（通信与信息系统专业论文）流媒体传输中的速率控制机制研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：直至篮e l 期：三竺翌：兰：竺 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或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；本人授权山东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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：查至重导师签名： 摘要 目前计算技术以及互联网的高速发展为在互联网上提供流媒体服务提供了技 术基础。同时，随着3 g 网络以及n g n 网络的发展，无线网络中的流媒体应用也迅速 发展起来。 流媒体业务在网络中主要依赖于u d p 协议，随着大量流媒体业务在网络中展 开，u d p 流所占全部流量的比重将越来越大。虽然相对于t c p 而言，u d p 更加适合流 媒体传输业务，它却有致命缺陷，因为无法提供拥塞控制，它在网络中将会强占 可用带宽，造成其他流长时间处于饥饿状态。当用户需求超出网络的容纳能力时， 网络就会发生拥塞，严重的话甚至会造成整个网络的瘫痪。这种情况在网络资源 极其有限、网络环境更加恶劣的无线环境中造成的影响更是无法想象。选择一种 新的传输层协议代替u d p 应用于流媒体传输已经迫在眉睫。 数据报拥塞控制协议( d c c p 协议) 继承了t c p 和u d p 的优点，摈弃了两者的缺点， 是完全针对流媒体应用提出的一个传输层协议，旨在代替u d p 应用于流媒体传输。 但是d c c p 协议中已有的拥塞控制算法主要还是针对有线环境提出的，不大适合链 路错误率高、带宽延迟积大的无线环境。本文对已有的d c c p 协议进行了分析和改 进，并添加了一个新的拥塞控制算法i m - r c s ，使两者有机结合，为无线环境中的流 媒体传输提供更加有效的保障。本文的主要内容包括以下几个方面： 1 ) 流媒体技术原理。分析并研究了流媒体传输的关键技术，如应用层q o s 、传输 协议、流媒体服务器等等，并根据应用层q o s 实现机制的不足以及d c c p 协议 的特点，提出了将应用层速率控制转移到传输层与d c c p 相结合的思想。 2 ) 根据当前u d p 协议应用于流媒体传输存在的若干问题，研究了适用于流媒体传 输的数据报拥塞控制协议- - d c c p 协议，由于该协议在无线环境中的性能有待提 高，本文对适合于无线环境中速率控制的r c s 算法进行了改进，并将其与d c c p 协议结合，使i ) c c p 更加适合于无线环境中的流媒体传输。 3 ) 基于嵌入式平台实现了流媒体视频点播系统，同时分析了系统实现过程中存在 的问题以及解决方案，对流媒体系统有了整体确切的认识，同时为以后的理论 研究及实际应用打下了良好的基础。 关键词：r t p r t c p ；流媒体；d c c p ；r c s ；拥塞控制；q o s 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e c e n ta d v a n c e si nc o m p u t i n gt e c h n o l o g ya n dh i g h s p e e dn e t w o r kh a v em a d ei t f e a s i b l et op r o v i d es t r e a m i n gm e d i as e r v i c e so v e rt h ei n t e m e t m e a n t i m e ，w i t ht h e d e v e l o p m e n to f3 ga n dn g n s t r e a m i n gm e d i as e r v i c eo v e rw i r e l e s sn e t w o r k sa l s oh a s d e v e l o p e dg r e a t l y n o w a d a y s ，n e a r l ya l lt h es t r e a m i n gm e d i as e r v i c e sa r cb a s e