（通信与信息系统专业论文）视频码流分组传输的拥塞控制方法.pdf

视频码流分组传输的拥塞控制方法 摘要 近年来，随着音视频编码和传输技术的不断提升，多媒体业务( 如 v o i p 、视频会议等) 已经在现有的i p 网络中占有非常重要的地位。 由于视频码流有着自身的特点，因此对网络带宽、延时、延时抖动、 丢包率等方面有较为严格的要求，但是现有的通信平台只能提供尽力 而为的服务，并不能很好的满足视频数据的q o s 要求。如果网络发 生拥塞，将会严重的影响视频数据的传输质量，因此对视频码流的传 输采取拥塞控制显得很有必要。现有的拥塞控制方法主要分两类：一 种方法是在现有的网络上，调整码流的速率使其与网络的负载相适 应，这种方法的最大优点是不需要对现有网络作出改动，便于实施； 另一种方法是改进网络内部的机制，弥补现有网络在q o s 方面的缺 陷，现在已经提出了一些较为成熟的应用机制，例如i n t s e r v 、d i f f s e r v 、 m p l s 等。通过对上述两种方法的研究，本文完成了如下的两部分工 作： 1 、现在普遍采用的拥塞控制方法是基于丢包率的速率控制机制， 即根据丢包率的变化调节视频流的发送速率，缓解网络拥塞并提高数 据传输质量，而这种机制存在一定的不足。这些不足表现在：丢包率 不能很好的反应视频数据的重建质量；当链路中多码流时，码流间的 公平性不能得到很好的保证。对此本文提出了一种基于加权丢包率的 分层速率控制方法，该方法采用加权丢包率作为速率调整的依据，弥 补了丢包率在表征视频数据重建质量上的不足，同时，分层的速率控 制在节点层实现拥塞控制，在系统层实现公平性的控制，解决了多条 码流之间的公平性问题。 2 、以视频码流流量的实测包络为基础，提出了视频码流的实测描 述模型。该模型由实测包络上取得的包络切点的描述所构成。由于实 测包络是最贴近码流实际流量的包络，所以实测描述模型不仅可以全 面且确定性地表示视频码流流量所能具有的各种有效状态，而且可以 更为准确地表述流量特征。同时，实测描述模型可以解决r s v p 带宽 优化中所存在的问题，解决i n t s e r v 体系内保障性业务机制中的缺陷。 关键宇：加权丢包率分层速率控制实测包络实测描述模型r s v p c o n g e s t i o nc o n t r o lm e c h n i s mf o r d e os t r e a m t h ed e v e l o p m e n ta n du s eo fm u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n si ni pn e t w o r k s s u c ha sv o i pa n dv i d e o c o n f e r e n c ea r eg r o w i n gr a p i d l ya tp r e s e n t t h e s p e c i a l c h a r a c t e r i s t i c so fv i d e o a p p l i c a t i o n sp l a c e an u m b e ro f r e q u i r e m e n t so n t h en e t w o r k t h er e q u i r e m e n t sc a l lb es p e c i f i e di nt e r m s o fq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) p a r a m e t e r s ，s u c h 嬲t h r o u g h p u t ，p a c k e tl o s s ， d e l a ya n dj i t t e r d u et ot h ec u r r e n ti pn e t w o r kp r o v i d e sb e s t o f f e rs e r v i c e a n dd o e sn o to f f e r a n yq o sg u a r a n t e e s t ov i d e o a p p l i c a t i o n s ，t h e s e a p p l i c a t i o n s p e r f o r m a n c em a y b e a d v e r s e l y a f f e c t e d b y n e t w o r k c o n g e s t i o n n o wt h e r ea r et w oa p p r o a c h e st ob ec o n s i d e r e dt o a d d r e s s t h e s es h o r t c o m i n g s ：o n ea p p r o a c hi st oa d j u s tt h er a t eo fa na p p l i c a t i o n a c c o r d i n g t ot h e e x i s