基于无线网络的流媒体传输拥塞控制的研究.doc

基于无线网络的流媒体传输拥塞控制的研究重庆大学硕士学位论文（学术学位）学生姓名：张彧也指导教师：陈蜀宇教授专业：计算机系统结构学科门类：工学重庆大学计算机学院二 O一四年四月 Research about streaming media congestion control in wireless network environment A Thesis Submitted to Chongqing Universityin Partial Fulfillment of the Requirement for theDegree of Master of EngineeringByYuye ZhangSupervised by Prof. Shuyu ChenSpecialty: Computer ArchitectureCollege of Computer Science of Chongqing University, Chongqing, China April, 2014 重庆大学硕士学位论文中文摘要摘要流媒体技术的广泛应用和移动互联网的高速发展，使得人们对移动流媒体服务的需求越来越大。大量的流媒体数据在网络中传播，现有的网络资源不足以满足如此大量数据的并行传输，从而产生了网络拥塞。对网络拥塞控制的研究已经持续了十几年，但这类研究并没有针对流媒体数据传输的特点进行优化，特别是在流媒体传输的拥塞预防和流媒体服务质量的保障上，与实际需求有一定的差距。无线网络环境下的拥塞控制研究更是其中的难点和热点之一，也是推动移动流媒体服务发展的重点。本文主要研究无线网络环境下流媒体传输拥塞控制的特点、问题以及解决方法，在对 TFRC（TCP Friendly Rate Control Protocol）协议研究的基础上，设计了一种 TCP友好的无线流媒体传输拥塞控制系统。本文主要完成的研究工作如下：（1）分析了无线网络的特点以及无线网络环境下数据包丢失的原因；阐述了流媒体传输原理、技术和特点；分析了拥塞控制机制以及拥塞产生的原因，并给出了拥塞控制机制的评价标准。（2）详细分析了 TFRC中 TCP吞吐量计算方法、TFRC数据包内容和 TFRC的工作流程，针对 TFRC应用于流媒体传输时存在的问题，对 TFRC在拥塞预警、传输平稳性和最小发送速率等方面的不足进行了相应的改进。（3）针对无线网络环境对于 TFRC性能的影响，提出了利用 ECN（ExplicitCongestion Notification）的特性来进行丢包区分的方法，该方法可以正确区分拥塞丢包和无线误码丢包，根据该方法研究了一种基于 ECN的拥塞控制机制及其在Linux系统的实现，并在此基础上设计了 TCP友好的无线流媒体拥塞控制系统。（4）对设计的无线流媒体拥塞控制系统进行了测试，依据拥塞控制机制的评价标准，进行了网络效率、TCP友好性、流媒体播放平稳性和流媒体播放效果等测试并对测试结果进行了分析，测试结果表明本文研究设计的无线流媒体拥塞控制系统达到了预期的设计效果，对同类系统在流媒体传输效果和应用于无线网络环境中的性能等方面有显著提高。综上所述，本文对无线网络环境下的流媒体传输拥塞控制进行了深入研究，并针对现有拥塞控制方法的不足进行了相应改进并设计了无线流媒体拥塞控制系统，最后通过实验验证了新方法的有效性，表明本文设计的无线流媒体拥塞控制系统能够在 TCP友好的前提下，保证无线网络环境下流媒体服务的质量。关键字：无线网络，流媒体，拥塞控制，丢包区分算法I 重庆大学硕士学位论文英文摘要ABSTRACT With the wide range of application of the streaming media technologies and therapid development of mobile Internet, the demand for mobile streaming media servicehas become more and more acute. With large amount of streaming media data and otherforms of data spreading in the Internet. The existing network resources are insufficientto meet such large amount of data transmitting in parallel, resulting in networkcongestion. Research on network congestion control has been going on for over tenyears. But these studies are not optimized for the characteristics of streaming media datatransmission, especially in the prevention of congestion and the guarantee of quality ofservice for streaming media transmission, and there is a gap between