)線通信技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，流媒體直播應(yīng)用得到了迅速的推廣普及。與此同時(shí)，在極致的視覺(jué)體驗(yàn)的背后，需要對(duì)海量的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的傳輸，傳統(tǒng)的流媒體傳輸協(xié)議已經(jīng)滿足不了對(duì)于低延時(shí)、高畫(huà)質(zhì)的要求。

在傳統(tǒng)TCP協(xié)議的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)［1］提出了MP TCP（Multi－path TCP）協(xié)議，該協(xié)議通過(guò)擁塞控制、數(shù)據(jù)調(diào)度技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高吞吐量傳輸?shù)囊?；文獻(xiàn)［2］提出了流控制傳輸協(xié)議（Stream Control Transmission Protocol，SCTP），其是一種在網(wǎng)絡(luò)連接之間同時(shí)傳輸多個(gè)數(shù)據(jù)流的協(xié)議，該協(xié)議的特點(diǎn)是安全性高并支持多數(shù)據(jù)流服務(wù)。

為了滿足無(wú)誤碼傳輸要求，MPTCP設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)調(diào)度，重傳等復(fù)雜機(jī)制，一方面增加了協(xié)議的復(fù)雜度，另一方面影響了系統(tǒng)帶寬，對(duì)于允許少量的丟包，要求高帶寬的音視頻數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)是不合適的。然而，UDP協(xié)議通過(guò)有限次的重傳機(jī)制保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膩G包率，相比MPTCP，能夠簡(jiǎn)化系統(tǒng)傳輸機(jī)制，提升系統(tǒng)傳輸帶寬；文獻(xiàn)［3］提出了基于UDP的傳輸協(xié)議，在較小的網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷下，繼承了UDP傳輸實(shí)時(shí)性的同時(shí)，保證了數(shù)據(jù)的可靠傳輸性。針對(duì)大數(shù)據(jù)量的信息傳輸，文獻(xiàn)［4］提出了一種既能滿足UDP高效性又能降低網(wǎng)絡(luò)丟包率和延時(shí)的協(xié)議，在提高可靠性的基礎(chǔ)上又滿足了實(shí)時(shí)性的需求。UDP協(xié)議在可靠性和實(shí)時(shí)性上已經(jīng)取得了較好的成果，但這些方案都是以單鏈路傳輸為背景，利用UDP協(xié)議將多鏈路協(xié)同通信運(yùn)用在數(shù)據(jù)傳輸?shù)难芯扛且粋€(gè)全新的方向。

1 應(yīng)用場(chǎng)景

本文提出的MPUDP協(xié)議是一種基于UDP多鏈路協(xié)同通信的協(xié)議，實(shí)現(xiàn)多條路徑協(xié)作傳輸數(shù)據(jù)。在此過(guò)程中，通過(guò)真實(shí)數(shù)據(jù)訓(xùn)練評(píng)估實(shí)時(shí)的信道狀態(tài)信息，對(duì)每條路數(shù)的數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行管理，達(dá)到擴(kuò)大系統(tǒng)傳輸帶寬的目的，其應(yīng)用模型如圖1所示。多個(gè)用戶端將視頻數(shù)據(jù)推流到聚合推流設(shè)備，緊接著發(fā)送端（聚合推流設(shè)備）與接收端（聚合服務(wù)器）建立多個(gè)信道的連接，MPUDP協(xié)議在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下對(duì)不同的信道分配不同的數(shù)據(jù)量，其異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)包括WiFi、4G、5G等多路網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。聚合服務(wù)器匯集多路數(shù)據(jù)，有序發(fā)送到用戶服務(wù)器，客戶端發(fā)出拉流請(qǐng)求，實(shí)現(xiàn)在線直播觀看的功能。