do nu d p u d pi s m o r es u i t a b l ef o rs t r e a m i n gm e d i at h a nt c p b u ti ta l s oh a sd e a d l yp r o b l e m 1 1 1 a ti s u d pd o e sn o ts u p p l ya n yc o n g e s t i o nc o n t r o l ，s oi tc a ng e tt h ea v a i l a b l eb a n d w i d t hi n t h en e t w o r ki tw a n t s ，a sar e s u l t ，i tc a np u to t h e rf l o wi n t ot h es t a t eo fs t a r v a t i o nf o ra l o n gt i m e m o r e o v e r t h en e t w o r km a y b ec o n g e s t e do re v e nc o l l a p s e d t h i sp r o b l e m w i l lb em o r es e r i o u si nt h ew i r e l e s sn e t w o r kw h e r et h ee n v i r o n m e n ti sw o r s ea n dt h e r e s o u r c ei sm o r el i m i t e d s o ，i ti su r g e n tt of i n dan e w p r o t o c o lt or e p l a c eu d p d c c pp r o t o c o lh a st h ea d v a n t a g e so ft c pa n du d p ，d i s c a r d i n gt h es h o r t c o m i n g s o f t h e m b u tt h ec o n g e s t i o nc o n t r o la l g o r i t h m si ni ta r ed e s i g n e df o rw i r e dn e t w o r k , a n d i ti sn o ts u i t a b l ef o rw i r e l e s sn e t w o r kw i t hh i g hl i n ke r r o rr a t ea n dl o n gt r a n s m i s s i o n d e l a y 1 1 1 i sp a p e rc o m b i n e sd c c pw i t hr c s w h i c hi sn e wm t ec o n t r o ls c h e m ea n d s u i t a b l ef o rr a t ec o n t r o li nw i r e l e s sn e t w o r k , m a k i n gd c c pm o r er e l i a b l ef o rt h e s t r e a m i n gm e d i at r a n s m i s s i o nc o n t r o li nw i r e l e s sn e t w o r k s f o l l o w i n g a r ct h em a j o rc o n t e n t so f t h i sp a p e r ： np r i n c i p l eo f s t r e a m i n gm e d i at e c h n o l o g y s o m er e s e a r c ho nt h ek e yt e c h n i q u e s a b o u ts t r e a m i n gm e d i at r a n s m i s s i o n ：a p p l i c a t i o nl a y e rq o s ，t r a n s p o r tp r o t o c o l ， s t r e a m i n gs e r v e r ，e t c a c c o r d i n gt ot h el i m i t a t i o no f a p p l i c a