t i n g n e t w o r kc o n d i t i o n s t h i s a p p r o a c h h a st h e a d v a n t a g eo f b e t t e ru t i l i z i n ga v a i l a b l en e t w o r kr e s o u r c e s ( w h i c hc h a n g e w i t ht i m e ) ；a n o t h e r a p p r o a c h i st oe n h a n c et h en e t w o r kw i mm e c h a n i s m s u c ha sr e s o u r c er e s e r v a t i o n s ot h a tac e r t a i nl e v e lo fq o sc a nb e g u a r a n t e e d t oa l la p p l i c a t i o n m a n yn e t w o r km o d e l sh a v eb e e np r e s e n t e d s u c ha si n t s e r v , d i f f s e r v , m p l s b a s e do nt h e s ea p p r o a c h e s t h i st h e s i s p r o p o s e st w on e wa p p r o a c h e st or e s o l v en e t w o r kc o n g e s t i o nt oi m p r o v e t h et r a n s m i s s i o n q u a l i t yo f t h e v i d e os t r e a m 1 t h ec o m m o n a p p r o a c h i nc o n g e s t i o nc o n t r o li sr a t ec o n t r o lb a s e d o np a c k e tl o s s i tm e a n st oa d j u s tt h et r a n s m i s s i o nr a t eo fa na p p l i c a t i o n a c c o r d i n gt o t h ef l u c t u a t i o n so fi t s p a c k e tl o s s ，b u t i ta l s oh a ss o m e s h o r t c o m i n g s t h i st h e s i sd e s c r i b e san e wa p p r o a c hn a m e d a st w o l a y e r r a t ec o n t r o lm e c h a n i s mb a s e do n w e i g h t e dp a c k e tl o s sr a t i o i nt h i sn e w a p p r o a c h ，w e i g h t e dp a c k e tl o s sr a t i o i s a d o p t e dt od e s c r i b et h en e t w o r k c o n g e s t i o na n dt h er e c o v e r yq u a l i t yo f t h ev i d e os t r e a m ；t e r m i n a l - l a y e r r a t ec o n t r o lc a nr e s o l v en e t w o r k c o n g e s t i o na n ds y s t e m 1 a y e rr a t ec o n t r o l 2 an e w d e s c r i p t i o nm o d e l n a m e da se m p i r i c a ld e s c r i p t i o nm o d e li s p r e s e n t e d i nt h i sp a p e r , w h i c hs t e m sf r o mt h ee m p i r i c a le n v e l o po f ad a t a s t r e a m n 坨p r o p o s e d m o d e li s s p e c i f i e s as e to f t a n g e n tp o i n t d e s c r i p t i o n sa st h er e p r e s e n t a t i o no f a n e m p i r i c a le n v e l o p d u e t ot h ef a c t t h a tt h ee m p i r i c a le n v e l o p ei st h et i g h t e