these studies andactual demand. Congestion control in a wireless network environment is difficult andone of the research heat, and is vital in promoting the development of mobile streamingmedia services.This paper studies the characteristics, problems and solutions of streaming mediatransmission congestion control in wireless network environment. Based on the researchon existing streaming media transmission technologies and TFRC (TCP Friendly RateControl Protocol), this paper designed a streaming media transmission congestioncontrol system in wireless network environment. Main works of the thesis are presentedin four parts as follows:(1)Studied the characteristics of wireless networks, and analyzed the causes forpacket loss in wireless network environment. Studied the principles, technologies andcharacteristics of streaming media transmission. Studied the congestion controlmechanism, and analyzed the causes for congestion. And evaluation criteria of thecongestion control mechanism were given.(2)Researched on the TFRC protocol mechanism, analyzed the TCP throughputequation, packet content and workflow of TFRC in details. Discovered the problems ofTFRC when applied to streaming media transmission. And some correspondingimprovements on the congestion warning, smooth transmission and minimumtransmission rate have been achieved.(3)Studied the impact of performance of TFRC in wireless network environment.Analyzed several classic loss differentiation mechanism. Proposed a method which usesECN (Explicit Congestion Notification) to differentiate loss, this method can distinguishII 重庆大学硕士学位论文英文摘要between congestion loss and wireless error packet loss correctly. And modified theimplementation of ECN in the Linux system according to the actual needs. Designed acongestion control mechanism based on ECN, and on this basis, designed a streamingmedia congestion control system.(4)Tested the streaming media congestion control system. In accordance with theevaluation criteria of congestion control mechanisms, network efficiency, TCPfriendliness, smoothness of streaming media playing and the effect of streaming mediaplayback are tested, and the results are analyzed. The test results show that thestreaming media congestion control system proposed achieved