（计算机应用技术专业论文）基于阈值限定的多媒体流tcp友好拥塞控制机制研究.pdf

摘要 多媒体流应用目前已成为i n t e r n e t 应用的热点。当前的多媒体流应用仍缺乏 有效的拥塞控制机制，使其在相同网络条件下不能与t c p 流公平的竞争带宽。因 而，针对多媒体流的“t c p 友好”拥塞控制机制是当前计算机网络领域的研究热 点。 本文通过研究发现，当前的许多t c p 友好拥塞控制机制，普遍缺乏对多媒体 流速率阈值限定的考虑，不能较好地适用于多媒流应用。针对这种情况，本文在 基于建模的t c p 友好拥塞控制理论的基础上，增加对多媒体流速率阈值限定特点 的考虑，重点研究t c p 友好与速率阈值限定的权衡问题。 通过对当前典型的几种t c p 友好拥塞控制机制的分析比较，特别是针对 t f r c 机制不适应多媒体流的最低速率阂值限定的特性，本文提出了一种基丁阈 值限定的媒体流t c p 友好拥塞控制机制t c r c ( t h r e s h o l d c o n s t r a i n e dr a t e c o n t r 0 1 ) ，该机制引入了最低发送速率闽值限定和暂态计时器技术，结果表明： t c r c 不会受到突发拥塞的干扰，保证多媒体应用的有效性；同时能有效防止 t c r c 协议流加重链路的持续拥塞；在稳态时获得与t f r c 相当的t c p 友好性。 在t c r c 机制的基础上，本文还提出一种基于多路复用的的t c r c 改进机制 m t c r c ( m u l t i p l e x i n g t c r c ) 。该机制引入基于概率的随机试验技术，以保证 m t c r c 流在多路复用时，通过在适当的时间对部分流的挂起，从而使m t c r c 流的平均吞吐量仍保持t c p 友好。结果显示：在低丢失率的链路中，m t c r c 协 议和t f r c 协议都具有很好的t c p 友好性：在高丢失率的链路中，m t c r c 则比 t f r c 具有更好的t c p 友好性：m t c r c 流能保证运行时的发送速率始终在最低 速率阈值以上，从而保持多媒体流的可用性。 总之，t c r c 及m t c r c 较好地解决了最低速率阈值保证和t c p 友好之间地 权衡关系。在n s 2 模拟平台上的实验证明，t c r c 及m t c r c 与t f r c 具有相当 的t c p 友好性，同时增加了对媒体流阈值限定特性的考虑，因而，更加适合于媒 体流应用。 关键词：多媒体流；t c p 友好；拥塞控制；t c r c ； 基于阚值限定的多媒体流t c p 友好拥塞控制机制研究 a b s t r a c t m u l t i m e d i as t r e a m i n g ( m s ) a p p l i c a t i o n sh a v eb e e nr a p i d l yi n c r e a s e di nr e c e n t y e a r so v e r n t e r n e t c u r r e n tm sa p p l i c a t i o n ss t i l l l a c ke f f i c i e n tc o n g e s t i o nc o n t r o l m e c h a n i s m s ，t h e nt h e yc o m p e t eu n f a i r l yb a n d w i d t hw i t ht c pf l o w s s o ，t h er e s e a r c h o n “t c p f r i e n d l y c o n g e s t i o nc o n t r o lm e c h a n i s m s f o rm s a p p l i c a t i o n si sah o t s p o to f r e s e a r c hi nt h ep r e s e n tc o m p u t e rn e t w o r ka r e a m a n yp r o p o s e dt c p - f r i e n d l yc o n g e s t i o nc o n t r o lm e c h a n i s m s a r en o r m a l l ys h o r t o fc o n s i d e r a t i o na b o u tt h et h r e s h o l d c o n s t r a i n e dc h a r a c t e r i s t i co fm s s ot h a tt h e ya r e n o tp r e f e r a b l yf i tf o rt h em sa p p l i c a t i o n i nt h i s p a p e r ，o nt h eb a s i s o ft h e o r yo f m o d e l b a s e d t c p - f r i e n d l