t i o nl a y e rr a t ec o n t r o l ， w ep r o p o s et om o v ei tt ot r a n s p o r tl a y e ra n dc o m b i n ew i t hd c c p 2 ) r e s e a r c ho nt h ed c c pp r o t o c o l ，w h i c hi sm o r es u i t a b l ef o rs t r e a m i n gm e d i a t r a n s m i s s i o n ，a n dr c sa l g o r i t h m ，w h i c hi sm o r es u i t a b l ef o rw i r e l e s ss t r e a m i n g m e d i at r a n s m i s s i o n i nt h i sp a p e r , w ec o m b i n ed c c pw i t hi m p r o v e dr c s ，s ot h a t t h ea b i l i t yo f d c c pi nw i r e l e s sn e t w o r ki si m p r o v e dg r e a t l y 3 、i m p l e m e n t a t i o no fs t r e a m i n gm e d i av o ds y s t e m ：m u l t i f u n c t i o ns e t - t o p - b o x i n t h es a m et i m ew eg i v es o m ea n a l y s i sa n dt h er e l a t i v es o l u t i o nt ot h ep r o b l e m s e n c o u n t e r e di nt h i sp e r i o d ，w h i c hi st h ef o u n d a t i o nf o rt h ef u t u r ew o r k k e yw o r d s ：r t p r t c p ，s t r e a m i n gm e d i a ，d c c p ，r c s ，c o n g e s t i o nc o n t r o l ，q o s 2 山东大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 在经历了2 0 0 0 年前后的火爆后，流媒体技术曾一度低迷。近年来，随着宽带 接入的迅速普及及3 g 应用的日益走近，流媒体技术再次成为发展的焦点 卜5 。流 媒体技术可广泛用于视频点播、实时视频会议、i p t v 、网上新闻发布、电子商务、 远程医疗、在线直播、网络广告等领域，它彻底改变了传统互联网只能表现文字 和图片的缺陷，可以集音频、视频及图文于一体。 流媒体技术的迅速发展依赖于因特网的迅速发展，因特网无处不在的成功发 展很大程度上取决于t c p i p 协议族技术 6 8 。设计i p 协议 9 的明确目标即在最 大范围内支持各种不同种类的网络实体进行信息交互，使得不同的网络可以在全 球范围内广泛互联。为了更好地支持业务的应用需求，通常要由比i p 层更高的传 输层来控制和提高这种b e s te f f o r t 业务的端到端性能。传输层协议是用户应用层 与网络层( i p 层) 之间的接口。虽然传输层协议提供的是面向用户的业务，但它 们的设计是以适应网络特性为目标。因此，提高传输层协议的性能，对提供满足 因特网各种应用要求的服务、适应底层链路的不同特性，具有重要的意义。 因特网高速发展的同时，无线通信也迅速发展起来，包括3 g 、4 g 、w l a n 等技 术的迅速发展，为流媒体技术在无线领域的应用提供了广阔的空间 1 0 。 当前网络上最为流行的t c p 协议，由于其拥塞控制机制 1 1 - 1 3 ，成功地应用 于块数据的传输，如文件、图片等，这些应用对数据传输的可靠性要求极为严格， 而对传输的实时性则没有明确的要求。因此，t c p 协议不适合于实时性要求极高， 而对数据的可靠性可适当放宽要求的流媒体应用。