the desired effect. Theeffect of streaming media transmission and the performance applied in wireless networkenvironment improved significantly compared with similar systems.In summary, this paper has researched on streaming media transmission congestioncontrol in wireless network environmentdeeply.Introduced correspondingimprovements for the deficiencies of the existing methods. And finally proved theeffectiveness of the new method through the experiments, the proposed new design ofstreaming media congestion control system can ensure the quality of streaming mediaservices in wireless network environment under TCP-friendly premise.Keywords:Wirelessnetwork,Streamingmedia,Congestioncontrol,Lossdifferentiation algorithmIII 重庆大学硕士学位论文目录目录中文摘要.I英文摘要. II1绪论. 11.1研究背景及意义 . 11.2国内外研究现状 . 21.3本文研究内容及论文组织结构 . 31.4本章小结 . 42无线网络环境下流媒体传输拥塞控制相关技术 . 52.1无线网络概述 . 52.2流媒体技术概述 . 62.2.1流媒体传输原理 . 72.2.2流媒体传输协议 . 82.3拥塞控制机制 . 132.3.1拥塞的概念 . 132.3.2拥塞产生的原因 . 142.3.3拥塞控制机制的评价标准 . 152.3.4拥塞控制机制的分析 . 162.4本章小结 . 173基于 TFRC的流媒体传输拥塞控制研究 . 183.1 TFRC协议机制 . 183.1.1 TCP吞吐量公式. 183.1.2 TFRC数据包的内容 . 193.1.3 TFRC的工作流程 . 193.2 TFRC应用于流媒体传输时存在的问题及改进. 223.2.1时延抖动对拥塞预警与传输平稳性的影响 . 223.2.2最小发送速率 . 253.3本章小结 . 264基于无线网络的 TFRC拥塞控制机制的优化及系统设计 .274.1无线网络下 TFRC拥塞控制机制优化. 274.1.1无线网络环境对 TFRC的影响 . 274.1.2丢包区分机制 . 28IV 重庆大学硕士学位论文目录4.1.3基于 ECN-TCP的 TF-WMRC机制. 304.2基于 TF-WMRC的流媒体拥塞控制系统的设计. 354.2.1基于 ECN-TCP的 TF-WMRC在 Linux系统下的实现. 364.2.2发送端的设计 . 384.2.3接收端的设计 . 394.3本章小结 . 415实验及分析 . 425.1实验环境的建立 . 425.1.1网络拓扑结构 . 445.1.2实验的软硬件环境 . 455.2改进后的 TF-WMRC实验结果分析. 455.2.1网络效率分析 . 455.2.2 TCP友好性分析. 465.2.3流媒体播放平稳性分析 . 485.2.4流媒体播放效果分析 . 505.3本章小结 . 516总结与展望 . 526.1总结 . 526.2展望 . 52致谢 . 54参考文献. 55录. 58附A.作者在攻读学位期间发表的论文目录. 58B.作者在攻读学位期间参与的科研项目. 58V 重庆大学硕士学位论文1 绪论1 绪论1.1研究背景及意义随着互联网的高速发展与广泛应用，特别是高速通信技术日渐成熟，互联网上信息的容量呈爆炸式增长。简单的文本阅读和图片浏览已经不能满足人们对于信息日益增长的需求，于是大量网络音视频内容开始以流媒体的形式出现在互联网上。传统互联网主要提供的网页浏览、文件上传下载服务、收发电子邮件服务等应用绝大部分都是以 TCP协议为基础而建立的。互联网的稳定性由 TCP的可靠性和稳定性特征保证。TCP的这种可靠的性质是互联网得以广泛应用的关键原因之一，TCP协议通过“三次握手”1保证了通信的可靠性，在网络产生拥塞的时候，TCP协议应用其自身的拥塞控制机制将数据发送端的发送速率减小以缓解网络的拥塞状况，减轻网络负担，保证网络系统的稳定。目前，普遍使用 UDP协议作为流媒体传输协议，但是 UDP协议作为一种无连接的传输层协议，其本身没有提供拥塞控制机制。由于流媒体传输需要占用大量的网络资源，当有限的网络资源被流媒体传输所占据时，缺乏 TCP友好性的拥塞控制机制会严重影响网络的稳定性和可靠性。因此，提供必要的拥塞控制机制，对于网络数据传输是非常重要的。