基于快速鏈路動態感知的多路分流算法

余超群,蔡建國,宋道斌,陳 鋒

(福州大學 物理與信息工程學院,福建 福州 350108)

0 引言

隨著移動互聯網業務的發展,移動數據業務量已呈現爆發式增長。在面對諸如視頻連麥、遠程醫療、線上教育、安防監控、直播等對畫質、交互和延遲方面具有高要求的實時視頻業務時,由于通信鏈路不穩定、網絡擁塞、帶寬限制等因素,導致語音通話中斷、在線視頻卡頓、交流互動性變差、遠程傳輸抖動等問題,種種限制及問題使得傳統的單路傳輸技術漸漸地不再能滿足于一些新興業務。面對這樣的網絡業務新趨勢,通過單一信道進行實時視頻業務網絡傳輸的格局缺陷日益明顯。如何在滿足實時視頻低延時、高畫質的業務需求,保障用戶對視頻業務流暢、清晰的觀看體驗成為亟待解決的問題。

鑒于上述問題,得益于異構網絡融合技術的發展,多路并行傳輸技術已成為構建未來可靠、低延時實時視頻傳輸通信系統的必然趨勢。在多路并行傳輸技術中,客戶端與服務器端可以同時利用多個通信鏈路進行數據傳輸,當其中一條通信鏈路處于惡劣環境,或者由于網絡突發狀況導致網絡擁塞時,可以通過其他穩定的多條鏈路并行傳輸,從而提高網絡傳輸效率和速度,減少傳輸時延,提升視頻傳輸的性能和節點間的連通性。多路并行傳輸技術不僅可以有效解決單路的網絡瓶頸問題,還可以提高可用通信鏈路的利用率,保障數據的安全性、可靠性和容錯性,因此近些年來被廣泛地應用于視頻會議、云計算、物聯網等領域。

1 相關工作

國內外學者針對多路并行傳輸技術及算法優化進行了大量的研究。其中,比較主流的是國際互聯網工程任務組在2009年提出的多路徑傳輸協議(MPTCP)。該協議基于傳統的TCP協議,允許通信系統同時利用多接口技術建立多個網絡路徑進行數據傳輸,并且能夠自適應地在多條路徑間調整數據流量,從而提升通信鏈路的傳輸效率和可靠性,提高網絡吞吐量,降低MPTCP服務中斷的風險[1]。但MPTCP有許多限制,容易受到不良環境的影響,在通信過程中,狀態不良的鏈路通常會對網絡速度產生巨大影響[2]。因此需要根據具體的應用場景對MPTCP協議中的分流算法進行優化。

目前,國內外學者針對MPTCP多路并行傳輸分流算法的優化大體上分為兩類:一是擁塞控制算法,該部分的學者認為,MPTCP歸根到底是基于TCP,所以擁塞控制是影響MPTCP多路并行傳輸性能的關鍵之一。該類算法主要集中在調整每個子流的傳輸速率,并將流量從較擁塞的路徑轉移到較不擁塞的路徑,從而提高吞吐量和鏈路利用率,如鏈接增加算法(LIA)[3]、機會鏈接增加算法[4]、平衡鏈接自適應(Balia)[5]、加權拉斯維加斯(wVegas)[6]、mVeno算法[7]等。這些算法依賴于一個算法模型來控制每個子流的擁塞窗口(cwnd)的增加,以平衡它們的擁塞程度。二是路徑調度策略,該類算法被設計為在多條路徑上合理地分割數據包,以提升MPTCP多路并行傳輸性能[8],如最低RTT優先(minRTT)調度器、基于約束的主動調度(CP)[9]、最高發送速率(HSR)、最大窗口空間(LWS)和最低時間/空間(LTS)算法[10]等調度策略。

