一種ＴＣＰ友好的實時流單播擁塞控制算法

摘要：通過分析TCP擁塞控制機制和已有的實時流擁塞控制算法，提出了一種利用RTP/RTCP協議收集QoS信息的基于模型的單播擁塞控制算法——基于擁塞率反傳的擁塞控制算法。實驗證明，該算法不但具有TCP友好性，而且能在速率恢復階段減少擁塞再次出現的概率，使實時流速率變化平穩，并且丟包率比參考協議TFRC減小了2/3。

關鍵詞：擁塞控制； TCP友好； RTP/RTCP； 擁塞率反傳

中圖法分類號：TP393．02文獻標識碼：A

文章編號：1001－3695(2007)01－0283－03

由于Internet上網絡結構的異構性和竭盡全力的服務（Best Effort Services）的特點，使得網絡擁塞很容易出現。針對這一問題，Van Jacobson最早指出了TCP協議在網絡擁塞控制方面的不足，提出了慢啟動(Slow Start)和擁塞避免(Congestion Avoidance)的算法[1]。隨后TCP協議版本不斷完善，引入了快速重傳(Fast Retransmit)和快速恢復(Fast Recovery)等算法。依靠慢啟動以及失敗重傳策略，可以使TCP可靠傳輸成為可能，但同時也帶來了較大的傳輸延遲，在許多實時性業務中無法直接應用。因此，我們通常采用UDP協議作為流媒體和實時音視頻傳輸的傳輸層協議。UDP協議雖然可以滿足這些應用的實時性要求，但沒有采用一定擁塞控制機制，只能保證盡力傳輸，一旦出現網絡擁塞，UDP流不會像TCP流那樣調整自身發送速率，而是繼續占用有限的帶寬資源，這樣就造成了UDP流和TCP流競爭的不公平性。

近幾年來，根據實時流傳輸的應用需求，如音視頻編碼數據的實時傳輸，人們提出了一些新的擁塞控制算法。這些擁塞控制算法的共同目標就是通過引入仿TCP速率控制機制或者新的速率控制機制，實現實時數據流與TCP流分享可用帶寬，也就是所謂的TCP友好性(TCP Friendly)[4]。在眾多的TCP Friendly擁塞控制算法中，基于模型（或基于公式）的TFRC[2， 3]最具有代表性。

1TFRC擁塞控制算法

基于模型的擁塞控制通常是通過對TCP流量進行數學建模，找到一種非TCP協議也可以進行速率控制的方法。其中，Pathye等人[5]通過分析TCPReno擁塞控制的過程，建立了TCP流量模型，即TCP流吞吐量與下列參數有關：數據包大小s、往返時延遲RTT、丟失事件率p和重傳超時值RTO等，式(1)是一個比較精確的TCP的流量模型公式：

Floyd提出的TFRC[2]，將式(1)作為擁塞控制的計算式，可以使得TFRC流與TCP流在同等條件下搶占帶寬的能力相同，維持發送速率穩定性的同時還能對網絡的擁塞狀態作出及時的反應。

TFRC是一種單播擁塞控制算法，對速率的調整是基于源端的。TFRC在啟動階段采用類似TCP慢啟動的策略[3]，當擁塞發生后，接收端能夠將計算出的丟失事件率p以及用于計算的參數反饋至源端，這樣源端可按式(1)計算出源端允許的發送速率Rtcp，并調整速率。

2本文算法描述

本文提出的單播擁塞控制算法——基于擁塞率反傳的擁塞控制算法（Congestion Rate Feedbackbased Congestion Control， CRFCC）

是根據某實時傳輸業務需求而提出的，因此采用RTP/RTCP[7]作為采集網絡狀態參數的協議。算法中設定源端每發送49個RTP包后，周期性地發送一個SR控制包，接收端負責接收源端的所有發包，當收到SR包后，向源端反饋RR控制包，將網絡狀態參數告知源端。由于RTCP控制包發送頻率最少5s一次，對于擁塞造成SR和RR包丟失，致使發送端無法及時得到反饋的情況，在源端設置一定時器，當源端5s內沒收到RR包，直接將網絡狀態判定為重度擁塞狀態。