yc o n g e s i o nc o n t r o l ，w e i n c r e a s et h ec o n s i d e r a t i o no f t h r e s h o l d - c o n s t r a i n e dc h a r a c t e r i s t i co fm s ，a n dp a ym u c ha t t e n t i o no f ft h er e s e a r c ho f t r a d eo fb e t w e e nt c p f r i e n d l i n e s sa n ds u c hc h a r a c t e r i s t i c w ec o m p a r et h ec u r r e n tt y p i c a lt c p f r i e n d l yc o n g e s t i o nc o n t r o lm e c h a n i s m s ， a n dp u tm u c he m p h a s i so nt h et f r cm e c h a n i s mw h i c hi sn o tc o n s i d e ra b o u tt h et h e m s st h r e s h o l dc o n s t r a i n e dc h a r a c t e r i s t i c a n dp r o p o s eat h r e s h o l dc o n s t r a i n e dr a t e c o n t r o lm e c h a n i s m sf o rm s c a l l e dt c r c t h i sm e c h a n i s mi n t r o d u c et h em i n i m u n r a t ec o n s t r a i n e dt e c h n o l o g ya n dt r a n s i e n ts t a t et i m e r ，t h er e s u l ts h o wt h a t ，t c r cw i l l b ef r e eo ft h ed i s t u r bo ft e m p o r a r y c o n g e s t i o n ，g u a r a n t e e t h ee f f e c i e n c yo fm s a p p l i c a t i o n s ；a t t h es a m et i m e ，t c r cp r e v e n td a t as t r e a mf r o ma g g r a v a t i n gt h e p e r s i s t e n tc o n g e s t i o n ；a n dt c r c c a ng e ts i m i l a rt c p - f r i e n d l i n e s st ot f r ci ns t a b l e s t a t e w ea l s op r o p o s e dai m p r o v e dt c r ce d i t i o nu n d e rt h em u l t i p l e x i n gc i r c u m s t a n c e c a l l e dm t c r c r m u l t i p l e x i n g t c r c ) w e i n t r o d u c et h e t e c h n o l o g y o ft h e p r o b a b i l i s t i cb a s e dr a n d o me x p e r i m e n t ，s ot h a tt h ea g g r e g a t i o no fm u l t i p l em t c r c f l o w sb e h a v e si nat c p f r i e n d l ym a n n e r r e s u l t ss h o wt h a t ：i nt h el o wi o s s r a t e c i r c u m s t a n c e s ，m t c r ch a v et h es a m eg o o dt c p f r i e n d l i n e s sw i t ht f r c ；w h i l ei n h i g hl o s sr a t ec i r c u m s t a n c e s m t c r c a r eb e t t e rt h a nt f r ci st h et c p f r i e n d l ya s p e c t a n dm t c r cc a na s s u r et h a tt h es e n d i n gr a t ei sa b o v e t h em i n i m u nr a t ei nt h er u n n i n g t i m