s te n v e l o p e ，t h er e p r e s e n t a t i o nc a n r e f l e c tt h ef e a t u r e so fac o m p r e s s e dv i d e ot r a m ca c c u r a t e l ya n du n i q u e l y n l i sm o d e lc a l ls o l v et h ep r o b l e mw i t hr s v pa st ot h ed e c i s i o no nt h e o p t i m a lb a n d w i d t h t ob er e s e r v e d k e yw o r d s ：w e i g h t e dp a c k e tt o s s r a t i o ，： w o - l a y e r r a t e c o n t r o l ， e m p i r i c a le n v e l o p e ，e m p i r i c a ld e s c r i p t i o nm o d e l ，r s v p 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论 本人签名： 处，本人承担一切相关责任。 日期：型壹! 旦! 塑 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位 本人签名： 导师签名： 适用本授权书。 日期： 日期： 视频码流分组传输的拥塞控制方法 1 1 拥塞与拥塞控制 第一章概述 近年来，随着宽带网络的普及，音视频编码和传输技术的不断提升，使得多 媒体业务( 如流媒体、视频会议等) 在现有的i p 网络中占有越来越重要的地位。 但是由于视频数据在数据量、定时关系、数据单元依赖性等方面有着自身的特点， 因此对网络带宽、延时、延时抖动、丢包率等方面有较为严格的要求，但现有的 i p 网络只能提供尽力而为的服务，并不能很好的满足视频数据的q o s 要求。如 果当用户需求大于网络供给时，网络就会发生拥塞。拥塞是一种持续的网络超负 荷状裂“，其最大的特征就是数据流分组报文的丢失，而报文丢失将会对多媒体 数据的传输质量造成较大的影响，因此本文的研究内容是针对视频分组的拥塞控 制，解决拥塞给视频数据传输所带来的影响。 拥塞发生的主要原因在于网络能够提供的资源不足以满足用户的需求，这些 资源包括路由器缓冲区大小、链路带宽容量和中间节点的处理能力。由于现有i p 网络的特点，决定了在网络资源不足时不能限制用户数量，而只能靠降低服务质 量来继续为用户服务，也就是尽力丽为的服务。 拥塞虽然是由于网络资源的稀缺引起的，但单纯增加网络资源并不能避免拥 塞的发生。例如增加缓存空间到一定程度时，只会加重拥塞，而不是减轻拥塞， 这是因为当数据包经过长时间排队完成转发时，它们很可能早已超时，如果源端 设置了超时重发，这些经过长时间排队的数据包还会继续传输到下一路由器，从 而浪费网络资源，并加重网络拥塞。另外，增加链路带宽及提高处理能力也不能 解决拥塞问题，例如，图l - l 中，四个节点之间的链路带宽都是1 m b p s ，传输某 个文件需要一定的时间；当第一个节点和第二个节点之间的链路带宽提高到 l o m b p s 时( 如图1 - l ( a ) 所示) ，如果增大发送的速率，传输完该文件所需时间反 而大大增加。这是因为在路由器l 中，数据包的到达速率大于转发的速率，从而 导致大量数据包被丢弃，源端的发送速度被抑止，从而使得传输时间大大增加。 l m b p s l m b p s 1 m b p s 矛可 囊捌籼器1 ( a )鼬器2 墓剥 同l o m b p s 1 m b l , si m b l 8 同 发送端 接收端 视频码流分组传输的拥塞控制方法 图l l 网络拥塞的示意图1 然而即使所有链路具有同样大的带宽也不能解决拥塞问题，例如图1 2 中， 所有链路带宽都是1 m b p s ，如果数据终端1 和数据终端2 同时向数据终端3 以 1 m b p s 的速率发送数据，则路由器的输入速率为2 m b p s 而输出速率只能为 1 m b p s 从而产生拥塞。 数据终端2 图1 - 2 网络拥塞的示意图2 单纯地增加网络资源之所以不能解决拥塞问题，是因为拥塞本身是一个动态 问题，它不可能只靠静态的方案来解决，而需要协议能够在网络出现拥塞时保护 网络的正常运行。拥塞控制的目的就是将网络中的分组数量控制在低于网络性能 下降时的临界点。也就是将网络的负载控制在其所能承受的范围内。从应用和系 统的角度出发，拥塞控制可分为网络拥塞控制与终端拥塞控制两种控制方法，而 从逻辑上又可分为拥塞恢复和拥塞避免两种控制方式。 1 1 1 终端拥寡控制 终端拥塞控制是根据端到端的测量结果判断当前网络拥塞情况，进而调整自 身的发送速率和突发程度，从这个意义上说，端到端的拥塞控制属于拥塞恢复的 范畴。终端拥塞控制机制是针对具体应用的，与应用程序相结合起来并包括在应 用程序中。