TCP协议拥有其自身的拥塞控制机制，所以当TCP流和 UDP流同时在网络中传输时，一旦发生网络拥堵，TCP流会降低发送速率以缓解拥堵2，然而 UDP协议由于不提供拥塞控制机制，在网络发生拥堵的情况下，并不会降低发送速率，这样导致的结果就是 UDP流占用了大部分网络带宽，对本身需要稳定传输的 TCP流产生了严重影响，甚至造成网络瘫痪。伴随流媒体技术的不断发展，在线音视频服务、网络电话、视频会议、远程教育等应用在网络传输中所占的比例越来越大，但是网络传输速度和质量制约着流媒体业务的发展。据统计， 2013年下半年全国固网宽带用户平均下载速度为451.84KB/S3，在线观看一部高清视频几乎会占用全部的网络带宽资源，假如此时用户同时使用基于 TCP协议的应用，必将导致 TCP流和 UDP流的不公平竞争。这不但影响 TCP服务的稳定性，也影响了流媒体在接收端的正常播放。流媒体的高质量播放需要流媒体数据在传输的过程中有很高的平稳性和连续性，否则会产生停顿、花屏、音视频不同步等影响4。因此，一种具有 TCP友好性的拥塞控制机制可以有效解决流媒体数据传输过程中网络资源的公平竞争问题。以往针对流媒体拥塞控制的研究主要是为有线网络环境设计的，有线网络有带宽时延积低和信道误码率低的特点5。与有线网络相比，无线网络由于其物理链1 重庆大学硕士学位论文1 绪论路的复杂性，无线信道状态多变，易受外界的干扰和影响，其稳定性远低于有线网络，造成了无线网络数据包丢失原因的多样性6，而传统的拥塞控制机制主要是针对网络拥塞提出的，所以当数据包的丢失原因不是网络拥塞时，拥塞机制错误启动会使发送速率降低，造成网络带宽的浪费，传输时延的增大，网络吞吐量的下降，影响网络传输性能。因此，针对无线网络的特点，研究一种既能保证网络资源的公平分配又能保证流媒体服务质量的拥塞控制机制有着重要的实际意义。1.2国内外研究现状目前，为解决流媒体传输的公平性问题和保证流媒体传输的质量，国内外的研究者门提出了 TCP友好协议。TCP友好性的定义：在丢包率、往返时延相同的情况下，如果 TCP流的吞吐量长期大于非 TCP流的吞吐量，则认为此非 TCP流是 TCP友好的7。国内外普遍研究的 TCP友好协议分为两类：基于窗口的拥塞控制方法和基于速率的拥塞控制方法，其区分标准是根据调整负载的方式8。基于窗口的拥塞控制会根据拥塞情况调整发送和接收端的拥塞窗口的尺寸，当发生拥塞时，减小窗口尺寸，当没有拥塞时，增大窗口尺寸9。一个数据分组或数据分组的确认被接收时，会增加一个时隙，传输一个数据分组需要使用一个时隙，仅当存在不被占用的时隙时，才能发送数据分组 10。基于窗口的拥塞控制机制在应用时可能会产生突发流，不太适合于流媒体数据的传输11。基于窗口的 TCP友好拥塞控制机制有 Rainbow、MTCP、BCCA等。基于速率的拥塞控制又分为 AIMD方式和基于模型的方式8，由于 AIMD方式采用类似于 TCP拥塞控制机制，在拥塞发生时会大幅减小发送速率，产生类似锯齿状拥塞窗口12，因此并不适合于流媒体传输；而基于模型的方式通过调整发送速率与平均 TCP吞吐量相匹配，取得了更平滑的速率变化13控制机制有 RAP、LDA+、TFRCP、TFRC、TEAR等。基于速率的拥塞虽然暂时没有完善的针对无线网络的流媒体拥塞控制传输协议，但是经过近几年的研究，已经有如 TFRC、TFRC-Veno、MUL-TFRC等方法致力于优化无线网络环境下流媒体传输拥塞控制算法的性能。TFRC协议于 2003年由 IETF组织推出14，它采用了 TCP吞吐量公式来调整发送端的发送速率，其基本思想是在接收端将计算出来的数据包丢失率作为拥塞信号反馈给发送端，发送端利用返回的信息计算出 RTT（Round-Trip Time），即从发送端发送数据开始，到发送端收到来自接收端的确认（接收端收到数据后便立即发送确认）总共经历的时延15，将这两个数据代入 TCP吞吐量公式中，计算出2 重庆大学硕士学位论文1 绪论发送端的最佳发送速率，发送端根据计算结果调整发送速率以控制网络拥塞状况。基于 TFRC的 TFRC-Veno通过估算传输网络中瓶颈链路上路由器缓冲区的数据包排队数 N来判断网络中的丢包情况16， N的计算如下：N = X *(R- Rmin)(1.1)其中 X为发送端发送数据的速率， R为 RTT往返时延， Rmin为测得的最小往返时延。TFRC-Veno以 N为标准判断网络中的丢包情况16，假如 N a，则说明当前丢包主要是拥塞丢包，发送端应减小发送速率；否则，假如 N b *Rmin时，MUL-TFRC减少 TFRC流的数量，其中 Ravg为平均往返时延， Rmin为测得的最小往返时延， b是常数，通常取值为 0.2；否则，增加TFRC流的数量，通过这样的方式调整网络传输速率，缓解拥塞情况。经过分析以上几种 TCP友好拥塞控制协议，发现普遍存在着以下问题：现有拥塞控制协议对于流媒体传输的友好性不足，仅仅做到了缓解网络拥塞，但并不保证流媒体服务的质量。现有拥塞控制协议在无线网络环境下的适应性不足，不能很好地区分拥塞丢包和无线误码丢包，导致拥塞控制机制对网络的调节过度，影响网络的整体性能。1.3本文研究内容及论文组织结构本文在研究了无线网络的特点、流媒体传输技术、流媒体传输拥塞控制机制的基础上，分析了现有流媒体传输拥塞控制机制的不足，并作了相应的改进，针对无线网络的特殊性，在 TFRC协议的基础上，提出了新的区分拥塞丢包和无线误码丢包的方法，完成了无线流媒体拥塞控制系统的设计。