一種基于RTCP的自適應(yīng)流媒體擁塞控制算法

梁皓，駱新全

(1.中國傳媒大學(xué)新媒體研究院，北京100024；2.中國傳媒大學(xué)信息工程學(xué)院，北京 100024)

1 引言

流媒體是一種網(wǎng)絡(luò)傳輸音頻、視頻和多媒體文件的形式，其優(yōu)點(diǎn)是采用流式傳輸方式，用戶不必像下載方式那樣要等到整個文件全部下載完之后播放和觀看，而是只需經(jīng)過幾秒到幾十秒的啟動延時就能播放，此時媒體文件的剩余部分將在后臺繼續(xù)下載。實(shí)時流媒體可以接受一定程度的丟包，但是要求較低的時延，因此大多數(shù)系統(tǒng)中采用UDP協(xié)議作為流媒體的傳輸協(xié)議。然而，UDP協(xié)議不能提供擁塞控制等相關(guān)服務(wù)，不能保證流傳輸?shù)目煽啃浴Ｄ壳爸С至髅襟w傳輸?shù)膮f(xié)議主要有實(shí)時傳輸協(xié)議RTP(Real-Time Transport Protocol)、實(shí)時傳輸控制協(xié)議RTCP(Real-Time Transport Control Protocol)等。RTP/RTCP協(xié)議可以輔助UDP協(xié)議，解決流媒體傳輸中的擁塞問題。RTCP協(xié)議可提供服務(wù)質(zhì)量的信息反饋，如發(fā)送包數(shù)、發(fā)送字節(jié)數(shù)、累計(jì)丟包數(shù)、到達(dá)時間間隔抖動等。服務(wù)器可以利用RTCP包中所包含的信息動態(tài)地改變傳輸速率，甚至改變有效載荷類型。

本文旨在研究基于RTP/RTCP協(xié)議的媒體流擁塞控制方法，在現(xiàn)有的AIMD算法基礎(chǔ)上提出一種有記憶擁塞功能、能動態(tài)改變加性因子與乘性因子的自適應(yīng)AIMD算法，進(jìn)一步提高流傳輸?shù)钠椒€(wěn)性。

2 擁塞控制

2.1 擁塞控制的作用

網(wǎng)絡(luò)擁塞是一種持續(xù)過載的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，此時用戶對網(wǎng)絡(luò)資源的需求超過了其固有的容量。擁塞會增加丟包率，引起數(shù)據(jù)傳輸延時嚴(yán)重影響帶寬、緩存和吞吐量等網(wǎng)絡(luò)資源的利用率，甚至有可能使整個系統(tǒng)發(fā)生崩潰。如圖1所示，Knee稱為膝點(diǎn)，Cliff稱為崖點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)時間隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加而增加，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載到達(dá)膝點(diǎn)之前，網(wǎng)絡(luò)吞吐量及網(wǎng)絡(luò)性能都增加較快；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載超過膝點(diǎn)時，吞吐量增長變得緩慢，性能開始下滑；而一旦超過了崖點(diǎn)，吞吐量迅速下降，網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞。因此使用適當(dāng)?shù)膿砣刂茩C(jī)制非常重要。擁塞控制是指在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞或即將擁塞的狀況下，采用適當(dāng)?shù)牟呗曰驒C(jī)制，保持網(wǎng)絡(luò)在正常的狀態(tài)下工作。

圖1 負(fù)載與響應(yīng)時間、吞吐量、性能的關(guān)系

2.2 擁塞控制的方法

目前在網(wǎng)絡(luò)傳輸領(lǐng)域中經(jīng)常采用的擁塞控制方法分為基于窗口型和基于速率型兩種方式。

(1)基于窗口的擁塞控制

基于窗口的擁塞控制是指發(fā)送端或者接收端使用一個擁塞窗口來控制網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，窗口越大則數(shù)據(jù)發(fā)送速率越快。在網(wǎng)絡(luò)空閑時適當(dāng)?shù)卦龃蟠翱冢?dāng)檢測到網(wǎng)絡(luò)擁塞時則減少窗口的尺寸。基于窗口的擁塞控制可以有效的避免網(wǎng)絡(luò)擁塞的發(fā)生，TCP協(xié)議就是通過這種擁塞控制方法。但其中的重傳機(jī)制及延時抖動等問題限制了面向?qū)崟r流媒體業(yè)務(wù)的應(yīng)用。

