基于延時(shí)抖動(dòng)趨勢的分層組播方案

劉夢娟，魏小東，王 勇

(電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 成都 611731)

IP組播被認(rèn)為是向大規(guī)模并發(fā)用戶提供實(shí)時(shí)高效數(shù)據(jù)分發(fā)的理想方式，然而缺乏有效的擁塞控制機(jī)制[1]限制了IP組播的大規(guī)模應(yīng)用。為此，研究者提出了基于分層組播的多速率擁塞控制方案(multi-rate congestion control，MCC)[1-6]。MCC能夠有效適應(yīng)組播環(huán)境和用戶終端的異構(gòu)性，提高系統(tǒng)吞吐量，是解決IP組播擁塞控制問題的有效方法。RLM[1]是MCC的典型方案，其基本思想是發(fā)送端把原始視頻流編碼為一個(gè)基礎(chǔ)層和若干增強(qiáng)層，基礎(chǔ)層包含視頻流中最基本的信息，而增強(qiáng)層則逐層遞進(jìn)地包含更細(xì)粒度的冗余信息。發(fā)送端使用不同組播組轉(zhuǎn)發(fā)不同層次的數(shù)據(jù)；每個(gè)接收端都盡力訂閱更高層次的數(shù)據(jù)，直至發(fā)生擁塞返回到累積傳輸速率略低于路徑可用帶寬的層次上。對(duì)于RLM接收端，其路徑可用帶寬越高，訂閱的層數(shù)就越多，重建信號(hào)的質(zhì)量就越好。RLM能夠有效解決組播環(huán)境的異構(gòu)問題，但在公平性、擁塞響應(yīng)速度、同步?jīng)Q策、周期性丟包等方面仍然存在可改進(jìn)之處。

文獻(xiàn)[2]提出的接收端驅(qū)動(dòng)分層擁塞控制機(jī)制RLC，通過模擬TCP協(xié)議的AIMD規(guī)則，能夠在一定程度上實(shí)現(xiàn)與TCP協(xié)議的友好性；但是RLC會(huì)導(dǎo)致接收速率周期性振蕩，使接收質(zhì)量降級(jí)和持續(xù)不穩(wěn)定。文獻(xiàn)[3]提出的LM-MCM方案通過對(duì)中間路由器輸出端口的平均隊(duì)列長度進(jìn)行檢測，能夠及時(shí)通知接收端響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)擁塞以避免丟包，但是其要求在路由器上引入多等級(jí)擁塞標(biāo)記策略，會(huì)限制系統(tǒng)的擴(kuò)展性。文獻(xiàn)[4-6]提出一類基于TCP吞吐量公式的MCC方案，該類方案使用TCP吞吐量公式估計(jì)傳輸路徑的可用帶寬，并據(jù)此進(jìn)行相應(yīng)的層次訂閱調(diào)整，其優(yōu)點(diǎn)是能夠獲得平滑的接收速率，以及在長期的統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)保持與TCP的友好性。問題在于接收端使用“丟包”作為網(wǎng)絡(luò)擁塞標(biāo)識(shí)，通過丟失事件率估計(jì)可用帶寬，導(dǎo)致對(duì)網(wǎng)絡(luò)擁塞響應(yīng)緩慢，可能造成大量丟包。

本文在文獻(xiàn)[4]的基礎(chǔ)上，首先對(duì)分組的延時(shí)抖動(dòng)趨勢進(jìn)行分析，指出可根據(jù)基礎(chǔ)層分組的延時(shí)抖動(dòng)趨勢對(duì)網(wǎng)絡(luò)擁塞狀況進(jìn)行早期檢測；然后提出基于延時(shí)抖動(dòng)趨勢和TCP吞吐量公式的分層組播方案(layered multicast based on delay-jitter trend，LM-DJT)，通過延時(shí)抖動(dòng)趨勢推測當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的擁塞狀況，使接收端盡可能地在擁塞初期(丟包前)就檢測到網(wǎng)絡(luò)擁塞，并作為一次丟失事件引入到改進(jìn)的TCP吞吐量公式中；最后，在接收端估計(jì)當(dāng)前傳輸路徑允許的與TCP友好的可用帶寬，根據(jù)可用帶寬估計(jì)值和層次調(diào)整策略對(duì)層次訂閱進(jìn)行調(diào)整。仿真實(shí)驗(yàn)表明，LM-DJT能很好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的異構(gòu)性，在保證帶寬公平分配的情況下，具有較快的收斂和擁塞響應(yīng)速度，只引入較少的丟包。