本论文分为 6章，各章节内容安排如下：第一章首先介绍了选题的背景和意义，然后分析了基于无线网络的流媒体传输拥塞控制的国内外研究现状，最后介绍了本论文的研究内容及论文的组织结构。第二章阐述了无线网络下流媒体传输拥塞控制的相关技术，包括无线网络的特点、流媒体传输技术、流媒体传输拥塞控制机制等内容。第三章介绍了基于 TFRC的流媒体传输拥塞控制的研究内容，包括 TFRC协议机制、TFRC协议应用于流媒体传输时存在的拥塞预警、平稳性和最小发送速率的问题和改进等。3 重庆大学硕士学位论文1 绪论第四章详细介绍了基于无线网络的 TFRC拥塞控制机制的优化及拥塞控制系统的设计，分析了无线网络环境下 TFRC的不足，对比分析了几种丢包区分机制，在此基础上提出了一种新的基于 ECN的拥塞控制机制，并设计了无线网络下的流媒体拥塞控制系统。第五章对改进后的流媒体拥塞控制系统进行了测试，介绍了实验环境的设计和搭建，详细分析了实验结果，实验结果表明改进后的基于无线网络的流媒体传输拥塞控制系统能够使无线网络环境下网络资源分配的公平性和流媒体传输的质量得到提高。第六章对本文的工作进行了总结，分析了存在的问题及下一步的研究方向。1.4本章小结本章首先阐述了选题的背景和意义，然后分析了基于无线网络的流媒体传输拥塞控制研究的国内外研究现状，最后给出了本论文的研究内容及论文的组织结构。4 重庆大学硕士学位论文2无线网络环境下流媒体传输拥塞控制相关技术2 无线网络环境下流媒体传输拥塞控制相关技术2.1无线网络概述随着网络技术的不断发展，传统的局域网、城域网技术已经不能满足使用的需要，而无线网络以其灵活、便利和高效的特点在企业、公共场所、家庭的应用也越来越广泛。无线网络的首次运用出现在二战时期，在上个世纪七十年代才被真正地用于民用领域18，之后 IEEE相继发布了 802.3、802.11、802.11a/b/g/n等无线局域网标准，目前最新的 802.11n标准在传输速率方面可以将 WLAN的传输速率由目前 802.11a及 802.11g提供的 54Mbps，提高到 300Mbps，甚至高达 600Mbps。在无线广域网方面，随着数据通信与多媒体业务需求的发展，适应移动数据、移动计算及移动多媒体运作需要的 4G LTE技术开始兴起。2013年 12月 18日，中国移动在广州宣布，将建成全球最大 4G网络，目前，北京、上海、广州、深圳等16个城市可享受 4G服务，预计到 2014年年底，4G网络将覆盖超过 340个城市。从图 2.1可以看出，无线网络已经成为互联网中的一个重要组成部分，无线网络与有线网络的融合也正是当下企业和科研院所的重要研究方向。无线网络采用的 802.11系列标准和有线网络采用的 802.3标准都是由 IEEE制定，并且无线网络的 802.11系列标准采用的 CSMA/CA共享方式、载波侦听、多路访问和冲突避免协议19与有线网络采用的 802.3中的 CSMA/CD相类似20，这些都是无线网络和有线网络融合的基础。图 2.1有线无线混合网络Fig.2.1 Wired and wireless hybrid networks5 重庆大学硕士学位论文2无线网络环境下流媒体传输拥塞控制相关技术无线网络由于受其物理链路的差异、不稳定的带宽和时延、终端的移动性等因素的影响，有以下特点 21：（1）链路不对称。由于无线网络存在非对称接入方式，因此存在信道的传输速率不对称、路由不对称和丢包率不对称等因素，造成了网络数据流不稳定，时而引起网络拥塞。（2）异构网络的垂直切换。在无线网络中，垂直切换会引起由于网络异构产生的拥塞控制不能自适应网络变化的问题，既浪费网络资源又严重影响 TCP的性能。（3）数据丢失原因多样。由于衰减、噪声、干扰等原因，在混合网络中，数据的丢失并不只因为网络拥塞。因此，当数据丢失并不是因为网络拥塞时，拥塞控制机制无故启动，强制降低数据发送速率，造成带宽资源的浪费，增加了网络时延，降低了网络吞吐量，严重影响网络性能。（4）不稳定性。无线网络是一个动态网络，任何处于无线网络中的节点都有可能随时退出，因此，网络的拓扑结构随时可能变化。在高移动性的无线网络环境中，每当节点位置改变，路由就必须更新以确保路由最优，有可能造成数据包乱序和丢包。目前，无线网络的研究和产品制造正是各网络产品制造商和集成商优先发展的研究重点，以满足移动互联网的高速发展。基于无线网络的流媒体应用更是发展迅速，提供音视频在线服务的各大互联网公司正大力开拓移动终端市场。因此，在无线网络的基础上研究一种既能保证网络资源的公平分配又能保证流媒体服务质量的拥塞控制机制有着重要的理论和实际意义。2.2流媒体技术概述流媒体指的是通过网络采用流式传输的方式传输音视频等多媒体文件的形式22。流媒体的播放只需要经过一段时间的缓冲，用户无需等待文件下载完成即可边下载边使用媒体文件。目前，流媒体被普遍运用于有线宽带，但是随着移动网络的不断发展，特别是 4G网络的诞生，它在无线网络的应用将变得更普遍。流媒体实现的关键就是流式传输，流式传输主要指通过网络传送媒体（如视频、音频）的技术总称，它分为实时流式传输和顺序流式传输23。实时流式传输需要专门的流媒体服务器与传输协议的支持，它支持内容的随机访问，用户可以选择观看的内容。由于实时流式传输保证了媒体信号带宽和网络连接带宽相匹配，当网络状况不佳时，流媒体播放的质量较差。实时流式传输所需的特定服务