圖1 系統(tǒng)應(yīng)用模型Fig.1 System application scenarios

2 系統(tǒng)模型

MPUDP協(xié)議是面向連接的數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議，與傳統(tǒng)的UDP協(xié)議不同，MPUDP協(xié)議在兼容UDP協(xié)議的基礎(chǔ)上，支持以多路徑數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?，并根?jù)信道性能分配速率，實(shí)現(xiàn)信道的高效傳輸。MPUDP系統(tǒng)在發(fā)送端和接收端之間存在多條路徑，首先確立發(fā)送端和接收端的握手連接，然后發(fā)送真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行信道訓(xùn)練，來(lái)獲得信道狀態(tài)信息，并且根據(jù)信道信息進(jìn)行速率分配。當(dāng)接收端出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象，重傳機(jī)制保證可靠性。如果當(dāng)信道連接過(guò)程中出現(xiàn)連接錯(cuò)誤，需要將數(shù)據(jù)調(diào)度到其他信道繼續(xù)傳送，最后聚合多路數(shù)據(jù)后統(tǒng)一排序組合，得到最后的數(shù)據(jù)幀。由此可見(jiàn)，MPUDP的關(guān)鍵工作組件包括訓(xùn)練機(jī)制、速率分配、數(shù)據(jù)調(diào)度、重傳機(jī)制，如圖2所示。通過(guò)這4種工作組件，設(shè)計(jì)出滿足負(fù)載均衡原則和可靠性原則的MPUDP協(xié)議。

圖2 MPUDP的系統(tǒng)模型Fig.2 MPUDP system model

負(fù)載均衡原則：

（1）利用訓(xùn)練機(jī)制在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鏈路性能；

（2）利用速率分配原則，根據(jù)訓(xùn)練結(jié)果動(dòng)態(tài)調(diào)整鏈路的數(shù)據(jù)占比，減少不同信道對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的影響。

可靠性原則：

（1）利用數(shù)據(jù)調(diào)度在信道連接中斷時(shí)切換數(shù)據(jù)傳輸?shù)男诺溃?/p>

（2）利用重傳機(jī)制從根源上降低丟包率。

3 協(xié)議設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)MPUDP協(xié)議主要目標(biāo)是解決由某條鏈路負(fù)載過(guò)大等原因引起的鏈路性能等問(wèn)題，然而協(xié)議能否具有可靠性和低延時(shí)的特性，主要取決于以下4種工作組件，分別為訓(xùn)練機(jī)制、速率分配、數(shù)據(jù)調(diào)度、重傳機(jī)制。

3.1 協(xié)議的系統(tǒng)變量

MPUDP協(xié)議定義了一系列的數(shù)據(jù)包和字段，為了說(shuō)明設(shè)計(jì)思路，將用到的數(shù)據(jù)包和重要字段加以說(shuō)明，見(jiàn)表1。

表1 數(shù)據(jù)包含義描述Tab.1 Packet meaning description

其中，訓(xùn)練數(shù)據(jù)包的幀結(jié)構(gòu)見(jiàn)表2，Channel_Length：信道發(fā)送數(shù)據(jù)長(zhǎng)度；Frame_Length：發(fā)送幀長(zhǎng)數(shù)據(jù)，表示一幀數(shù)據(jù)包括多少個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)S，最大值為2 047，如果出現(xiàn)2 047，則丟棄數(shù)據(jù)包；Sequence：添加數(shù)據(jù)序列，保證為：0、1、…，Channel_Length。

表2 訓(xùn)練信號(hào)包結(jié)構(gòu)Tab.2 Structure of training signal package

其中，訓(xùn)練數(shù)據(jù)回復(fù)包的幀結(jié)構(gòu)見(jiàn)表3。

表3 訓(xùn)練回復(fù)包結(jié)構(gòu)Tab.3 Structure of training reply package

Loss_Len：丟包數(shù)量；Num_Loss：丟包序列號(hào)，每?jī)蓚€(gè)Byte表示一個(gè)序列號(hào)；SeqV：接收數(shù)據(jù)排序值。