e ，s ot h em sa p p l i c a t i o nc a nb ea v a i l a b l e ， i naw o r d t c r ca n dm t c r cr e s o l v es o u n d l y t h et r a d e o f fb e t w e e nt h e m i n i m u mr a t et h r e s h o l da n dt h et c p - f r i e n d l i n e s s t h es i m u l a t i o nr e s u l t s i nn s 一2 s i m u l a t o rs h o wt h a tt h e s et w op r o t o c o l sh a v es i m i l a rt c p f r i e n d l i n e s sw i t ht f r c ， l l w h i l et h e ye n h a n c ef u n c t i o n sf o rt h et h r e s h o l d c o n s t r a i n e dc h a r a c t e r i s t i co fm s s o t h e ya r em o r es u i t a b l ef o rm s t h a nt f r c k e yw o r d s ：m u l t i m e d i as t r e a m i n g ：t c p f r i e n d l y ：c o n g e s t i o nc o n t r o l ：t c r c n i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名饼邗目期：飞。q 中年月、1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 日期：1 扣平年3 月) 日 、日期盘”v 寸年；月多7 日 硕士学位论文 第一章引言 近年来，i n t e r n e t 上引入大量的实时视频和音频流应用，如视频点播( v o d ) 、 视频广播、视频会议、远程教学、交互式游戏等。丰富的多媒体流应用对用户有 很强的吸引力，可以预料，多媒体流应用必然会成为未来网络的主流应用。这类 应用的主要特点是：( 1 ) 对时延敏感；( 2 ) 能容许一定的数据丢失；( 3 ) 数据 传输本质上是基于速率。 目前i n t e r n e t 上大多数多媒体实时业务流一般是基于u d p 的。u d p 是一种无 连接传输协议，在传输媒体流方面要比面向连接的t c p 更有优势。u d p 不支持 拥塞控制，所以这些业务流通常都没有进行端到端拥塞控制，或者说，都不是 t c p f r i e n d l y 。这样的业务流过多出现在i n t e r n e t 上，将对i n t e r n e t 产生严重的负 面影响。我们知道，拥塞控制是计算机网络，特别是i n t e r n e t 中的一个重要机制。 广泛的研究及实践使人们认识到，如果缺乏有效的拥塞控制机制将会导致严重的 后果，如拥塞崩溃1 1 1 。1 9 8 6 年1 0 月，由于拥塞崩溃的发生，美国l b l 到u c b e r k e l e y 的数据吞吐量从3 2 k b p s 跌落到4 0 b p s l 2 1 。在那之后，人们在拥塞控制领域开展了 大量的研究工作。拥塞控制算法对保证i n t e r n e t 的稳定具有十分重要的作用。 当今i n t e r n e t 的稳定主要依赖于t c p 的端到端捌塞控制机制。t c p 使用和式 增加积式减少( a d d i t i v ei n c r e a s em u l t i p l i c a t i v ed e c r e a s e ，a i m d ) 基于窗口的拥塞 控制机制。这种拥塞控制机制对i n t e r n e t 上传统的尽力( b e s t e f f o r t ) 型服务如f t p 、 w w w ，具有较好的适应性，但对于当今大量涌现的有实时质量要求的音频和视频 流应用却并不适应。这主要是因为在拥塞时速率减半的策略将引起多媒体数据传 输速率过大的抖动，会明显降低用户可察觉的质量( u s e r p e r c e i v e dq u a l i t y ) 。因 此，按网络拥塞水平适当的调整发送速率更适合发送速率相对稳定( 即相对“平 滑”，s m o o t h n e s s ) 、时延抖动受限的多媒体数据流1 3 】。 一个传输多媒体流的可选方案是利用资源预留( r s v p ) 1 4 j 或区分服务 ( d i f f s e r v ) 【5 】。但是，即使这些技术能够广泛地推广，仍然会有很大的一个用户 群体，他们需要用比较低廉的价格来传输实时多媒体业务，而价格最低廉的服务 正是b e s t e f f o r t 服务。