当前流媒体应用几乎都采用u d p 协议，虽然u d p 协议能够保证应用的实时性，且简单实用，但是由于u d p 自身不提 供任何的拥塞控制功能，随着网络上u d p 流的日益增加，必然造成对t c p 流的不公 平性，可能使t c p 流长期处于饥饿状态，严重的可能造成网络的瘫痪，造成不可估 量的后果。研究者们在分析了问题和比较了各种可能的解决方案后提出一种新的 传输控制协议一数据报拥塞控制协议( d a t a g r a mc o n g e s t i o nc o n t r o lp r o t o c o l 3 山东大学硕士学位论文 d c c p ) 1 4 1 6 。d c c p 结合了t c p 和u d p 的优点，适合于那些不需要t c p 那样的按序 和完全可靠的传输，但是又希望采用某种t c p 友好的拥塞控制算法的流媒体应用。 它具有可靠的建立和拆除连接的管理和灵活的拥塞控制策略。 随着无线网络的迅速发展，如3 g 、卫星通信、w l a n 等，无线流媒体也随之发 展起来。无线流媒体和普通流媒体的最大区别是可用的网络带宽更加有限，传输 环境更加恶劣，如更大的传输延迟以及时延抖动，网络的错误率也比有线环境中 更高。 d c c p 中现有的拥塞控制算法都是针对有线环境提出的，因而造成d c c p 在无线 环境中的传输性能不是很好。本文针对d c c p 在流媒体应用方面的优缺点，给出了 相应的解决方案。 1 2 流媒体技术发展现状 1 2 1 有线流媒体技术发展现状 相对于下载后观看的网络播放形式而言，流媒体的典型特征是把连续的音频 和视频信息压缩后放到网络服务器上，用户边下载边观看，而不必等待整个文件 下载完毕。由于流媒体技术的优越性，该技术广泛应用于i p t v 、视频点播、视频 会议 1 7 、远程教育 1 8 、远程医疗和在线直播系统 1 9 中。 通过下图i p t v 用户的迅速增长，可以看到流媒体应用的迅速发展及其广阔的 前景。 4 墨4 霉2 征s 军2 。，6 军2 c ? 露 图1 1 国内i p t v 用户增长速度 强孙烈m聪弦。 山东大学硕士学位论文 作为新一代互联网应用的标志，流媒体技术在近几年得到了飞速的发展。而流 媒体服务器又是流媒体应用的核心系统，是运营商向用户提供视频服务的关键 平台。其主要功能是对媒体内容进行采集、缓存、调度和传输播放，流媒体应 用系统的主要性能体现都取决于媒体服务器的性能和服务质量。因此，流媒体 服务器是流媒体应用系统的基础，也是最主要的组成部分。流媒体领域占据重 要位置的三个厂家是r e a l n e t w o r k s ，a p p l e 和m i c r o s o f t 。它们各自的产品及特 色如下表所示： 表1 1 当前主要流媒体产品 表1 2 当前主要的流媒体格式 公司文件格式媒体类型 微软 a s i y ( a d v a n c e ds t r e a t n v i d e o ，k m s a g f f o r r x x a t ) 一 蹦假e a l v i d e o ) a 4 0 l c 1 i c a t i o n x - t o n - 4 e a l n a e d i a r a ( r e a la u d i o )a u d i o x - p n - r e s d a u c l l o r c a ln e t v v o r l c s r p ( r e a lp s i )h a 9 6 ，v n dr n - r e a l p a c r t ( 1 ；t e a lt e s t ) t e ，吐，v n d m r e a 】t e 砒 m o v ( q 血c k t i r n em o v i e )v i d e o l q u i c k t 妇e a p p l e q t ( q u i c k t h n em o v i e )v i d e o q m c k t a n a e 当前，流媒体文件格式多样，如肝e g 系列、h 2 6 4 、a v s 等格式文件均可用于 流媒体传输，m a c r o m e d i a 公司的s w f ( s h o c kw a v ef l a s h ) 、v i v 0 公司的v i v ( v i v o 山东大学硕士学位论文 m o v i e ) 也都是流媒体格式。目前主流的流媒体系统是微软、r e a ln e t w o r k s 和a p p l e 公司提供的，上表1 2 罗列了这三家公司的流媒体格式的类型。 