但對于具有高帶寬、低延時通信要求的實時視頻傳輸應用場景而言,針對MPTCP的擁塞控制算法由于需要管理多個子流進行擁塞控制及其他額外工作,因此在某些情況下可能會引入額外延遲,導致數據傳輸的速度變慢,從而影響實時視頻的時效性[11]。其次,當網絡帶寬不足時,MPTCP的路徑調度策略無法保證各個子流保持穩定并按照調度器預設置的權重進行數據傳輸,這可能會導致一些通信鏈路的傳輸速率較慢,甚至丟失某些數據包,從而影響實時視頻的畫面質量。最重要的是,實時視頻傳輸要求傳輸時間盡量短,因此需要將延遲降到最低限度。但是,由于MPTCP的重傳機制引入了延遲應答機制來避免網絡中出現大量冗余數據包,導致確認的延遲時間增加,影響視頻觀看的實時性。此外,實時視頻傳輸對網絡資源要求較高,如果出現數據包丟失,就需要進行重傳。但是,MPTCP的重傳機制采用快速重傳和快速恢復機制,在網絡出現比較嚴重的擁塞或故障時,可能會導致重傳次數增多,占用更多的網絡資源和系統帶寬,使得大量的數據包丟失,從而需要進行多次重傳。但這又會導致系統占用更多的帶寬和系統資源,對網絡性能造成負面影響。

綜上所述,以TCP為基礎的MPTCP多路并行傳輸技術并不適合應用在實時性強、連貫性要求高的實時視頻業務。與此相比,用戶數據報協議(UDP)具有傳輸速度快、實時性好等特點,在數據傳輸過程中,不需要進行握手和確認等操作,因此傳輸時延較低,常被運用于音頻、視頻、游戲等需要實時傳輸的場景[12-14]。但UDP對于具有一定互動性要求的實時視頻傳輸而言,它盡力而為的傳輸方式,使得它在數據傳輸的可靠性和穩定性方面存在不足。當數據包出現丟失或損壞時,由于無法進行重傳,往往容易出現視頻卡頓、花屏等現象,影響用戶體驗。且UDP沒有擁塞控制機制,當網絡出現擁堵現象時,可能會由于視頻數據包發送速度過快,進一步加劇網絡擁堵,進而影響傳輸效率和穩定性。

為避免現有的多路并行傳輸技術在實時視頻領域上存在的不足,滿足實時視頻的低延遲、高畫質需求,本文基于UDP,設計并實現了實時視頻多路并行傳輸的框架,該框架既能滿足高可靠性和穩定性要求,又滿足端到端整體時延短的要求。基于此框架,提出快速鏈路動態感知的多路分流算法(FLDA),通過對鏈路間的網絡參數進行建模,結合反饋包信息動態分配鏈路報文分流,在最大程度上提升了鏈路利用率,保證數據包在目標時延內到達接收端。

基于UDP實現可靠、安全的數據傳輸,通過引入有限次數據包重傳和基于反饋數據包的流量控制及擁塞控制,動態地根據網絡狀況對數據包丟失、網絡擁塞等異常情況進行處理,提高UDP的可靠性和穩定性[15-16]。設計了目標延時約束下的快速鏈路動態感知分流算法,在多路并行傳輸模型中,報文分流主要包括鏈路選擇和報文分發。本文將各個鏈路的帶寬、端到端時延、目標延時等網絡參數進行建模[17-20],根據算法模型動態地調整報文分流,以適應網絡拓撲和流量變化,并能夠快速地對異常數據包在滿足目標延時的約束要求下進行重傳,在保證用戶體驗的同時,實現鏈路利用率和時延之間的平衡。