(2)基于速率的擁塞控制

基于速率的擁塞控制是指根據(jù)某些指示網(wǎng)絡(luò)擁塞的反饋機(jī)制動態(tài)地調(diào)整速率傳輸率，從而達(dá)到擁塞控制的目的。這種方法更適合流媒體應(yīng)用，是目前網(wǎng)絡(luò)視頻流式傳輸中主要采用的一種擁塞控制機(jī)制。常用的調(diào)整發(fā)送端速率的機(jī)制有基于探測的算法和基于模型的算法。在基于探測的控制算法中，發(fā)送端不斷地探測網(wǎng)絡(luò)的可用帶寬，隨時調(diào)節(jié)發(fā)送速率。此類算法容易實(shí)現(xiàn)，但是容易造成傳輸速率的波動性。基于模型的算法是根據(jù)丟包率、往返時間差等為參數(shù)的TCP吞吐量模型來計(jì)算發(fā)送端的最大傳輸速率，發(fā)送端以此計(jì)算結(jié)果為依據(jù)來對自身的發(fā)送速率進(jìn)行調(diào)整，速率控制更平滑，但計(jì)算量較大。其中AIMD算法是一種常用的基于探測的算法，它可以根據(jù)報文的丟失情況周期地調(diào)整發(fā)送速率。

3 AIMD算法描述

AIMD算法是一種常用的基于控制發(fā)送端速率的方法。根據(jù)文獻(xiàn)[3]的描述AIMD 擁塞控制方法采用加性增大乘性減小的策略：根據(jù)丟包率的大小，將網(wǎng)絡(luò)分為網(wǎng)絡(luò)空閑及網(wǎng)絡(luò)阻塞兩種狀態(tài)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)空閑時，按常量增加發(fā)送速率；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時，乘性減小發(fā)送速率。假設(shè)為最大傳輸速率，Rmin為用戶可接受的最低質(zhì)量的發(fā)送速率，Ploss為RTCP 包中統(tǒng)計(jì)的丟包率，Pmax為最大丟包率，R發(fā)送速率，α為加性因子，β為乘性因子。算法表示為：

if(Ploss≤Pmax) //網(wǎng)絡(luò)空閑

R=min(R+α，Rmax)；

else //網(wǎng)絡(luò)阻塞

R=max(R×β，Rmin)；

此算法實(shí)現(xiàn)簡單，能較快速地使用網(wǎng)絡(luò)中的有效資源，并且當(dāng)網(wǎng)絡(luò)擁塞時能急劇地降低發(fā)送速率，減輕網(wǎng)絡(luò)擁塞程度。但是AIMD算法會使發(fā)送速率變動得過于頻繁，導(dǎo)致傳輸質(zhì)量下降。因此文獻(xiàn)[4][5]對原有的AIMD算法進(jìn)行了改進(jìn)。首先在改變發(fā)送速率之前，對RTCP包反饋的丟包率進(jìn)行平滑處理，同時改變網(wǎng)絡(luò)劃分方法，在原算法的基礎(chǔ)上增加網(wǎng)絡(luò)適中狀態(tài)，此狀態(tài)下發(fā)送速率不做改變。改進(jìn)的算法為：