1 2 2 无线流媒体技术发展现状 从全球范围来看，日本，韩国的移动视频业务起步最早，视频业务的发展和推 广一直保持在领先的地位。如韩国s k t 的n a t e 业务以及日本的i m o d e 业务和f o m a 业 务等。这些业务包括视频电视，视频会议，视频邮件，其他运营商如英国v o d a f o n e ， 美国s p r i n t 公司也已经推出了多种3 g 视讯业务。 在国内市场上，比较有影响力的有联通的“视讯新干线”系统，广州富年公司 f u n i n h a n d 系统，北京数氧通“掌上电视”。 “视讯新干线”系统是中国联通专门为c d m ai x 移动智能终端用户量身定制的。 它总体基于微软公司的n e t 技术体制，采用微软的w i n d o w sm e d i a 标准，移动智能 终端使用w i n d o w sc e 操作系统。通过i e 浏览器和媒体播放器，在c d m a i x 网络的支 持下，“视讯新干线”系统可真正实现在线流媒体，如在线电视直播、道路交通 监视、视频点播等。 f u n i n h a n d 采用新一代的h 2 6 4 技术可保证在2 5g 移动网络环境一下得到 较为满意的视音频质量和手机电视直播的流畅性。目前该系统已经试运营，同 时支持c d m ai x 和g p r s 网络，业务发现方式也是通过播放器作为媒体门户。该系统 支持c d m a1 x 制式的三星i 5 1 9 手机观看在线直播电视，点播音视频片一断等不同应 用。 根据国家对2 0 0 8 年提供3 g 技术服务的承诺以及中国移动部署t d 网络工作的展 开，中国3 g 的发展已是势在必行，也必将推进移动流媒体的发展步伐。 1 3 传输层t o p 和u d p 协议 目前，互联网中存在的主要传输层协议是t c p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o l p r o t o c 0 1 ) 2 0 2 1 协议、u d p ( u s e rd a t a g r a mp r o t o c 0 1 ) 2 2 。下面对这两个协 议进行简单介绍，并分析它们应用于流媒体传输的优缺点。 6 山东大学硕士学位论文 1 3 1t o p 协议 t c p 2 0 ，2 1 ，2 3 协议是目前应用最普遍的传输层协议，它提供面向连接的、可 靠的数据流服务并具备拥塞控制功能，能通过发送方、接收方和网络之间的相互 协作实现在一个或多个互联的不可靠网络中进行可靠的数据传输。当前网络上的 绝大部分应用基于该协议，它为数据的无误传输以及整个网络的正常运行提供了 保障。如果有足够大的缓冲区、充足的网络带宽，在t c p 协议之上传输实时多媒 体数据也是可能的。但是，在丢包率较高、网络状况不好的情况下，利用该协议 进行实时的音视频通信是不可能的。主要原因如下： 1 ) t c p 的重传机制：在t c p i p 协议中，当接收方发现数据丢失时，它将要求重传 丢失的数据包。然而这将需要一个甚至更多的周期( 根据t c p i p 的快速重传机 制，这将需要三个额外的帧延迟) ，这种重传对于实时性要求较高的多媒体数 据通信来说几乎是灾难性的，因为接收方不得不等待重传数据的到来，从而造 成了延迟和断点。 2 ) t c p 的拥塞控制机制：t c p 的拥塞控制机制在探测到有数据包丢失时，它就会减 小它的拥塞窗口。而另一方面，视频、音频在特定的编码方式下，产生的编码 数量( a p 码率) 是不可能突然改变的。正确的拥塞控制应该是变换视频、音频信 息的编码方式，调节视频、音频信息的帧频或视频图像幅面的大小等。 3 ) t c p 报头的大小：t c p 不适合于实时视频传输的另一个原因是，它的报文头比u d p 的报文头大。t c p 的报文头为4 0 个字节，而u d p 的报文头仅为1 2 个字节。同时t c p 不能提供时间戳( t i m es t a m p ) 和编解码信息( e n c o d i n gi n f o r m a t i o n ) ，而这些 信息恰恰是接收方的应用程序所需要的j 因此t c p 不适合于多媒体数据流信息 的实时传输。 1 3 2u d p 协议 u d p 2 2 1 协议为应用层提供不可靠的传输服务，分组格式简单，头部开销较小。 它不使用确认机制来确保数据被接收端正确接收，不会重传丢失的数据，在接收 端也不会按序递交数据，也不提供拥塞控制、流量控制机制。