2 系統架構

實時視頻多路并行傳輸系統通常由視頻源、視頻編碼器、流媒體服務器、用戶服務器、視頻解碼器、用戶端組成,通過衛星、LTE基站、IP網絡等方式進行數據傳輸,如圖1所示。在該系統中,視頻源是產生視頻信號的設備,如攝像頭、采集卡等,它們負責采集視頻信號。視頻編碼器則是對視頻信號進行編碼和壓縮,常見的編碼方式有H.264、H.265、VP9等,可以根據不同的場景和需求進行選擇。流媒體服務器是該系統的核心設備,它可以接收來自不同視頻源的視頻流并存儲、轉發給用戶服務器。用戶服務器則是用于接收和緩存視頻數據的設備,一般會處于用戶和流媒體服務器之間,以提高視頻傳輸質量和用戶體驗。視頻解碼器是解碼和還原視頻信號的設備,它將編碼后的視頻流轉換為可視的圖像和聲音,通常被集成在用戶的終端設備上,如電腦、手機、平板等,以實現更加高清晰度、流暢、真實的視頻觀看體驗。用戶端,則是指使用者觀看視頻的設備,如電腦、手機、平板等,用戶端通過與用戶服務器交互,從流媒體服務器獲取編碼后的視頻數據。

在該場景中,流媒體服務器和用戶服務器間的通信由衛星鏈路、LTE鏈路和IP網絡三種不同類型的網絡構成。系統框圖如圖2所示。其中,流媒體服務器通過不同的網絡建立多條鏈路進行實時視頻數據傳輸,并通過接收端發送的反饋數據包信息,綜合分析鏈路當前的網絡狀態、目標時延、帶寬、端到端時延等因素,將數據包通過其中的一條或多條鏈路采用多路并行傳輸技術傳遞到用戶服務器。

該框架用于異構網絡平臺下對實時視頻的端到端傳輸業務,其目標是在滿足目標時延約束條件下最大化實時視頻用戶的體驗質量。其中發送端主要由三大模塊組成,包含數據包分配模塊、鏈路選擇與切換及數據包重傳模塊、參數控制模塊。由于實時視頻的特性,本文采用UDP傳輸數據。通過接收端的反饋模塊和發送端的參數控制模塊及數據包重傳模塊,提高UDP的可靠性和穩定性。本文研究的主要內容集中在FLDA框架下的數據包重傳和數據包分配模塊。FLDA將每個鏈路狀態建模為目標時延、端到端時延、帶寬和網絡利用率的組合,通過參數控制模塊傳遞的數據,實時計算并評估當前子流的網絡狀態,當某一條鏈路出現網絡波動、擁堵或其他異常情況時,快速地將異常鏈路上尚未確認的數據包和尚未發送的數據包轉發至網絡狀況良好的鏈路,滿足數據包傳輸在目標時延約束的情況下,充分地利用鏈路網絡資源,實現鏈路利用率最大化和端到端時延最小化。

3 FLDA

在實時視頻多路并行傳輸場景中,結合當前實際生活異構互聯的網絡環境,采用異構網絡融合技術,使用戶端和服務器端可以使用多種不同或相同的網絡,如LTE、IP網絡、WiFi等,建立多條鏈路進行數據傳輸。本文所提算法以獲得基于鏈路狀態的最優數據包重傳時間節點,避免部分鏈路因網絡擁塞或某些突發狀況導致系統錯誤判斷并重傳該鏈路上的數據包,使得該類鏈路的網絡資源得不到充分利用。同時又保證接收端的數據包能夠在滿足目標時延的約束條件下,通過有限次的重傳恢復數據包,保障實時視頻傳輸的流暢性和低延時性。

假設發送端到接收端傳輸數據包可以使用的鏈路有n條,每條鏈路的網絡狀態屬性都與端到端時延D、鏈路帶寬B、丟包率PLR、鏈路上傳輸的數據包數量M、網絡利用率U和目標時延Latency有關。因此,每條鏈路的網絡狀態屬性都可由Si= {Di,Bi,PLRi,Mi,Ui,Latency},i= 1,2,…,n描述。其中,端到端時延D是衡量數據包交付情況和傳輸鏈路網絡狀況的一個關鍵要素,其是指數據包從發送端發送開始到接收端接收到該數據包的時間段,主要受傳播時延P、排隊時延Q和傳輸時延T影響。如式(1)所示:

Di=Pi+Qi+Ti,i=1,2,…,n。

(1)

(2)

而排隊時延的大小通常取決于數據包大小、節點的利用率和傳輸速度以及數據包周期性或突發性的發送方式。在實時視頻傳輸場景中,數據包通常是以一定的碼率進行傳輸,故流量是連續性地到達節點,因此排隊時延的大小可表示為:

(3)

鏈路相對時延即傳輸時延T,取決于發送數據的大小和鏈路網絡當前的帶寬,即:

(4)

因此,聯立式(1)～(4)即得實時視頻多路并行傳輸第i路的數據包端到端時延公式:

(5)

在實時視頻多路并行傳輸系統中,影響實時視頻傳輸質量和系統性能的往往是多路傳輸網絡中的瓶頸鏈路,即傳輸網絡i條鏈路中網絡狀態最差的鏈路。為了保證實時視頻的流暢性,使數據包在目標時延Latency內到達接收端,同時兼顧數據包有限次傳輸的可靠性,就需要為瓶頸鏈路考慮預留一段重傳時間Tre,使其整體的端到端時延滿足目標時延的約束,即滿足:

(6)

式中:sign(MiL)為符號函數

(7)

針對不同的實時視頻傳輸業務類型,還需根據業務的實際情況和需求對多路并行傳輸系統的傳輸時延、丟包率和QoS等因素進行約束,因此,本文的FLDA采用線性規劃手段將鏈路建模為當前帶寬、端到端時延、網絡利用率及目標時延的數學模型,通過求解這個線性規劃問題,可以得到當前網絡允許的最大鏈路切換時間節點,即得傳輸延時最小化的鏈路組合,目標函數和約束條件如下:

(8)

式中:D0表示鏈路空閑時刻的端到端時延,即鏈路上傳輸的數據包無需經歷排隊時延 ,τ表示一個可變值,它取決于實時視頻傳輸業務類型的端到端時延要求,如直播、遠程會議、遠程醫療等延遲要求分別為τ=(τ1,τ2,τ3)。由式(8)可知,在目標延時的約束前提下,盡可能地利用鏈路網絡資源帶寬,在提高鏈路利用率和通過有限次重傳確保傳輸可靠性的要求下,瓶頸鏈路的最佳切換時間是有上限的。

但在數據包實際傳輸過程中,鏈路的網絡狀況是在不斷變化的,每個鏈路的實際帶寬、網絡利用率、端到端時延都不同且在不斷地變化,因此針對鏈路的數據包重傳最佳鏈路切換時間點Tre也是在不斷變化的。在此優化問題的驅動下,本文提出的FLDA通過接收端的反饋數據包信息實時計算Tre,根據計算出的Tre和最后響應時間Tlst進行比較,如算法1所示。

算法1 動態鏈路狀態感知算法輸入 Di,Mi,L-,Bi,Ui,RTTi,D0,τ, Latencyi=1,2,…,n輸出 鏈路i的網絡狀態1)LinkState獲取鏈路i當前狀態2)Tre根據獲取當前時刻Tre的值3)Tlst獲取當前時刻Tlst的值4) if LinkState==active_stable then5) if Tre>Tlst then6) Linkstateactive_unstable7) else if Tre=Tlst then8) Linkstateactive_wary9) else10) Linkstateactive_stable11) end if12)end if13)return Linkstate

Tlst是指當前時刻距離上一次接收到反饋數據包的時間段,即:

Tlst=Currenttime-lstACKtime。

(9)

如果Tre>Tlst,表明該鏈路的網絡情況已經不再適合傳輸數據包,需要將該鏈路上尚未收到確認響應報文的數據包轉移到狀況良好的鏈路上進行重傳,以確保這些數據包能夠通過重傳在目標時延內到達接收端,如算法2所示。如果Tre

算法2 動態鏈路的多路分流算法輸入 LinkState, Trei,Tlsti i=1,2,…,n輸出 鏈路數據包分配權重ωi1) αi計算鏈路i的權重因子2)for i∈{1,2,…,n} do3) if (LinkState!=active_stable) then4) ωi=05) else 6) ωi=∑ni=1αiαi7) end if8)end for9)return ωi10)αi=TreiTlsti,i=1,2,…,n