就算在那些支持r s v p 和d i f f s e r v 的网络上，在相同服务 等级中，各个用户享用资源的权利是平等的，所以他们互相之间还是一种 b e s t e f f o r t 服务。可见研究用b e s t e f f o r t 传输多媒体数据是非常有意义的工作1 6 j 。 本文将从分析目前多媒体流的t c p 友好拥塞控制机制研究入手，然后结合多 媒体流的本身特点，试图提出一种更加有效的t c p 友好拥塞控制机制。 基于阈值限定的多媒体流t e p 友好拥塞控制机制研究 1 1 多媒体流的t c p 友好拥塞控制机制研究 当前的i n t e r n e t 主要是利用没有拥塞控制的u d p 传输多媒体业务，文献【7 】 对当前最流行的r e a t n e t w o r k s 公司的商业流式播放器r e a l p l a y e r 分别基于u d p 和t c p 进行了测试，发现诸多使用u d p 的好处，包括拥塞时获得更高的平均带 宽及更加平滑的播放速率等。但由于u d p 没有拥塞控制机制，当基于t c p 的应 用和基于u d p 的应用共享网络资源时，方面，基于u d p 的应用将会占尽所有 的带宽，导致带宽分配的严重不公平1 8 9j 。而另一方面，t c p 又是i n t e r u e t 中的主 要传输协议，它占了整个i p 包的8 3 ，并承载了大约9 0 的i n t e r n e t 通信量【1 0 1 。 因此，为保持i n t e r n e t 的稳定，应对基于u d p 的应用程序增加拥塞控制机制，并 且该机制能够确保u d p 和t c p 数据流和平友好共处。所以，随着以音视频实时 传输为主的多媒体应用在i n t e r n e t 上的广泛开展，“t c p 友好”( t c p f r i e n d l y ) 【1 】作为一种新的拥塞控制机制好坏的评价标准，也日益被大家认可。在本文中， t c p 友好是指：用b e s t e f f o r t 服务传输的多媒体实时流必须与同等条件下的t c p 流的吞吐量近似的、平均的相等。 1 1 - 1t c p 友好拥塞控制机制研究最新进展 近几年来，研究人员相继提出了许多t c p 友好( t c p f r i e n d l y ) 拥塞控制机 制f “圯“。这些新的拥塞控制机制的主要目标是试图与基于t c p 的应用公平的分 享可用带宽。t c p f r i e n d l y 协议主要分为两类：一类是基于a i m d 的，如文献【1 1 - 1 7 】 等，另一类是基于数学模型的，如文献1 8 - 2 1 等。 a i m d 拥塞控制算法最主要特点就是：和式增加积式减小( a i m d ) 的窗口( 速 率) 调节机制，数学式表示为 i ：+ 月+ h + 口； a 0 ( 1 1 ) d ：m m 一芦。；0 卢 1 其中，表示因为在r t t 内接收到a c k 包而引起窗口增加，d 表示遇到拥塞 后窗口减小，w f 是t 时刻窗口的大小，月是r t t ，口，卢是常数。在g a i m d ( g e n e r a l a i m d ) 1 1 6 l 中，主要讨论了这类算法的稳定性和公平性。r a p 1 3 机制模仿了t c p 的和式增加积式减小的拥塞控制机制。并通过接收方的缓存策略来对吞吐量的抖 动进行一定的过滤。但它的速率波动还是比较大，不利于实时多媒体的传输。 l d a 1 2 】机制则利用了目前用于实时流传送的r t p ( r e a lt i m ep r o t o c 0 1 ) 和r t c p ( r e a lt i m ec o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 协议来传送网络参数。源端可利用控制包提供的信 息计算出丢包率和r t t 。t e a r 1 4 i ( t c p e m u l a t i o n a t r e c e i v e r s ) 在接收端维持一个 类似t c p 一样的拥塞窗口，接收端通过到达分组来确定拥塞窗口的增减。接收端 维持拥塞窗口的一个指数加权移动平均值，并且将它除以估计的r t t 以获得个 t c p 友好的发送速率。t e a r 基于速率束发送数据。 a i m d 机制的缺陷在于每个丢包都引起发送速率的减小，对于实时流的控制 不是很合适，会造成接收者感受服务质量的降低。因此，如何平滑地调整非响应 流的发送速率，使之成为t c p 友好的业务流，就成为基于数学建模的控制机制的 研究出发点。 近年来，人们对t c p 流量模型进行了大量的研究。这些模型在一定的参数取 值范围很好的解释了t c p 的吞吐量。文献【2 2 】中推导出a i m d ( 1 ，1 2 ) 控制下的t c p 流量满足 2 币i 雨 ( 1 2 ) 其中，s 是平均包长，t r t t 和p 是稳定状态下的r t t 和丢包率，抽m 是t c p 的重传超时时间。