3.2 工作機(jī)制

4種工作機(jī)制原理設(shè)計(jì)及功能顯示各不相同。

3.2.1 訓(xùn)練機(jī)制

MPUDP算法協(xié)議的基礎(chǔ)就是訓(xùn)練機(jī)制，訓(xùn)練機(jī)制的目的是檢測(cè)各鏈路的信道性能。

首次發(fā)送訓(xùn)練信號(hào)，該信號(hào)為確定的模擬信號(hào)，利用已知信號(hào)對(duì)未知信道進(jìn)行快捷的信道質(zhì)量評(píng)估。在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，訓(xùn)練序列為實(shí)際的媒體數(shù)據(jù)，利用邊發(fā)送媒體數(shù)據(jù)邊訓(xùn)練信道的機(jī)制來(lái)提升實(shí)時(shí)信道傳輸性能。發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)給接收端，接收端返回接收時(shí)間、丟包率和數(shù)據(jù)順序到發(fā)送端，發(fā)送端根據(jù)接收完畢時(shí)間和發(fā)送時(shí)間計(jì)算得到，按照信道的丟包率和數(shù)據(jù)順序以及往返時(shí)延三要素判斷信道性能，并將信道分為5個(gè)等級(jí)，信道性能從好到差依次為C、C、C、C、C，見(jiàn)表4。

表4 信道等級(jí)分類標(biāo)準(zhǔn)Tab.4 Standard of channel classification

其中，表示數(shù)據(jù)長(zhǎng)度；為判定的加權(quán)因子；、為規(guī)定完成數(shù)據(jù)的時(shí)間差（）；、為特定丟包率數(shù)值（）。當(dāng)按序接收時(shí)，則表示為式（1）：

按照表4的分類標(biāo)準(zhǔn)對(duì)信道性能分類，依據(jù)訓(xùn)練結(jié)果對(duì)不同等級(jí)的信道進(jìn)行數(shù)據(jù)包分配，為下一步速率分配提供基礎(chǔ)。

3.2.2 速率分配

MPUDP算法協(xié)議的核心就是速率分配策略，利用對(duì)多路徑鏈路傳輸?shù)男诺佬阅苓M(jìn)行速率分配，實(shí)現(xiàn)鏈路之間數(shù)據(jù)傳輸量的“動(dòng)態(tài)”平衡。發(fā)送端采用多鏈路開(kāi)發(fā)，優(yōu)化通信流程，隨時(shí)嘗試在多條路徑之間保持負(fù)載均衡。

發(fā)送訓(xùn)練信號(hào)后，若信道被判定為同一等級(jí)的情況，按信道數(shù)量等額分配數(shù)據(jù)包；若信道判定為不同信道性能等級(jí)，采用差額速率分配數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐掏铝俊．?dāng)最差信道被判定為C標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，傳輸系統(tǒng)停止該信道的數(shù)據(jù)傳輸；當(dāng)最差信道被判定為C標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，信道性能歸一化速率v表示為式（2）：

x表示等級(jí)為C的信道數(shù)量，以此類推；x、x、x分別表示等級(jí)為C、C、C的信道數(shù)量；表示的是各類信道等級(jí)的權(quán)重。當(dāng)最差信道被判定為C標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，信道性能歸一化速率v表示為式（3）：

若最差信道性能降為C標(biāo)準(zhǔn)，則信道性能歸一化速率v表示為式（4）：

在訓(xùn)練的過(guò)程中，當(dāng)出現(xiàn)未達(dá)要求的信道在訓(xùn)練時(shí)通過(guò)了信道訓(xùn)練要求，即達(dá)到C、C標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，增加10%的速率在該信道傳輸，并在下一次的訓(xùn)練中，加入該信道協(xié)作調(diào)整最差信道，達(dá)到信道性能，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)提升的功能。

3.2.3 數(shù)據(jù)調(diào)度

在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中鏈路發(fā)送端處在訓(xùn)練信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)和發(fā)送數(shù)據(jù)＋訓(xùn)練信號(hào)過(guò)程中，鏈路出現(xiàn)中斷情況時(shí)，進(jìn)一步影響鏈路的可靠性和傳輸速率。