2．1參數計算

2．1．1STT計算

STT的測量采用時間戳法，通過公式RTT=Tnow-Tstart-Tdelay在源端計算得出，其中Tnow取自源端系統時鐘，Tstart來自RR包中最后SR時間戳（LSR），Tdelay來自RR包中自最后SR起時延（DLSR）。為了消除網絡中的隨機抖動，RTT的估計值要采用EWMA(Exponentially Weighted Moving Average)方法進行加權平均，即

其中RTT是當次測量值，RTT″是上次的估計值，RTT′是當次的估計值。對于第一個RTT值，不作加權平均。在TFRC中q的值是0.95，為了增強算法對延遲的反應，本文選擇0.875。

2．1．2平均丟包率p計算

考慮到將采用的TCP流量模型，算法中不采用丟失事件率，而采用平均丟包率p代入TCP流量模型中計算。因為不考慮差錯重傳。在接收端，計算鄰近兩個SR接收事件之間丟失的數據包的個數，除以這兩個SR包的序號差值，就可以得到p。同時將p值記入RR包，反饋至源端，以待計算所用。

2．1．3TCP流量模型

由于本文算法不考慮超時重傳的影響，因此采用一個穩定狀態下近似的TCP流量模型公式[5]：

其中s是數據包大小，p是上面提到的平均丟包率。

2．2啟動階段的速率調整策略

源端在啟動階段采取類似TCP慢啟動的速率調整策略，考慮實時傳輸的特點，算法中速率不采用積式增加，而是和式增加的方法。盡管是和式增加的方法，速率增長也應該是比較快的，這樣在同TCP流競爭中，才不會處于弱勢。啟動階段一直到有丟包出現為止結束。啟動階段算法表示如下：

其中p是一個SR周期內的平均丟包率，α是和式增加因子，設置為20kBs，R1為初始速率，設置為10kBs。

2．3擁塞出現后的速率調整策略

當p>0時，即發生丟包，說明擁塞出現。在這個階段設置平均丟包率閾值為p_thresh，將擁塞分成兩個階段，在0

R=Min[Rtcp，R+p×α]ifR≤Rtcp

Min[Rmin，Rtcp，(1-p)×R]ifR>Rtcp(5)

而當p≥p_thresh時，定義為重度擁塞，速率調整如下：

R=max(Rmin， 0.61R)(6)

從上述兩個階段的調整策略可以看出，當網絡擁塞出現之后，并沒有馬上大幅降低源端發送速率，而是將發送速率同TCP流量模型的預測值作比較，在所有基于模型的擁塞控制中都是這樣考慮的。本文針對實時流業務的特點，例如，允許一定限度的丟包，要求包發送速率平穩，抖動小，發送盡量不中斷，在輕度擁塞階段采用了式(5)的調整策略，其中Rmin是最低發送速率閾值，設置為10kBs，這樣可以保證實時流在最不利的情況下仍能持續發送。

2．4恢復階段的速率調整策略

當擁塞第一次出現之后，為了避免擁塞造成持續丟包，采取了相應的策略降低發送速率，這些在2.3節中有具體的描述。在降低發送速率之后，一定程度上減輕了網絡負擔，因此網絡狀態隨之發生變化。對于這種出現過擁塞，發送速率下降而p=0的情況，本文定義其為恢復階段。在這個階段中，速率調整應該遵循下面的原則：避免擁塞的再次出現，保證速率可以較快增長到較高的值。下面是速率調整公式：

其中Rcongs是前次擁塞發生時的發送速率，α是和式增加因子，0.1和0.99均是經驗值。

3實驗結果及其分析

所有試驗選用NS2[6]作為網絡模擬工具。因為CRFCC將利用RTP收集到的網絡狀態參數，因此參照了NS2中已有RTP/RTCP模塊，在NS2添加了自己的RTP模塊，實現了整個算法。本文采用圖1所示的網絡模擬中常用的啞鈴型拓撲結構進行模擬試驗。