s a l l yf l o y d 等人提出的t f r c 2 1 】( t c p f r i e n d l yr a t ec o n t r 0 1 ) 机制就是根据这个t c p 吞吐量公式来调整服务器端的发送速率，取得了较好的结 果。2 0 0 3 年1 月，t f r c 已正式被i e t f 工作组接纳，成为r f c 3 4 4 8 1 2 3 。 t f r c 机制一方面不像非响应流那样侵略性地抢占可用带宽，而是根据丢失 事件率的减小而平滑的增加发送速率；另一方面，它也不会因为单个包的丢失而 将速率减半造成抖动，只是在多个连续的丢失事件发生后才减小一半的速率，比 较适合实时媒体流的拥塞控制。 表1 1 当前的主要t o p 友好拥塞控制协议的特性 协议阜鼯f拥塞控网络协议t c p 多播制机制支持复杂度友好性 r a p单播速率端到端低有限 u ) a ( + ) 单播速率端到端可接受 t f r c p 单播速率端到端中等可接受 t f r c 单播速率端到端中等 好 l t r c多播 速率端到端中等有限 t r a m多播速率可选低有限 t e a r 多播速率端到端 低好 r l a l p r多播窗口 ， 端到端低好 m t c p多播窗口需要低好 n c a多播窗口 需要中等好 p g m c c多播窗口需要中等好 另外，文献【2 4 对当前t c p 友好拥塞控制机制进行了较为全面的概括。表1 1 3 基于阈值限定的多媒体流t c p 友好拥塞控制机制研究 中概况了当前主要的t c p 友好拥塞控制机制的特性，主要参照文献 2 4 。端到端 的机制能完全在端结点上实现，不需要额外的网络支持。注意t c p 友好性一栏中， “好”是指对t c p 没有不公平的行为，“可接受”指在通常情况下有较好的t c p 友好性，但在某些特殊情况下会出问题。“有限”是指在一些比较常见的网络状况 下( 如高丢失率) ，对t c p 有明显的不公平行为。 从表1 f 1 中可以看出，在单播领域中，t f r c 机制的t c p 友好特性最为突出， 且复杂度也不高。t f r c 机制体现优势的关键在于采用的t c p 吞吐量公式能较为 准确的预测可用带宽。基于建模的方法在最近的t c p 友好拥塞控制机制设计中被 广泛采用，成为一个热门的研究领域，并己扩展到了多播领域，如t f m c c l 2 ”， 也已成为i e t f 的f 式草案【2 6 】。还值得一提的是，m i c r o s o f t 公司研究员提出的媒 体流t c p 友好协议m s t f p 27 也采用了基于公式( 1 2 ) 的方法，这也足见其具有 的商业价值。 1 - 1 2 现有机制的缺陷 当前的t c p 友好拥塞控制研究大多集中在为多媒体流提供一种相对稳定( 也 就是相对“平滑”，s m o o t h n e s s ) ，且t c p 友好的发送速率上。但一种可操作性 更好的多媒体流拥塞控制机制，则必然要考虑到多媒体流本身具有的更多约束特 性。 我们知道，实时多媒体流业务通常只能工作在一定的速率范围之内，即 r 。s r 。s r 。这是由实时多媒体流业务的编码速率决定的。实时流有一个基 本码速相当于r 胁，当网络可用带宽低于这个码速时，业务实际上已经不可用了 ( 不考虑网络中有缓存节点的情况) 。在实时流分层编码的情况下，要获得更好的 接收质量，就要增大r 。但通常情况下分层都有一个上限，也就是码速有一个 上限r 。 这种实时多媒体流特有的速率阈值约束，却常常被t c p 友好拥塞控制机制的 设计者所忽略，他们或者事先假设网络能够承载最低质量的发送速率，如文献 2 8 等，或者只是针对t c p 友好性能进行分析，如t f r c 等。当然，也有设计者明确 考虑到了这种限制，如文献【2 9 3 0 等。文献 3 0 对路由器r e d 机制进行加强， 对标记的和不标记的流量进行不同的处理，并结合端到端的控制机制，从而支持 多媒体流的最少带宽保证。这种基于路由器的方法成本比较高，目前的因特网还 无法在很大范围内支持这类方法。而文献 2 9 贝j j 在r 。c r 。时采取最简单的做法： 将r 。，降为0 ，即发送方停止发送数据。这种方法比较脆弱，当遇到一个较大的突 发拥塞时，就会造成数据流停止发送，即使这种突发拥塞只持续很短的时间。 基于以上的考虑，我们认为，如何在t c p f r i e n d l y 与最低发送速率闽值之间 做出适当的权衡策略，提出一种端到端的多媒体流拥塞控制机制，具有一定的研 4 ：。：垩呈：i 型! ： ：= ：= ：=：= = ： 究价值及现实意义。 1 2 实验平台：网络模拟器n s 2 由于本文的所有实验都是在网络模拟器n s 2 上完成，本节将对1 1 s 2 作简要的 介绍。 1 2 1 网络模拟器的动机与历史 随着互联网的快速成长，发展出许多新的网络阱议。在早期，当新的算法或 协议设计完成时，研究人员多借用实验或数学建模的方式，来验证其正确性及性 能。但现在的网络环境越来越复杂，构建一个实验环境变得相当昂贵，而且这个 环境很可能不能运用在下个实验中，更不能为全球研究人员共享；而以数学建模 的方式常常因复杂度过高而难以分析，所以将新的算法以模拟的方式来验证，是 目前较常用的方法。 