因此，u d p 分组在 传送过程中可能会丢失、重复、乱序。u d p 协议比较适合信息量较大、实时的应 7 山东大学硕士学位论文 用( 如语音、视频传输) ，而不适合需要提供可靠服务的应用，因此不是目前互联 网中传输层使用的主流协议。 u d p 协议的优点是简单，没有连接建立过程和拆除过程，缺点是没有可靠性 保证。大部分流媒体应用建立在u d p 之上。由此产生的问题是： 1 ) u d p 不是t c p 友好的。u d p 没有提供拥塞控制机制，数据的发送速率由接收 端的接收速率决定，当网络拥塞时，共享带宽的t c p 流根据拥塞控制算法降 低发送速率，而u d p 流继续以固定速率发送数据，这样就会造成t c p 流得不 到公平的带宽，甚至有可能造成网络拥塞崩溃。 2 ) 即使在u d p 之上采用拥塞控制算法，由于这些算法是各自独立设计的，也不 能保证t c p 友好性和它们之间的公平性。同时由于这些拥塞控制算法是在 u d p 之上的应用层程序中实现，其实现对用户是可见的，用户可以很容易的 对其更改，有些用户为了自己得到更大的流量会屏蔽掉这些拥塞控制算法， 从而造成更大的不公平性。同时由于这些控制算法在应用层实现，其对网络 拥塞的反应速度就会比较慢，达不到预期的效果。 3 ) 很多防火墙产品禁止u d p 连接通过，这样防火墙内部的众多用户难以得到流 媒体服务。 1 3 3d c c p 协议 通过以上的分析，我们发现t c p 和u d p 协议在应用于流媒体传输的过程中都 有其致命的缺陷。d c c p ( d a t a g r a mc o n g e s t i o nc o n t r o lp r o t o c o ld c c p ) 【1 4 1 6 结合 了t c p 和u d p 的优点，适合于那些不需要t c p 那样的按序和完全可靠的传输， 但是又希望采用某种t c p 友好的拥塞控制算法的流媒体应用。d c c p 协议具有灵 活的拥塞控制机制，通信双方可以根据具体的传输环境选择相应的拥塞控制策略。 d c c p 同时可以进行有效的连接建立和拆除的管理。目前，d c c p 已有多个实现版 本，并可以嵌入到l i n u x 等的协议栈中。 为了传输实时业务，d c c p 就要尽可能做到简单合理、低延迟和快速响应，同 时为保证网络的有效运行必须考虑拥塞控制。因此d c c p 的实现目的就是在类似 u d p 的基础上加上最小的可能机制来支持拥塞控制。建立、维护和拆卸不可靠连 山东大学硕士学位论文 接以及对不可靠性数据流进行拥塞控制，是d c c p 提供的两大主要功能。d c c p 能提供不同的拥塞控制机制，由用户在每次通信开始时进行协商确定，目前已提 出的拥塞控制机制主要是基于t c p 窗口的t c p l i k e 和基于t c p 流量方程的t f r c ( t c p - f r i e n d l yr a t ec o n t r 0 1 ) ，这两者都是t c p 友好的拥塞控制算法。 d c c p 没有t c p 的可靠性和顺序发送的特性，但是实现了对不可靠双向数据 流的拥塞控制，并特别提供了： 1 ) 带确认的不可靠数据报流 用来建立和拆除连接的可靠握手 3 ) t c p 友好拥塞控制机制的选择；目前包括t c p ：l i k e 和t f r c 4 ) 结合e c n 和e c n n o n c e 的拥塞控制 5 ) 允许服务器不必保持未被确认或者已经结束的连接的机制 路径m t u 发现机制 d c c p 协议是i e t f 新近提出的一个传输层协议，还有很大的发展空间，而且 具有t c p 和u d p 无法比拟的优点 2 4 - 2 7 。当前可支持的拥塞控制算法只有 t c p 1 i k e 和t f r c ，这两者虽然都是很经典的拥塞控制算法，但是它们主要是针对 有线环境提出来的，不大适合丢包率较高、延迟和抖动较大的无线传输环境，这 大大限制了d c c p 协议在无线环境中的应用。 1 4 流媒体拥塞控制机制研究 在流媒体领域，拥塞控制即速率控制。近年来，各国工作者提出了大量面向 流媒体应用的拥塞控制机制r 这些研究大多是将原有的一t c p 协议算法加以改进，一 去除其中的可靠重传，开发了新的拥塞控制协议；或者根据网络状况，在源端以 不同的参数对媒体数据进行编码，以调节媒体流发送速率，即我们常说的可变速 率编码，如小波编码；或者根据t c p 吞吐量模型，调节媒体流发送速率，如t f r c 算法。