4 實驗模擬與結果分析

為了驗證FLDA在實時視頻多路并行傳輸系統動態網絡環境下的響應能力,本文在增強UDP可靠性和穩定性的基礎上,通過HoloWAN Network Emulator仿真儀器實現了FLDA,并通過與MPTCP進行模擬實驗對比,驗證了FLDA在實時視頻傳輸場景下的可行性和穩定性。

4.1 測試場景

實時視頻多路并行傳輸系統的仿真實驗場景如圖3所示。實時視頻通過編碼板將編碼后的視頻信息以一定的碼率傳輸到路由器,路由器通過兩條不同的鏈路將編碼后的數據包進行傳輸,并通過仿真儀發送到接收端,經過解碼過程將原視頻展示在顯示器上。

圖3 實驗環境示意圖Fig.3 Schematic diagram of experimental environment

HoloWAN Network Emulator仿真參數如表1所示。鑒于當前網絡高寬帶低延時的發展情形,本文的模擬實驗將仿真鏈路的端到端時延設置為10 ms,瓶頸帶寬設置為100 Mbit/s。此外,鏈路數據包的具體端到端時延Di、鏈路帶寬Bi、鏈路利用率Ui等參數均為變值,在傳輸系統運行過程中實時測量,其他值為不變參數。

表1 實驗仿真參數Tab.1 Experimental simulation parameters

4.2 結果分析

本文通過HoloWAN Network Emulator仿真評估了在Latency=120 ms的實時視頻多路并行傳輸場景下,基于UDP的FLDA相較于傳統MPTCP的優勢。如圖4所示,結果顯示FLDA在減小端到端時延的方面有顯著改善。當鏈路出現網絡擁塞等異常情況時,如圖中MsgID在1 800附近出現的峰值,FLDA相較于MPTCP,可以通過動態鏈路感知,及時地調整鏈路的數據包分配,并將擁塞鏈路上的數據包通過其他鏈路進行重傳,從而顯著地降低重傳數據包的端到端時延,故擁塞處的峰值變化遠小于MPTCP。此外,圖中FLDA曲線出現的峰值個數遠少于MPTCP曲線中出現峰值的個數,表明FLDA相較于MPTCP在實時視頻多路并行傳輸場景下具有更強的穩定性。

圖4 MPTCP對比仿真結果Fig.4 Simulation results compared to MPTCP

對FLDA中的Trei采用固定值與自適應動態變化重新進行實驗對比,結果如圖5所示。與固定切換時間Trei相比,具有自適應變化Trei的FLDA在降低擁塞鏈路上重傳數據包的端到端時延具有顯著改善。這表明合適的切換時間Trei對處理實時視頻多路并行傳輸過程中面臨的擁塞問題具有重要作用。如果Trei值不適當,鏈路的端到端延遲可能反而更長,如圖5中MsgID在400、800、1 300處的峰值紅線所示。

圖5 固定Tre對比結果Fig.5 Results compared to fixed Tre

5 結束語

本文針對現有的MPTCP在實時視頻傳輸方面的不足,提出并實現了一種基于UDP的高可靠性、低端到端時延的多路并行傳輸架構和多路并行傳輸分流算法FLDA。為現有的實時視頻多路并行傳輸提供了新的實現方案,有效提升了在鏈路擁塞狀態下實時視頻的傳輸質量和流暢性。

首先,針對實時視頻傳輸場景設計了基于UDP的多路并行傳輸框架,在發送端和接收端引入一些控制模塊和反饋模塊,并結合數據包有限次重傳,以提高該框架的可靠性和穩定性。其次,將鏈路狀態建模為端到端時延、鏈路帶寬、丟包率等網絡因素的組合,采用基于鏈路狀態的FLDA實現數據包分配。通過優化擁塞鏈路最佳切換時間,從而最小化重傳數據包端到端時延,可以得到基于目標時延約束的最優動態鏈路分配方案。通過仿真實驗結果表明,該算法提升了動態環境下鏈路切換的響應能力,具有更少、更短、更穩定的重傳數據包端到端時延。