这类控制机制通常不关心网络的具体结构而是将整个网络看成一个黑 匣子，根据端到端的测量参数来获取拥塞信息，再根据拥塞信患按一定的策略调 整终端的发送速率，降低网络拥塞路径上的负载，从而达到对网络拥塞的控制。 由于终端拥塞控制机制并不关心网络的具体结构，因此其适合于现有缺乏q o s 的网络中。 1 1 1 1 速率调整 在终端拥塞控制中，普遍被采用的时速率控制机制。速率控制机制试图使一 个视频连接的需求与整个连接链路的可用带宽相匹配，这样可以同时使网络拥塞 最小和包丢失率最小。速率控制机制在p 网络中已被广泛采用，其中最为普遍 视频码流分组传输的拥塞控制方法 的是在t c p 中的基于源端的控制机制，t c p 通过预测网络拥塞状况来调整源端 发送窗口的大小，从而控制发送速率。但是由于媒体数流要保证传输的实时性， 因此t c p 的速率调整方法并不适用于媒体流。 1 1 1 2 视频码流的分组 媒体流采用r t p 、u d p 和p 协议的发送视频信息，视频数据通过r t p 分组 传送，其中一个r t p 数据包包含1 2 字节的头，在头信息后是载荷，即视频信息。 反馈信息通过r t c p 包传送，r t c p 包中包含有接收者报告包( r r ) 和发送者报 告包( s r ) ，这取决于发送该r t c p 包的端系统是否在接收数据的同时也发送视 频信息。报告包通过多播方式周期性地被发送至同样的多播组，即报告包既被送 至源端也被送至多播组中的所有其他目的端。报告包中包含有目的端得到的视频 质量信息，具体包括接收到的最高序列号、包丢失数量、包延时抖动以及时间戳 等信息。 1 1 1 3 速率调整的依据 现在普遍采用丢包率来衡量网络的拥塞状况，并根据丢包率的波动调整速 率。如果包的丢失率超过了某个门限h i g h l o s st h r e s h h o l d ，则表明网络出现了拥 塞；如果包的丢失率低于了另一个门限l o w i o s st h r e s h h o l d ，则表明网络并未出现 拥塞。如果网络出现了拥塞，则降低数据的发送速率，提高数据的传输质量。 h i g h l o s s t h r e s h h o l d 与l o w l o s st h r e s h h o l d 的确定与特定应用、编码方式和具体网 络有关，所以应通过多次的测量获取。 1 1 2网络层拥塞控镧机制 网络拥塞控制则是通过持续性的网络测量获得当前网络特性的描述，并通过 接纳控制等机制维护网络的性能，从这个意义上说，网络拥塞控制属于拥塞避免 的范畴。网络层的拥塞控制主要是改变现有i p 网络尽力而为的机制，为用户提 供有q o s 保证的服务。针对现有i p 网络在q o s 方面的缺陷，i e t f 制定了一系 列具有良好应用前景的服务模型，其中包括：i n t s e r v l 2 1 模型( i n t e g r a t e ds e r v i c e m o d e l ，综合业务模型) 、d i f f s e r v 3 】模型( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c em o d e l ，区分业务 模型) 以及m p l s 【4 j 模型( m u l t i p r o t o c o l l a b e l s w i t c h i n g m o d e l ，多协议标签交换 模型) 等。 i n t s e r v 模型是通过资源预留的方式来实现网络层的q o s ，其定义了三类业 视频码流分组传输的拥塞控制方法 务类别：保障性业务、可控负载业务和尽力而为业务。d i 丘s e r v 模型将网络中的 路由器按照分布位置分成核心路由器与边缘路由器，由边缘路由器记录每条业务 流的状态，核心路由器负责数据包的转发而不记录状态信息。m p l s 采用最简化 的技术来完成第三层交换向第二层交换的转换。m p l s 在i p 数据包前加入固定 长度的包头( 标签) ，不对i p 数据包的内容作任何的处理，因此i p 数据包在核心 交换机转发的过程中只做第二层的交换，加快了数据包转发的速度，减少了时延 和时延抖动。在i n t s e r v 模型中，由于r s v p 能够提供基于流的端到端的质量保 障，即能提供绝对有保障的q o s ，因此适合于实时的多媒体业务。 1 2m a c o m 系统的概述 控制机制性能的好坏与网络测量的准确性息息相关，因此本文中所采用的通 信平台是m a c o m 5 】系统，该系统主要实现基于测量的q o s 控制机制。下图给 出了m a c o m 的系统结构： 尉卜3m a c o m 同i p 网络闻的关系构成 i p 网络可分为核心网与接入网，假设接入网能够满足媒体流通信要求的服 务质量，即核心网的资源紧张是造成端到端的媒体流通信质量不理想的主要原 因。如图l 一3 所示，m a c o m 被部署在i p 核心网边缘，包括三层功能实体： h a s h s e r v e r 、m a 和m t ，分别属于系统层、传输层和终端层。