1 網(wǎng)絡(luò)模型

1.1 MCC問題描述

1.2 延時(shí)抖動(dòng)趨勢分析

綜上分析，可得出如下?lián)砣缙跈z測方法：接收端每隔同步周期對(duì)該周期內(nèi)接收的基礎(chǔ)層分組的延時(shí)抖動(dòng)趨勢進(jìn)行判斷，若延時(shí)抖動(dòng)呈顯著遞增趨勢，則認(rèn)為在同步周期內(nèi)傳輸路徑P發(fā)生擁塞。

2 基于延時(shí)抖動(dòng)趨勢的分層組播方案

為了獲得良好的擴(kuò)展性，LM-DJT的主要功能都在接收端完成，而源端完成分層編碼以及同步標(biāo)記等功能[3]。

2.1 基于延時(shí)抖動(dòng)趨勢的擁塞早期檢測

2.2 TCP友好的可用帶寬估計(jì)

為了獲得與TCP機(jī)制近似的擁塞控制行為，LM-DJT采用TCP-Reno吞吐量公式[7]計(jì)算TCP友好的可用帶寬：

式中，L為分組大小；RTT為往返時(shí)間，p為丟失事件率[7]。在LM-DJT中，除了把丟包作為丟失事件，還把在同步時(shí)間點(diǎn)檢測到的擁塞也作為一次丟失事件，以快速響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)擁塞。

2.3 基于可用帶寬估計(jì)值的層次調(diào)整策略

在LM-DJT中，接收端使用TCP友好的可用帶寬估計(jì)值與擁塞早期檢測相結(jié)合的方式進(jìn)行訂閱層次的調(diào)整?；诳捎脦捁烙?jì)值的層次調(diào)整策略為：

1) 接收端對(duì)當(dāng)前TCP友好的可用帶寬Tcur進(jìn)行估計(jì)。

2.4 LM-DJT接收端的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

圖1 LM-DJT接收端的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

處于“drop-deaf”狀態(tài)的接收端不進(jìn)行增加訂閱層次或者丟棄層次的操作，其目的是避免同一擁塞導(dǎo)致接收端連續(xù)丟棄層次。接收端只在TDD超時(shí)后才進(jìn)入“穩(wěn)定(steady)狀態(tài)”，并同時(shí)啟動(dòng)加入新層所對(duì)應(yīng)的等待時(shí)間定時(shí)器TJ。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

本文使用NS2網(wǎng)絡(luò)仿真軟件對(duì)LM-DJT方案進(jìn)行原型仿真，并從收斂速度、穩(wěn)定性、丟包率、響應(yīng)能力、公平性等方面對(duì)LM-DJT的性能進(jìn)行討論。仿真的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)置分別如圖2和圖3所示，圖中標(biāo)明了各條鏈路的額定容量和傳播延時(shí)，各層次的發(fā)送速率為{64,90,128,181,256,362,512} kb/s。

圖2 實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2使用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖3 實(shí)驗(yàn)3和實(shí)驗(yàn)4使用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)1用于評(píng)價(jià)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中LM-DJT方案的穩(wěn)定性和收斂速度。實(shí)驗(yàn)包括3個(gè)視頻源S1、S2、S3和4個(gè)接收端D1、D2、D3、D4、S1在t=1 s時(shí)啟動(dòng)，D1、D4和D2、D3分別在t=5 s和t=25 s時(shí)加入組播會(huì)話S1。未添加“等待時(shí)間自適應(yīng)調(diào)整策略”的仿真情況如圖4所示?？梢钥吹?，各接收端在快速收斂到最優(yōu)訂閱層次后，并沒有穩(wěn)定在最優(yōu)層次，而是在最優(yōu)層次和更高層次之間來回振蕩。由于頻繁振蕩會(huì)嚴(yán)重影響用戶接收質(zhì)量的平滑性，因此LM-DJT仍然沿用文獻(xiàn)[3]中的“等待時(shí)間自適應(yīng)調(diào)整策略”。增加自適應(yīng)調(diào)整策略后的仿真結(jié)果如圖5所示?？梢钥吹?，LM-DJT在穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和較快的收斂速度。