另一种情况是，在要架设一个新的网络环境之前，必须事先评估网络的拓扑 及带宽是否能满足需求，这时也需要有一套网络模拟软件，事先模拟各种不同的 网络环境，作为决策的参考。 目前已有许多的网络模拟器，商业软件有o p n e t 3 “，b o n e s t 3 2 】，c o m n e ti i i 3 3 1 尤其o p n e t 的支持度相当广泛，几乎包含所有现行网络标准，但需要百万 元以上，非常昂贵。而本文实验采用的n s 。表1 2 给出n s 主要内建模块一览。 表1 2t l a 内建模块一览 i l s 2 应用层h t t p ，f r p ，c b r ，t e l n e t ，o n o f fs o u r c e u d p ，t c p ( r e n o ，n e w r e n o ，s a c k l ，v e g a s ，f a c k ，a s y m ) ， 传输层 r t p ，s r m ，r l m ，p l m 路由协议 s e s s i o nr o u t i n g ，d vr o u t i n g ，d m ，s h a r e dt r e em o d e 网络屡i p 数链层 c s m a c d ，c s m a c a ，8 0 2 1 1 ，t d m a ，m u l t i h o p n s 在应用层的支持度较少，但支持的t c p 版本相当齐全，而且n s 开放源 码，可以任意的增加修改自己想要的功能，所以研究人员一般都使用n s 作为模 拟平台，并且将最新的研究成果提供给n s ，所以n s 版本的更新速度很快，它包 含有许多最新提出的协议，很适合研究工作的开展。 n s 的前身是r e a l ( r e a l i s t i ca n dl a r g e ) 3 4j ，而r e a l 是由n e s t ( n e t w o r k s i m u l a t i o nt e s t b e d ) 3 5 】发展而来。目前n s 几乎每天都有更新，在 h t t p ：w w w i s i e d u n s n a m n s c h a n g e s h t m l 可以看到整个修改的l o g ，了解最新 的功能。目前n s 及内附的n a m 是v i n t ( v i r u a li n t e r n e t w o r kt e s t b e d ) 计划 3 6 1 的 5 基于阈值限定的多媒体流t c p 友好拥塞控制机制研究 一部分。该计划是由d a r p a 赞助，目的在提供完整、趋于真实的网络模拟环境。 发展至今，1 1 s 支持大部分的u n i x 平台( 包括l i n u x ，f r e e b s d 等) ，还有w i n d o w s 。 目前最新的a l l i n o n e 版本是n s a l l i n o n e 一2 2 6 。 图1 2n s 演进史 1 2 2l l s 的运作机制 1 1 s 的特色在于使用两种编程语言的架构，一些比较底层的工作，例如事件的 处理、分组的转发，这些事情需要较高的处理速度，而且一旦完成就很少需要修 改，所以使用c + + 是最佳的选择。另一方面，在做实验时，常需要设定不同的网 络环境、动态调整协议的参数，这些事情使用像t c l 这类的解释性脚本语言将会 有较佳的弹性。n s 使用的是m i t 发展的o t c l ( o b j e c tt c l ) 作为描述、配置、执 行模拟的语言，o t c l 是t c l 的面向对象的扩展版本。n s 透过t c l c l 来连接两种语 言之间的变量及对象，在两种语言的特性互补下，使得n s 成为兼具高效和弹性 的网络模拟器。 因此，我们的研究基于该平台，所有的实验都是在最新的版本n s a l l i n o n e 2 2 6 上完成。 1 - 3 本文工作及结构 本文重点研究多媒体流的t c p 友好拥塞控制机制，主要工作归结如下： ( 1 ) 对目前存在的多媒体流t c p 友好拥塞控制机制进行深入研究与分析。 ( 2 ) 对t c p 友好速率控制机制( t f r c ) 进行研究，针对其不适应于多媒体 流的最低速率阈值特性进行改进，提出一种基于阈值限定的t c p 友好速率控制机 制一t c r c ( t h r e s h o l dc o n s t r a i n e dr a t ec o n t r 0 1 ) 。该机制引入了最低发送速 率阂值限定和暂态计时器技术，有效地解决了t f r c 协议在短暂拥塞时出现的不 适用于媒体流应用的问题，同时又保证t c r c 不会加重持续拥塞，保持全局的t c p 友好，从而使媒体流应用不会受到暂时性拥塞的干扰，实现其低优先级服务。 ( 3 ) 对提出的t c r c 机制进行改进，引入基于概率的随机试验技术，以保证 m t c r c 流在多路复用时，通过对部分m t c r c 流的挂起，从而使m t c r c 流的 平均吞灶量仍保持t c p 友好。