h a s h s e r v e r 为m a 和m t 的正常工作提供了一系列的支撑功能；m a 是m a c o m 的核心部件，位 于核心网与接入网之间，主要完成对核心网性能和流量的监测，进而实现接纳控 制并协调各个m t 的工作；m t 具体实施基于测量的应用层质量控制措施。 1 2 1h a s h s e r v e r h a s h s e r v e r 为m a 和m t 的正常工作提供了一系列的支撑功能。系统层的 h a s h s e r v e r 为m a 和m t 的正常工作提供了一系列的支撑功能，其中常用的服务 视频码流分组传输的拥塞控制方法 是在已知m t 通信地址的条件下查找对应的m a 。例如，在发送端m t 与接收端 m t 建立通信连接前，源m a ( 发送端m t 隶属的m a ) 通过h a s h s e r v e r 提供的 上述服务能准确的得到目的m a ( 接收端m t 隶属的m a ) 的信息，相应的源 m a 与目的m a 构成了一组m a 对，如图1 3 中所示，与端到端的链路对应，核 心网中，连接源m a 与目的m a 的通信链路定义为m a 到m a 的链路，该链路 上的通信数据为多条媒体流的复合流，即图1 3 中的m e d i a r i v e r 。 m a m a 实现的控制层的基本功能是整个m a c o m 系统的核心，部署在核心网 周围的m a 可持续监测网络的服务质量，并由此获得清晰的网络特性描述，例如 m a 对之间可进行相互的主动测量获得该m a 到m a 链路的可用带宽信息。在此 基础上，m a 实现了接纳控制功能并综合m t 反馈来的媒体流服务质量信息，实 现了控制音视频应用服务质量的机制。其具体模块结构及功能如下 姒r 一测量接口l 1 t i i + + l 通信状况分析模块ff 流媒体传输质量分析模块 ， 1 厂_ !厂_ ：；器h 综台分析模块h ，豁卜_ 一l - j = 工= l r 1 ，! 一 l【 嚣h 蝴删器 o j 一 【l 图1 4m a 功能模块结构图 如图所示： m a 接口、h s ( h a s h s e r v e r ) 接口与m t 接口是m a 与m a c o m 系统中其它功 能实体通信的模块；具体丽言，m a 接口负责实现接收m ar i v e r 间的测量与质 量评估的结果。h s 接口负责实现根据目的端m t 定位目的m a 的功能，为查询 源m a 与目的m a 之间混合媒体流的状态提供服务。m t 接口负责实现m a 与 m t 之间可靠的数据及信令的交换功能。 测量接口、通信状况分析、流媒体传输质量以及综合分析模块负载实现指标 体系测量、接纳控制及q o s 评估的功能。 测量接口摸块采用主动发包或被动监测的方式，通过设是一系列的过滤条 件，测量m a c o m 的基础层指标，并将测量结果提供给通信状况分析与流媒体 传输质量分析两个模块。 通信状况分析模块用于刻画m a 到m a 的链路的特性，具体过程为：源m a 视频码流分组传输的拥塞控制方法 采用主动方式向该链路注入一条已知特性的测试数据流，同时在目的m a 观察该 测试数据流的变化，并将测量分析结果反馈给源m a 。 流媒体传输质量分析模块负载监测通信中媒体流的传输质量，具体而言： m a 采用抓包技术设置媒体流数据过滤条件，完成混合媒体流的流量描述，从而 实现流媒体传输质量分析的功能。 接纳控制与协调控制模块分别完成接纳控制机制和对媒体应用服务质量协 调控制的功能，并且综合分析模块是否能得出准确、台理结果在很大程度上影响 着上述控制机制效果的好坏。 在m a c o m 系统的指标体系中，m t 负责传输层与应用层指标的测量，在 应用层指标中，m t 对客观的评估其媒体流的服务质量，并将评估结果反馈到 m a 中的综合分析模块。在这些由m t 反馈上来的评估结果基础上，应用统计学 的理论对其进行分析，可获得混合媒体流的服务质量等级，综合混合媒体流的流 量描述及m a 到m a 的链路的特性，综合分析模块判断出当前混合媒体流性能 质量是否满足要求，并通过协调控制模块控制管理m r 的性能，从而将混合媒体 流维持在稳定且服务质量较高的水平上。协调控制具体完成： 1 ) 当m a 到m a 的链路上可用带宽变化较大时，协调控制模块通过适当的 控制m t 会话的数量来管理混合媒体流的服务质量。此时，m t 通过自身的应用 层控制机制来维护各自的服务质量水平，而没有必要严格执行协调控制模块做出 的决策。 2 ) 当m a 到m a 的链路上可用带宽比较稳定，如果综合分析模块监测到由 于混合媒体流的突发性较高导致其服务质量降低时，协调控制模块通过m t 接口 通知m t 应用各自的应用层控制机制对媒体流进行协调处理，从而维护混合媒体 流的服务质量水平。 m a 中的接纳控制模块完成依据m a 到m a 的链路特性提供安全保障，将混 合媒体流的服务质量维护在一定的水平上的功能。 反馈流量控制 在应用实时控制协议( r r c p ) 的系统中，每个参加会话的终端都产生一条反馈 流，并发送给会话中的其它成员。