為保證鏈路數(shù)據(jù)的傳輸速率，需要在鏈路中啟用數(shù)據(jù)調(diào)度的工作機(jī)制，將發(fā)送在異常鏈路的數(shù)據(jù)分發(fā)到其他鏈路中。具體實(shí)現(xiàn)：發(fā)送過(guò)程中當(dāng)出現(xiàn)數(shù)據(jù)幀鏈路錯(cuò)誤，MPUDP協(xié)議將未傳輸數(shù)據(jù)包分配到其他良好信道上傳送，其速率分配遵循上述的速率分配原則。例如：數(shù)據(jù)傳輸時(shí)有3個(gè)并行信道，分別為C、C和C，在信道傳輸過(guò)程中，信道C發(fā)生錯(cuò)誤，數(shù)據(jù)調(diào)度將其數(shù)據(jù)速率分配到其他信道中。在信道沒(méi)有發(fā)生錯(cuò)誤的情況下，各信道按照式（5）原則：

其中，V表示信道C的分配速率；V表示信道C的分配速率；V表示信道C的分配速率。

當(dāng)信道C連接斷開(kāi)，信道C和C歸一化傳輸速率為公式（6）：

此時(shí)，C、C兩信道幫助斷開(kāi)信道C成功發(fā)送該數(shù)據(jù)幀。以該方法為核心，數(shù)據(jù)調(diào)度可以避免斷開(kāi)鏈路的丟包率，從而加強(qiáng)信道傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

3.2.4 重傳機(jī)制

在數(shù)據(jù)傳輸階段，如果信道出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，該機(jī)制能夠有效減少丟包率，提高數(shù)據(jù)可靠性。

在信道連接過(guò)程中，與TCP協(xié)議握手機(jī)制類似，MPUDP協(xié)議通過(guò)3次握手的機(jī)制建立連接，區(qū)別在于MPUDP協(xié)議收發(fā)兩端需要確認(rèn)雙方的IP地址及端口號(hào)。在發(fā)送數(shù)據(jù)過(guò)程中，發(fā)送端將每包數(shù)據(jù)連續(xù)編號(hào)，接收端建立緩沖區(qū)，對(duì)接收數(shù)據(jù)包重新進(jìn)行序號(hào)排列。如果接收端檢測(cè)到?jīng)]有丟包，則按照數(shù)據(jù)序號(hào)全部移出緩存區(qū)；如果接收端檢測(cè)到丟包，接收端將未接收到的數(shù)據(jù)包信息（即丟包數(shù)量Loss_Len和丟包序列號(hào)Num_Loss數(shù)據(jù)包）反饋給發(fā)送端，發(fā)送端重新發(fā)送指定的數(shù)據(jù)信息，并保持丟包數(shù)據(jù)始終在原本信道上進(jìn)行重傳，最大重傳次數(shù)為3次，超過(guò)重傳次數(shù)，停止該幀信息傳輸，進(jìn)入下一幀數(shù)據(jù)傳輸，即允許適當(dāng)?shù)膩G包率來(lái)改善系統(tǒng)吞吐量，此重傳機(jī)制適用于海量數(shù)據(jù)傳輸，如：音視頻傳輸系統(tǒng)。

以上4種工作組件設(shè)計(jì)成一種兼具可靠性和數(shù)據(jù)傳輸效率的MPUDP協(xié)議，并在系統(tǒng)的發(fā)送和接收的過(guò)程也充分利用了上述4種工作組件。

3.3 協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

MPUDP協(xié)議是一種提供可靠機(jī)制、面向連接的數(shù)據(jù)流傳輸協(xié)議。MPUDP的協(xié)議算法設(shè)計(jì)見(jiàn)表5，MPUDP的4種工作機(jī)制建立起多路徑傳輸以及如何實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的合理分配的過(guò)程。發(fā)送端分別發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求包，訓(xùn)練信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)，接收端對(duì)多條發(fā)送結(jié)果進(jìn)行反饋，并不斷通過(guò)訓(xùn)練情況實(shí)時(shí)提升信道傳輸速率。