圖4 未考慮等待時(shí)間自適應(yīng)調(diào)整策略仿真結(jié)果

圖5 LM-DJT中各接收端的接收速率

實(shí)驗(yàn)2用于評(píng)價(jià)LM-DJT對(duì)網(wǎng)絡(luò)狀況變化的跟蹤能力，為此實(shí)驗(yàn)2設(shè)計(jì)了兩個(gè)CBR流動(dòng)態(tài)影響網(wǎng)絡(luò)瓶頸鏈路的可用帶寬，其中R2→R3、R2→R4、R3→D2鏈路的額定容量重新設(shè)置為1Mb/s。在t=5 s時(shí)啟動(dòng)D1和D4加入視頻源為S1的組播會(huì)話，在t=30 s時(shí)S2和S3分別啟動(dòng)兩個(gè)到D2和D3的CBR流(速率為700 kb/s)，且在t=80 s時(shí)停止該兩個(gè)CBR流。各LM-DJT接收端吞吐量隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖6所示?？梢钥吹?，在CBR流量的干擾下，LM-DJT方案對(duì)于網(wǎng)絡(luò)擁塞加劇具有較快的響應(yīng)速度，可使接收端重新收斂并穩(wěn)定在新的最優(yōu)訂閱層次上；但是對(duì)于網(wǎng)絡(luò)擁塞減輕時(shí)的響應(yīng)速度卻不是很理想，這是因?yàn)橐搿暗却龝r(shí)間自適應(yīng)調(diào)整策略”導(dǎo)致的。

圖6 LM-DJT中各接收端的接收速率

圖7 LM-DJT各接收端的丟包率

D1和D4的丟包率隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖7所示?？梢钥吹?，在LM-DJT中由于采用“慢啟動(dòng)”過程，導(dǎo)致在加入組播會(huì)話初期可能出現(xiàn)一定數(shù)量的丟包，但是在退出“慢啟動(dòng)”之后，即或發(fā)生嚴(yán)重?fù)砣?，丟包數(shù)量都能維持在較低的水平。

實(shí)驗(yàn)3測試LM-DJT組播會(huì)話之間在吞吐量上的公平性，實(shí)驗(yàn)使用4個(gè)LM-DJT組播流沖擊瓶頸鏈路R1→R2的帶寬。使用公平性指數(shù)FI[9]對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(如表1所示)進(jìn)行分析。FI定義為：

式中，n為共享瓶頸鏈路的流的個(gè)數(shù)；Xi為每個(gè)流的傳輸速率；FI(x)→1表示方案的公平性好，F(xiàn)I(x)→0表示公平性差?？梢园l(fā)現(xiàn)，LM-DJT方案確實(shí)能夠在一定程度上公平地把瓶頸鏈路帶寬分配給各個(gè)競爭的LM-DJT會(huì)話。

表1 共享相同瓶頸鏈路的各組播會(huì)話的平均傳輸速率

實(shí)驗(yàn)4用于測試LM-DJT方案與TCP業(yè)務(wù)流的友好性。實(shí)驗(yàn)分為兩組：1) 一組用于測試LM-DJT組播流是否能夠從已經(jīng)占據(jù)網(wǎng)絡(luò)帶寬的TCP業(yè)務(wù)流中獲得公平共享資源；2) 另一組用于測試已經(jīng)占據(jù)網(wǎng)絡(luò)帶寬的LM-DJT組播流是否會(huì)使新加入的TCP業(yè)務(wù)流感到饑餓。分別設(shè)置瓶頸鏈路的帶寬為800，1 200，2 000 kb/s。表2和表3分別給出了兩組實(shí)驗(yàn)的測試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)值。仍然使用公平性指數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，可以發(fā)現(xiàn)，LM-DJT業(yè)務(wù)與TCP業(yè)務(wù)具有一定程度的友好性。

表2 共享瓶頸鏈路的各個(gè)流的平均傳輸速率(第1組實(shí)驗(yàn))

表3 共享瓶頸鏈路的各個(gè)流的平均傳輸速率(第2組實(shí)驗(yàn))

4 結(jié) 束 語

本文提出了一個(gè)面向流媒體應(yīng)用的TCP友好分層組播擁塞控制方案LM-DJT。通過將延時(shí)抖動(dòng)趨勢分析引入分層組播擁塞控制機(jī)制，利用分組的延時(shí)抖動(dòng)趨勢與排隊(duì)延時(shí)的關(guān)系對(duì)網(wǎng)絡(luò)擁塞狀況進(jìn)行早期檢測，根據(jù)檢測結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的層次訂閱調(diào)整，并把檢測到的擁塞作為一次丟失事件引入改進(jìn)的TCP吞吐量公式中。為了使LM-DJT方案具有良好的TCP公平性，本文采用與TFMCC[8]類似的方法使用TCP吞吐量公式計(jì)算TCP友好的可用帶寬，并根據(jù)可用帶寬估計(jì)值進(jìn)行相應(yīng)的層次訂閱調(diào)整。仿真實(shí)驗(yàn)表明，LM-DJT方案在穩(wěn)態(tài)環(huán)境下和CBR背景流沖擊環(huán)境下都具有良好的穩(wěn)定性，具有較快的收斂速度和較小的丟包率；LM-DJT還在一定程度上具有良好會(huì)話間的公平性以及TCP的友好性。

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