结果造成反馈流量与会话的成员个数成正比， 在测量与分析都正确的基础上，将反馈流的数据量维持在一个较低的水平是一件 较困难的问题，事实证明，规模越大的多媒体会议系统，其性能维护的问题越复 杂，实现困难也越大。 然而在m a c o m 系统中，所有反馈流均由m t 产生，并汇总到各自隶属的 m a ，m a 在必要的时候将控制信息反馈给特定的m t ，且m a 所产生的反馈流 视频码流分组传输的拥塞控制方法 量与m t 的数量是不相关的。虽然m a 与m t 之间的反馈流量会随着m t 的数量 增加而增长，但是我们由前面提到的假设条件可知，这样的流量在接入网中是非 常有限的，或者只占很小的一部分。换言之，在m a c o m 系统中，能够很好的 支持反馈流量进行控制机制的实现，并且不会对网络测量及服务质量分析产生影 响。 终端层为媒体设备定义了系列功能接口，即如果媒体设备希望加入到 m a c o m 系统控制机制中，只需实现m t 定义的接口功能即可。m t 则是终端层 的模块之一，包括注册、接纳控制信令、参数配置与质量报告等基本功能：注册 实现m t 的信息上传到隶属m a 的功能：接纳控制信令实现m a c o m 系统的接 纳控制机制的信令：参数配置实现应用层质量控制；质量报告实现应用层测量指 标的汇总。m t 在m a c o m 系统中承担终端层接口的功能，其模块结构如图1 5 所示： 图卜5k i 功能模块 m a 接口模块与数据包发送模块实现m t 与网络中其它功能实体信息交换的 功能。m a 接口用于m t 与m a 之间交换m a 到m t 的控制信令、配置参数以、 m t 到m a 的媒体流监测报告及应用层质量评估等信息，协助测量，控制机制的 实现。数据包发送模块实现将媒体流应用数据按照需要的方式发送，简单来说， 媒体流即可按照一定速率发送，也可以将数据包按照一定模式发送，例如将视频 流i 帧的前两个数据包一起发送，其余数据包按照正常模式发送。 m t 初始注册模块实现m t 向m a 的注册功能，通过m a 接口将m t 自身的 信息上传到其隶属的m a ，为m a c o m 系统中接纳控制机制服务。同时，当媒 体流会话结束前，该模块通过m a 接口发送通知其隶属的m a 注销其m t 的信 令。 视频码流分组传输的拥塞控制方法 1 3本文主要的工作与贡献 本文的工作主要分两个方面： l 、在现有缺乏q o s 保证的i p 网络中，解决视频码流分组传输的拥塞控制问 题。现在常见的拥塞控制方法是速率调整，通过调整应用的发送速率使其与网络 的负载相匹配，从逻辑上说属于拥塞恢复的控制方法。不过现有的速率控制机制 存在一定的缺陷，本文基于现有的速率控制机制提出了一种新的分层速率控制方 法，这将在第二章中详细叙述。此外，本文将在第三章中结合m a c o m 系统给 出分层速率控制方法的具体实现。 2 、在提供q o s 保证的i p 网络中，通过r s v p 信令协议申请预留带宽可以为 视频数据提供端到端的保障，从逻辑上说属于拥塞避免的控制方法。本文从r s v p 协议入手，根据视频码流的实测包络提出了视频码流的实测描述模型，解决r s v p 带宽优化所存在的问题。而且，本文简单的给出了实测描述模型在其他方面的应 用，上述内容都将在第四章中详细叙述。 视频码流分组传输的拥塞控制方法 第二章基于加权丢包率的分层速率控制方法 2 1 引言 本章将从拥塞恢复的角度研究现有口网络中针对视频数据的拥塞控制方 法。 在视频码流的分组传输中，网络拥塞将会严重影响数据传输质量，而造成拥 塞的根本原因是网络的可用资源低于视频码流的需求。拥塞恢复的方法是当终端 之间的会话建立之后，终端根据网络的拥塞程度，调节数据的发送速率，使码流 的速率其适应于网络负载的状况，从而缓解网络的拥塞状况，提高视频数据的传 输质量。拥塞恢复是在网络出现拥塞以后，由数据终端实施，因此也称为终端拥 塞控制机制。终端拥塞控制机制的核心是速率控制，现有的速率控制机制分为两 类：由数据发送端驱动的速率控制方法和由数据接收端驱动的速率控制方法。由 数据发送端驱动的速率控制方法是由发送端根据网络的负载变化来调节发送速 率，而由数据接收端驱动的速率控制方法是由接收端根据网络的拥塞状况来选择 合适的接收速率，下文将对两类方法做较为详细的介绍。 2 2 由数据发送端驱动的速率控制方法 在现有由数据发送端驱动的速率控制方法中，主要分以下两类：基于缓冲区 和基于丢包率的速率控制方法。基于缓冲区的速率控制方法是根据节点处数据缓 冲区占有率来度量网络的拥塞情况，并以此作为速率调整的依据；基于丢包率的 速率控制方法使用报文丢失率度量网络的拥塞程度，并作为速率调整的依据。 2 2 1基于缓冲区的速率控制方法 基于缓冲区的速率控制方法【6 】的核心思想就是根据发送缓冲区的数据量占 有率来评估网络拥塞状况，并以此调整发送速率。该方法的目的是控制缓冲数据 量维持在一个预期的水平，当数据量增大并超过一定阈值时，发送端减小视频码 流的发送速率，相应地，当数据量减小并低于一定的闽值时，发送端提高视频码 流的发送速率。 此外，还有一些基于延时和延时抖动的速率控制方法，其实现方法与上述控 视频码流分组传输的拥塞控靠4 方法 制方法类似。 