表5 MPUDP的協(xié)議算法設(shè)計(jì)Tab.5 Protocol design of MPUDP

4 仿真實(shí)驗(yàn)與分析

實(shí)驗(yàn)仿真環(huán)境的搭建為：實(shí)驗(yàn)室有線路由器與交換機(jī)通過(guò)網(wǎng)線相連，無(wú)線路由器與有線路由器通過(guò)網(wǎng)線相連，有線路由器可對(duì)無(wú)線路由器設(shè)置不同的傳輸帶寬，兩客戶端與無(wú)線路由器進(jìn)行無(wú)線信道連接，服務(wù)端電腦與有線路由器通過(guò)光纖連接。為評(píng)估設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可靠性與高效性，需利用仿真環(huán)境實(shí)現(xiàn)基于MPUDP協(xié)議在多種情況下的網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)仿真。為研究多鏈路協(xié)同傳輸，在兩條傳輸鏈路中分別采用UDP和MPUDP傳輸協(xié)議，兩臺(tái)電腦作為客戶端A、B分別使用UDP、MPUDP協(xié)議協(xié)同傳輸同一份大文件，客戶端C作為接收端，接收兩客戶端發(fā)送過(guò)來(lái)的文件。

UDP協(xié)議是傳統(tǒng)流媒體服務(wù)器協(xié)議；MPTCP協(xié)議表示多鏈路數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議；MPUDP是本文設(shè)計(jì)的多路徑協(xié)作傳輸協(xié)議，3種通信協(xié)議對(duì)實(shí)時(shí)鏈路帶寬的吞吐量，如圖3所示。MPUDP協(xié)議在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，與UDP、MPTCP協(xié)議相對(duì)比，吞吐量在不同丟包率情形下都有不同程度的提高。在丟包率為0%的情況下，MPUDP協(xié)議由于自身的協(xié)作特性，在滿足要求的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的吞吐量；MPTCP協(xié)議由于協(xié)議高精準(zhǔn)度的要求，必須滿足0%的丟包率，但由于協(xié)議特性缺少自適應(yīng)的算法，在吞吐量上不敵MPUDP協(xié)議；在丟包率為0%的情況下，UDP協(xié)議的吞吐量最低，而隨著丟包率要求的降低，UDP和MPUDP協(xié)議的吞吐量也在穩(wěn)步提升。

圖3 模擬信道在不同算法協(xié)議下的吞吐量Fig.3 Throughput of analog channel under different algorithm protocols

MPUDP協(xié)議和UDP協(xié)議在不同丟包率要求下的吞吐量如圖4所示，在MPUDP協(xié)議中，運(yùn)用了多鏈路協(xié)作運(yùn)輸，這相比于UDP的單信道傳輸在信道傳輸速率上有了近鏈路數(shù)目倍的提高。

圖4 模擬信道在不同丟包率情況下的吞吐量Fig.4 Throughput of analog channel under different packet loss rate

5 結(jié)束語(yǔ)

本文分別對(duì)MPUDP訓(xùn)練機(jī)制、速率分配、重傳機(jī)制、數(shù)據(jù)調(diào)度進(jìn)行了設(shè)計(jì)及優(yōu)化。通過(guò)訓(xùn)練獲得每條鏈路信道傳輸帶寬進(jìn)行數(shù)據(jù)分配傳輸，達(dá)到多條鏈路協(xié)作傳輸視頻的能力。在允許少量丟包的情況下，改善系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸帶寬，適用于音視頻傳輸?shù)膽?yīng)用場(chǎng)景。實(shí)驗(yàn)仿真表明：在丟包率較小的情形下，MPUDP協(xié)議相較于UDP協(xié)議在模擬信道的吞吐量上都有了近鏈路數(shù)目倍的增長(zhǎng)。