该机制在低丢失率的链路中，m t c r c 协议和t f r c 协议都具有很好的t c p 友好性：在高丢失率的链路中，m t c r c 比t f r c 具有更 好的t c p 友好性；在不稳定的链路环境中，m t c r c 的性能优于t f r c m t c r c 流能保证运行时的发送速率始终在最低速率阈值以上，从而保持多媒体流的可用 性。 硕士学位论文 ( 4 ) 利用网络模拟器n s 一2 进行模拟，并评估实验结果。 本文共分5 章，结构如下：第一章引言包括当前多媒体流拥塞控制机制的 发展概况，网络模拟器的介绍，本文所做的主要工作；第二章t c p 友好拥塞控 制机制基础包括对t c p 协议的描述，t c p 友好的概念，现有的几种典型t c p 友 好拥塞控制机制，t c p 吞吐量建模理论；第三章基于阈值限定的拥塞控制机制 ( t c r c ) 包括t f r c 机制及其缺陷，t c r c 机制的详细描述，及模拟试验，t c r c 的扩展；第四章一种基于多路复用的t c r c 改进机锘1 ( m t c r c ) 包括相关工作介 绍，m t c r c 机制的详细描述，模拟试验，m t c r c 的可能扩展；最后为结论，总 结全文的工作，并对未来工作提出设想。 第二章t c p 友好拥塞控制机制基础 t c p 【j 3 8 1 ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 是个面向连接的单播传输协议， 用于为大多数的i n t e r n e t 应用传输数据，如w e b 浏览器，e m a i l ，f t p 。它是i n t e m e t 上最广泛使用的传输协议。试图运用在i n t e r n e t 上的其他拥塞控制机制，不得不 在一个t c p 拥塞控制占统治地位的环境中工作，他们应该保持对t c p 流的友好 性。 在本章中，首先简要描述t c p 协议，及t c p 友好( t c p f r i e n d l i n e s s ) 的概 念，然后对现有的t c p 友好拥塞控制机制进行分类，再介绍目前的些典型t c p 友好拥塞控制机制，最后讨论当前具有代表性的基于建模的机制的理论基础：t c p 吞吐量的建模方法。 2 1t c p 协议描述 t c p 用于传输从一个端主机到另一个端主机的字节流。因为底层的路由协议 只提供数据包的路由，所以字节流不得不分成数据段放入单个的包中。在开始传 输数据之前，t c p 在通信的端主机之间建立一条全双工连接。数据段在t c p 接收 端确认以保证端到端的可靠性。如果在t c p 之下的网络层出现丢包，这种丢失行 为会通过缺失的确认信息察觉出来，然后丢失的数据将由t c p 发送方进行重传。 为增加可靠性，t c p 通过使用滑动窗口来提供拥塞控制( c o n g e s t i o nc o n t r 0 1 ) 和 流控制( f l o wc o n t r 0 1 ) 。流控制是数据的接收方调节发送方的传输速率的一种机 制，以便使数据不要到达太快以至于来不及处理。同时，拥塞控制防止发送方发 出的数据超出网络的容量。下面详细介绍t c p 的拥塞控制机制，主要参考文献 2 4 】。 t c p 发送方用拥塞窗口来控制网络中明显未确认数据包的数目，即给定时间 内允许发送的数据量。当发现拥塞，拥塞窗口减小，而没有拥塞时，窗口增大。 在未收到接收方的a c k 之前，t c p 发送方只会按最小的流控制窗口和拥塞窗口 传输分组。一开始，t c p 通过一个慢启动( s l o w s t a r t ) 过程迅速达到一个公平的 网络可用带宽值，而不会向网络发送过多的数据包。在慢启动期间，每个确认使 拥塞窗口尺寸翻一倍( 指数增长) 。在达到一个特定的窗口尺寸阈值或发现第一 个丢包 2 j 时，慢启动过程结束。在慢启动阶段之后，t c p 开始使用和式增加积式 减小( a i m d ) 机制探测额外的可用带宽，并对以丢包为标识的拥塞敏感。一旦 收到a c k ，t c p 发送方就将拥塞窗口以每个r t t 内大约一个分组的速度增长。 如果一个数据分组在一个重传超时值的时间跨度内没有得到接收方确认，发送方 8 硕士学位论文 即认为出现了严重的拥塞，则拥塞窗口将会降为1 ，并且未被确认的分组将被重 传。t c p 又重新进入慢启动阶段。重传超时值对t c p 性能的影响极大，因此它会 在每个r t t 中不断地调整以适应变化。另外，超时是用来探测丢包的另一种机制。 一旦有分组到达，t c p 接收方就会确认按序最后达到的分段，如果中间有分段丢 失，则接收方会在有新分段到达时确认丢失分段之前的分段。因此，分组丢失和 分组重排序会导致重复确认。对同一+ 序号的四个确认，称为三重a c k ( t d a c k ) ， 这是一种很强的信号，指示有一个或更多的分段丢失。因此，发送方将拥塞窗口 减半，并开始重传被认为是已丢失的数据段。 自从t c p 第一个版本的实现，到现在，t c p 已经经历了多次改良。