2 2 2基于丢包率的速率控制方法 通常来说，数据包的丢失是由网络的拥塞引起的，并且其丢失的频度是由拥 塞的程度所决定，因此丢包率可蛆反映网络的拥塞状况：同时，数据包的丢失是 造成视频传输质量下降的直接原因之一，因此丢包率也可以作为衡量视频数据传 输质量的个重要标准。在实际应用中，数据终端对丢包率进行实时监测，既可 以了解网络的拥塞状况，也可以通过丢包率来反映视频数据的传输质量。因此， 基于丢包率的速率控制是当前所普遍采用的方法。 在此类方法中，最为典型的是【7 】。基于丢包率的速率控制通常的做法是， 收端设置一个监测模块，对该数据流的丢包率等进行实时监测，并根据丢包率对 网络的拥塞状况做出评估。发端根据网络的拥塞状况，依照速率控制算法完成对 发送速率的调整。 为反映数据流一段时间内的平均性能状况，需要采用低通滤波器对监测到的 丢包率进行平均化，平均化可由下式表示： = ( 1 - 口) 矗一【+ 口6 f 0 蔓口s l式( 2 1 ) 其中6 是当前实际监测到的丢包率。 收端根据丢包率 ，将该数据流的状态划分为三类：轻负载( u n l o a d e d ) 、 满负载( 1 0 a d e d ) 和拥塞( c o n g e s t e d ) 。如下图所示： p a c k e tl o s s ( ) l 图2 - i 数据流状态的划分 根据当前数据流不同的状态，发端会采取相应的自适应措施：当数据流处于 拥塞状态时，降低数据发送速率，让数据流恢复到满负载的状态，以减轻网络的 负载；同样的，当数据流处于轻负载状态下，发端相应地逐步提高数据的发送速 率，直到数据流处于满负载的状态，从而获取较好的数据传输质量。总之，速率 调整的结果就是让数据流趋于满负载的状态。 埘 。 吲 s e d 肿 删 一 州 川 叫l+ 视频码流分组传输的拥塞控制方法 而相应的速率调整将采用a i m d ( a d d i t i v ei n c r e 如em u l t i p l i c a t i v ed e c l e a s e ) 的方式： 矿d = d e c r e a s et h e n ，- m a x r 肛心。) 斗r 11 、 e l s ei fd = i n c r e a s e t h e n ，卜m i n r + v ，民。) 此种调速的方式保证了媒体流的速率控制在( 民。k 。) 的范围内，可以为用 户所接受。同时，下调速率时速率的变化较快，易于有效的改善网络拥塞，而上 调速率时速率变化比较平缓，不会给网络带来较大的拥塞。 上述算法在单播的情况下是比较有效的，但是在组播的情况下，发送端无法 根据某条流的传输质量去调整发送速率，这将会影响其他数据流的传输质量。【7 】 中也针对多播的情况提出一种算法： 对于某媒体服务器，设当前有n 个用户，即存在n 条数据流，其中有凡条数 据流处于轻负载状态，n t 条数据流处于满负载状态，k 条数据流处于拥塞状态， 发端根据下式所示的算法做出速率调整的决镱。 铲坠n d t h e nd 七- d e c r e a s e n e l s ei f 工 t h e nd _ h o l d式( 2 - 3 ) n e l s ed 七- - i n c r e a s e 其中m ，、眠为两个门限值。 总之，基于丢包率的速率控制方法其具体而言就是，当发现丢包率较高，即 网络的拥塞程度加剧，视频码流不能得到所需的带宽，数据终端便可咀通过降低 视频码流的速率，使其与网络的可用带宽相匹配，从而提高视频数据的传输质量； 当发现丢包率维持在一个较低水平，口网络的负载较轻，数据终端便可以通过逐 步的提高视频码流的速率，从而获得更佳的数据质量。这一方法的实质在于，视 频码流根据丢包率的波动对其速率做出调整，使其适应于网络负载。基于丢包率 的速率控制易于在现有的网络中实现，因此得到了较为普遍的应用。 2 3 由数据接收端驱动的速率控制方法 此类速率控制方法中最典型的是r l m 8 1 。在该方法中，发送端将视频数据 分为多个层，每层使用独立的组播组发送。数据开始发送时，接收端订阅第一层 的数据。一段时间后，如果没有经历分组丢失，接收端通过周期性试验性的加入 订阅下一层：如果经历分组丢失，接收端取消最新订阅的层。下图是r l m 的示 意图： 视频码流分组传输的拥塞控制方法 4 ：3 分2 1 c t i i n q 图2 - 2r l m 的原理示意图 不过r l m 存在很多问题，它没有考虑数据流之间的公平性问题，也没有考 虑接收端的加入与离开之间的同步问题，此外，加入的试验的失败会导致其它数 据流的拥塞。 9 】提出了r l c ，对r l m 做出了很大的改进。为了减少编码复杂度和层的数 量，r l c 提出了一种层分配方案：按指数递增分配每层的带宽，加入层的等待 时间也呈指数增长。一旦发生分组丢失，接收端立即取消新订阅的层，从而使接 收速率减半：在没有分组丢失的情况下，接收速率随加入新层的等待时间成比例 增加。 为了改善接收端之间的同步问题，r l c 要求接收端只有在同步点才能加入 新层，每层的同步点数量呈指数递减。