Ploss=(1-η)×Ploss+η×Pnew

if(Ploss≤Pmin) //網(wǎng)絡(luò)空閑

R=min(R+α，Rmax)；

else if(Ploss≥Pmax) //網(wǎng)絡(luò)擁塞

R=max(R×β，Rmax)；

else //網(wǎng)絡(luò)適中

R=R；

其中Pnew為接收到的最新丟包率，η(0<η<1)為平滑系數(shù)，Pmin、Pmax為丟包率閥值且滿足0

4 改進(jìn)的自適應(yīng)AIMD算法

本文在現(xiàn)有AIMD算法基礎(chǔ)上做了改進(jìn)，提出一種含記憶參數(shù)的自適應(yīng)控制算法，進(jìn)一步降低RTP流的抖動。該算法增加了記憶功能，記錄下網(wǎng)絡(luò)第一次進(jìn)入擁塞狀態(tài)時的發(fā)送速率及丟包率，作為改變發(fā)送速率的參數(shù)。具體的算法描述如下：

(1)RTP流進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)后，首先按照加性增大乘性減小的方式控制發(fā)送端的發(fā)送速率，α與β的值均為常數(shù)，用α0、β0表示。

(2)當(dāng)網(wǎng)絡(luò)第一次進(jìn)入擁塞狀態(tài)時，記錄此時的丟包率Pc及發(fā)送速率Rc。本文借鑒文獻(xiàn)[5]中的算法，將擁塞記憶速率Rc和當(dāng)前速率R之差，與擁塞記憶速率Rc和擁塞記憶丟包率Pc之積進(jìn)行比較，以此判斷R與Rc是否接近。在網(wǎng)絡(luò)空閑狀態(tài)下，當(dāng)R與Rc相差較大即滿足Rc-R>Rc×Pc時，α仍為設(shè)定的常數(shù)α0，不做改變；當(dāng)R與Rch較為接近即Pc-R≤Rc×Pc時，速率增量α隨當(dāng)前發(fā)送速率R的增大而減小，使曲線更平滑。

(3)在網(wǎng)絡(luò)擁塞狀態(tài)下，根據(jù)當(dāng)前速率和R與Rc的大小比較來決定的取值。當(dāng)R≥Rc時，β為常數(shù)β0；當(dāng)R

綜上所述，算法可表示為：

Ploss=(1-η)×Ploss+η×Pnew

if(Ploss≤Pmin){ //網(wǎng)絡(luò)空閑

R=min(R+α，Rmax)；

}

else if(Ploss≥Pmax){ //網(wǎng)絡(luò)擁塞

R=max(R×β，Rmin)；

}

else //網(wǎng)絡(luò)適中

R=R；

通過算法的記憶功能，在網(wǎng)絡(luò)空閑狀態(tài)下，且當(dāng)前速率與擁塞速率相差較大時，以常數(shù)較快地增長；當(dāng)傳輸速率增長至網(wǎng)絡(luò)接近擁塞時，減小加性因子能有效遏制增長速度。在網(wǎng)絡(luò)擁塞狀態(tài)下，先以常數(shù)做為乘性因子迅速降低發(fā)送速率，當(dāng)接近網(wǎng)絡(luò)適中狀態(tài)時根據(jù)發(fā)送速率對乘性因子進(jìn)行處理，適當(dāng)增大乘性因子。以上改進(jìn)算法自適應(yīng)地改變加性因子和乘性因子，減少因網(wǎng)絡(luò)狀況突變引起的RTP流抖動，提高傳輸質(zhì)量。

5 總結(jié)

RTP協(xié)議為數(shù)據(jù)提供實(shí)時端對端傳送服務(wù)，RTCP協(xié)議用來監(jiān)控服務(wù)質(zhì)量，RTP與RTCP協(xié)議聯(lián)合使用適用于流媒體傳輸。本文引入一種改進(jìn)的自適應(yīng)流媒體擁塞控制算法，在AIMD算法基礎(chǔ)上增加了記憶擁塞功能、以及能依據(jù)傳輸速率自適應(yīng)改變的動態(tài)加性因子與乘性因子，經(jīng)驗(yàn)證能提高數(shù)據(jù)流的平穩(wěn)性。

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