今天，t c p 不同的版本都在使用着，其中最广泛应用的是t c pr e n o 和t c ps a c k 。关于这些 t c p 版本的性能比较及差异，可以参看文献【3 9 】。 2 2t c p 友好( t c p f r i e n d l i n e s s ) 因为目前的i n t e r n e t 上的主要业务都是基于t c p 的，例如，e m a i l ，f t p ， w e b 等，为了满足协议之间的公平性要求，多媒体流的传输协议必须使自己的业 务流的吞吐量与t c p 大致相等，如此就出现了t c p f r i e n d l y 的概念。 在文献 1 】中，t c p 友好的定义如下：如果长时间( 1 0 n g t e r m ) 内一个非t c p 流的吞吐量不超过在相同网络条件下同一路径上的一条与之并存的t c p 流的吞 吐量，则该非t c p 流是t c p 友好的。 在文 2 4 中，作者给出了一个稍微不同的t c p 友好定义( 针对单播流) ：当对 任意一条与之并存的t c p 流，一个单播流所造成的长时间吞吐量下降并不比在在 相同网络条件下同一路径上的一条t c p 流作造成的下降更大，则认为该单播流是 t c p 友好的。 显然，第二个定义具有更多的限制性。定义中的吞吐量强调的是一个非t c p 流与t c p 流竞争而不是与非t c p 流竞争时的吞吐量。 当然，这只是从公平性的角度来定义的。作为一个性能良好的多媒体流传输 协议，也要考虑到多媒体流本身的特点。如果满足了这两个要求，那么这种t c p 友好传输协议就是一种理想的多媒体传输方案。 2 3t c p 友好拥塞控制机制分类 在最近几年中，提出了一些新的拥塞控制方案，例如t f r c 2 1 1 ，t e a r 【1 4 1 ， 用来支持那些不能利用t c p 进行传输的应用。典型的例子是诸如i n t e r n e t 上传输 音频及视频的媒体流应用。这些拥塞控制方案的一个主要目标就是试图以一种公 平的方式与那些基于t c p 的应用分享可用带宽，因而称它们为t c p 一友好 基于阂值限定的多媒体流t c p 友好拥寒控制机制研究 ( t c p - f r i e n d l y ) 的拥塞控制机制。 t c p 友好拥塞控制机制可按照众多特征分类。下面按文【2 4 中的方法进行分 类。 2 3 1 基于窗口与基于速率 基于窗口( w i n d o w b a s e d ) 的机制通过调整一个拥塞窗口来适应性的改变它 提供的网络载荷以保证t c p 友好，这类似于t c p 的拥控机制。而基于速率 ( r a t e b a s e d ) 的机制通过动态的调整传输速率以适应某个指示拥塞的网络反馈机 制，来达到t c p 友好。后者有可细分为简单的a i m d 机制和基于模型的控制机制。 简单的a i m d 机制模仿t c p 拥塞控制的行为，其结果在速率上也如t c p 一样表 现为典型的短期锯齿形态。这导致简单的a i m d 机制对于连续媒体流是不合适的。 而基于模型的拥塞控制使用2 5 2 节中介绍的t c p 模型来估计长时间( 1 0 n g t e r m ) 内的t c p 吞吐量，并将发送速率调整到该估计值。基于模型的拥塞控制能产生更 加平滑的速率改变，更适于媒体流应用。这种方案不会模仿t c p 短期的发送速率， 但在长时间内能保持t c p 友好。基于速率的机制强调的是通过直接对速率的调控 束保证与t c p 流或其他流公平的竞争，所以这种拥塞控制机制也可直接称为速率 控制机制。 2 3 2 单播与多播 单播和多播都应该保证t c p 友好。然而，设计一种好的多播拥塞控制协议的 难度远远大于设计单播协议。理想的多播拥塞控制方案应该能扩展到很大的接收 用户群中，并且应该能够适应接收方的网络异构条件。例如，如果对所有的接收 方，发送方都用相同的速率发送，那必须考虑在网络拥塞时，如何降低发送速率。 这是很重要的，因为在大型多播会话中，接收方可能会出现不相关的丢失。因而 发送方会探测到大量的传输分组的丢失，他们至少是在一个接收方上丢失的。如 果发送方对每个丢失都以降低拥塞窗口响应，那么在某一时间段后，传输将会停 止。这个问题称之为l o s sp a t hm u l t i p l i c i t yp r o b l e m 【4 0 】。不论何时，速率调整都不 能基于某一个接收方反馈的拥塞信患，它应是基于整个接收分布树上的全局拥塞 信息。如果协议没设计好，其性能会变得非常糟糕。 2 3 3 端到端与路由器支持 许多t c p 友好方案都是为尽力服务的网络设计，这样的网络不提供额外的路 由器上的机制来支持协议。因此，他们能很方便的部署在今天的i n t e r n e t 上。这 些方案称为端到端的拥塞控制。他们又可分为基于发送方( s e n d e r b a s e d ) 和基于 接收方( r e c e i v e r b a s e d l 的方法。 在基于发送方的方法中，发送方利用反馈的网络拥塞信息来调整速率或窗口 1 0 硕士学位论文 尺寸，以达到t c p 友好。接收方只提供反馈，