这样，刚加入的接收端可以在一段时间后 赶上订阅了较高层的接收端，从而使相同瓶颈后的接收端可以同步的做出加入与 离开的决策。r l c 在相邻的同步点之间定义了段突发周期，在这段时间内， 发送端将每层的发送速率加倍。接收端检测到拥塞，就不会进行加入试验，减轻 了加入试验失败产生的额外拥塞。 不过r l c 仍然存在缺陷。首先它的速率调整比较粗糙，指数分层只允许接 收速率加倍和减半，使接收端无法充分的利用带宽，同时也可以导致r l c 流量 之间的不公平行为。此外r l c 要求数据支持分层。 为了改善r l c 的缺陷，1 0 1 提出了f l i d d l 。f l i d d h 引入了动态分层的 方案，减少了加入和离开延时。在动态分层中，层占用的带宽随时间减少，接收 端必须定期加入新层来维持接收速率，只要接收端不加入新层就可以减少接收速 率；但是为了增加接收速率，接收端需要加入多个新层，经过一段时间后，某层 的速率可能为0 ，f l i d - d l 定义了一个层的静止期，经过静止期后，速率降为0 的层将被重用，从而减少了层的数量，减轻了组管理和路由协议的压力。 2 4 现有的速率控制方法存在的问题 2 4 1 公平性问题 视频码流分组传输的拥寒控制方法 下图给出了i p 网络环境下视频通信系统的典型结构。 端 端 图2 - 3i p 网络环境下视频通信系统的典型结构 从图中可以看到，通常情况下网络中某条连接链路中是存在多条视频流，即 在一个接入点有多个视频数据发送端，在另一接入点有其对应的视频数据接收 端，视频流的传输与接收为同一通路，而且视频流之间是相对独立的。上述的速 率控制方法只考虑到了一个发端的情况，并未考虑到多个发端的情况。同时，终 端拥塞控制机制往往是相互独立的( 例如，某条视频流通过拥塞控制判断出当前 网络负载较轻，做出增加源端的发送速率的决筻，显然，这项决策并没有同网络 上现存的其它视频流进行协商) ，容易形成突发性很强的媒体混合流，不利于改 善网络的服务质量。同时，如果网络出现了一定程度的拥塞，每条视频码流的速 率调整相对独立，流之间缺乏有效的协调，这将导致各条流速率调整结果的不同， 出现码流占用网络带宽的不公平性。 - 我们在研究中发现，路由器现有的队列管理机制是造成不公平性的根本原 因。以基于丢包率的速率控制方法为例，每条视频流对其丢包率的监测是独立的， 在一个时间段内，网络出现了一定程度的拥塞，在现有的路由器队列管理机制f 例 如d r o p t a i l ) 下，一部分数据包会被丢弃。由于数据包到达路由器队列的随机性， 这样的队列簪理机制将导致各条流的丢包数也不尽相同，这就直接造成了在该时 间段内各视频流的丢包率不同。由于速率的调整是以丢包率为参照，因此在不同 的丢包率情况下，各条流将会做出不同的调速策略。在同样的网络状况下，某些 流调高速率，而某些流却降低速率，这样一些视频流将会占用过多的网络带宽， 对其他流的传输质量造成较大的影响。图2 4 给出此类情况的一个示例。两条流 的初始速率相同，但是从图中可以看到，由于监测到丢包率的不同，第一条流的 速率得到了提升，而第二条流的速率则不断被调低，但是其丢包率仍维持在较高 水平，重建质量( 视频数据在接收端解码还原后的质量) 并未得到较好得改善，最 终两条流获取的带宽出现较大的差异，导致了不公平性。 视频码流分组传输的拥塞控制方法 图2 - 4 不公平性的典型示例 丢包率在寰示数据传输质量时的缺陷 在基于丢包率的速率控制方法中，丢包率是作为衡量网络拥塞状况的重要依 据。通过对视频码流速率的调整，使其丢包率维持在一定水平，从而保证数据的 传输质量。在现有的速率控制方法中，数据流丢包率的监测方法是：在一个时间 段t 内，监测到丢失和应到达的数据包数分别为n t 、 ，则该数据流在这个时间 段内的丢包率为，= 土1 0 0 。 胛 但是，对视频数据流的速率控制而言，其目的就是减少数据报文的丢失，将 数据的重建质量维持在一个较好的水平。但是将丢包率维持在一定水平，就不一 定能保证视频数据的重建质量维持其相应的水平，这是由视频数据的特点所决定 的。在视频数据的压缩编码过程中，由于采用了运动估值、运动补偿以及预测编 码等技术，导致了视频码流的数据单元之间有较强的关联性。例如在m p e g 2 和 h 2 6 3 + 等常用压缩编码方法中，一定长度的数据帧序列构成了图像组( g o p ) ， 而一个图像组则由一个i 帧和一系列p 、b 帧构成，而i 、p 、b 等类型的帧体现 了数据单元之间的关联性。在一个g o p 中，i 帧采用帧内编码，数据量通常较大， p 帧根据前面相邻的i 或p 帧进行前向预测编码，b 帧根据前后相邻的l 或p 双 向预测编码，数据量通常较小，这种关系可由图2 5 所示。 视频码流分组传输的拥塞控制方法 图2 - 5 视频编码的预测关系 在图中，i 帧和p 帧作为参考帧，关联帧的数据对其具有较高的依赖性。如 果i 、p 帧数据出现报文丢失，不仅自身数据难于解码重建，而且也影响其关联 数据的重建，即出现了差错传播。现有的速率控制方法采用丢包率作为速率调整 的依据