圖1試驗拓撲結構圖

試驗中，設定發送節點和接收節點與路由器之間鏈路帶寬為10Mbps，時延3ms，路由器之間瓶頸鏈路帶寬為1.5Mbps，時延10ms。路由隊列管理采用DropTail（隊尾丟棄），隊列長度為15。CRFCC（或TFRC）流數目為5，數據包400Bytes。TCP采用NewReno協議，流數目也為5，數據包1 000Bytes。

首先，采用CRFCC流和TCP流仿真試驗。10支測試流都是從0s開始發送，順序由系統隨機產生。圖2顯示的是其中兩支CRFCC流和三支TCP流的平均傳輸速率變化曲線。

可以看到CRFCC流比其他三支TCP流變化幅度小，而且平穩得多。圖3和圖4是一支CRFCC流和一支TCP流Jitter（延遲變化量）變化曲線。Jitter的計算公式如下所示[8]：

其中i， j分別是實時流的唯一標志序號。比較兩圖可以發現，CRFCC流由于不需要差錯重傳，比TCP流更連續，這也是圖1中CRFCC流變化幅度小于TCP的原因。同時，CRFCC流的Jitter多數在20ms之間，小于TCP流的50ms，因此CRFCC的延遲變化量小于同時競爭的TCP。

兩種協議的等價比越接近1，說明兩者公平性越好。在相同的網絡環境下，將TFRC流和TCP流進行仿真試驗，通過式(9)和式(10)得到CRFCC流對TCP流的等價比以及TFRC流對TCP流的等價比，如圖5所示。從圖5不難發現，絕大多數時間內，CRFCC對TCP是公平的、友好的，而且CRFCC對TCP的公平性好于TFRC。此外，我們還統計了180s內CRFCC流和TFRC流的丟包率，CRFCC流的丟包率為3.18%，TFRC流為10.18%，結果表明CRFCC對丟包控制更有效。

圖5不同流對TCP的等價比變化

4總結

本文提出一種基于模型的實時流單播擁塞控制算法CRFCC。在擁塞出現后的速率恢復過程中，算法將前次擁塞時速率反饋值引入該階段發送速率的調整，使得算法除了具有TCP友好性外，還有較好穩定性和較低的丟包率。該算法如何擴展到組播上，還需要作進一步的研究。

參考文獻：

［1］Jacobson V. Congestion Avoidance and Control[J]. ACM SIGCOMM Computer Communication Review， 1988， 18(4):314329.

［2］Floyd S， et al. Equationbased Congestion Control for Unicast Application[EB/OL].http://www.icir.org/tfrc/tcpfriendly.pdf.

［3］Floyd S， Padhye J，Windmer J. TCP Friendly Rate Control[EB/OL]. http://www.ietf.org/rfc/rfc3448.txt?number=3448.

［4］Floyd S， Fall K. Promoting the Use of EndtoEnd Congestion Control in the Internet[J].IEEE/ ACM Transactions on Networking， 1999， 7(4):458.

［5］PadhyeJ，Firoiu V，Towsley D， et al. Modeling TCP Throughput: A Simple Model and Its Empirical Validation [J].IEEE/ACM Transactions on Networking， 2000， 8(2):133145.

［6］http:// www. isi.edu/nsnam/ns/[EB/OL].

［7］Schulzrinne H， Casner S. RTP: A Transport Protocol for Realtime Applications[EB/OL]. http://www.ietf.org/rfc/rfc1889.txt?number=1889

［8］http://140.116.72.80/~smallko/ns2/tool.htm[EB/OL].

［9］董振亞，彭宇行.一種基于模型的實時媒體流擁塞控制機制[J].計算機工程與科學，20-04，26(4):8990.

作者簡介：

諶洪初（1981），男，碩士研究生，主要研究方向為計算機網絡和多媒體通信技術；王慶（1969），男，副教授，博士，主要研究方向為圖像處理和多媒體信息處理。

注:本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文