这些算法都一定程度上解决了流媒体应用的拥塞控制问题。 1 4 18 9 p 算法 c c e l l 等人提出了一种媒体流拥塞控制协议s c p ( s t r e a m i n gc o n t r o l 9 山东大学硕士学位论文 p r o t o c 0 1 ) ，该协议对t c pv e g a s 进行了修改，去除了其中的重传功能，并模仿该 协议在稳定状态下的传输行为对实时流发送速率进行调整。试验结果表明该协议 是非t c p 友好的，我们猜想可能是因为s c p 采用最小的r t t 作为速率调节参数的 原因。 1 4 2r a p 算法 r e z ar e j a i e 等人提出了一种基于速率端到端的实时流拥塞机制r a p ( r a t e a d a p t a t i o np r o t o c 0 1 ) 1 1 ，该协议模仿了t c p 的a i m o 算法。r a p 规定源端发送 包含序列号的数据包，目的端接收到数据包后发出确认反馈，发送端根据反馈判 定是否丢失包并得到平均的r t t 。r a p 发送端采用a i m d 算法控制数据发送速率。 圳救嚣 t ， 公式中r n + 1 1 和r ( 1 ) 分别为时刻( t + 1 ) 和t 的业务流速率，a 蔓b h n 增长量( a o ) ，b 为乘减少因子( o s 。，发送的数据将会导致网络拥塞，而如果 s ，。 o 的阶段只是减少w s d n 而不调整速率的原因是 给网络充分的恢复时间。 3 2 4b a c k o f f 状态 在该状态，在发送d u m m y 数据包的同时发送有效数据，而且并不降低发送速率。 在该阶段仍然发送有效数据的原因是：虽然此时发送的数据不能被接收端接收， 但能够保证只要信号一恢复，接收端马上能够收到有效的音视频数据，并进行播 放。从而尽量减少了对音视频回放的影响。该阶段一直持续到接收a c k 信息，然 后进入s t e a d y 状态。另外，如果在规定的一个时间门限t h r e s h 之内仍没收到a c k ， 发送端便由该状态转到i n i t i a l 状态，重新探测网络。 图3 1 2b a c k o f f 状态算法流程图 山东大学硕士学位论文 3 2 5r c $ 算法存在的问题 r c s 算法是t c p 友好的拥塞控制机制，而且其设计完全针对无线环境中的 流媒体应用，针对无线网络的特点对不同情况作出了区别对待，具有重要的研 究和实用价值。但根据同时由于r c s 算法是一个应用层拥塞控制算法，存在着 如下的诸多缺陷： 1 ) 安全性不高。由于r c s 是一个应用层的流量控制算法，其实现没有被嵌入到 网络传输协议的协议栈中，而是放在应用程序中由开发人员实现。这极大得提 高了用户对该算法的可操作性，有些用户为了自身利益的需要，可以很容易得 在自己的应用程序中屏蔽掉该算法，那么自身的应用程序便没有任何流量控制 机制的约束，得到最大限度的带宽。而其他用户使用了流量控制机制，那么大 量的网络带宽便被那些不法用户侵占，加剧了网络资源分配的不公平性。 2 ) 对网络拥塞的作出的反应速度慢。由于该算法在应用层实现，数据需要由传 输网络的最低层一物理层，上传到最高层一应用层，该算法才能作出相应的响 应，使算法对网络状况的灵敏度下降，而且增加了应用程序的工作量。 3 ) 算法的复杂度高。在i n i t i a l 阶段以及d e t e c t e d 阶段，为了探测网络的可用 带宽，算法发送大量的不含有有效数据的d u m m y 数据包，虽然该种数据包的优 先级较低，但是，如果网络上的路由器不支持优先级策略，该种数据包便被当 作普通的数据包进行存储、转发，从而占用了大量的网络带宽，甚至加重网络 拥塞。在网络拥塞越严重的时候，该种包发送的数据量越大，造成的后果也越 严重，在网络拥塞严重的情况下，该算法的传输开销达到了2 0 ， 2 8 儿2 9 。 4 ) 该算法日前还只是一个独立的速率控制机制，没有被当前任何流行的网络协 议栈集成，只是根据用户的喜好决定使用与否，而且需要用户自己在应用中实 现，因而大大限制了其应用范围，不能使其发挥其应有的作用。 3 3 改进的r o s 和d c o p 的结合 根据r c s 算法和d c c p 协议的优缺点，我们觉得两者的结合具有很大的可行性， 并且结合之后，为两者的广泛应用以及流媒体在无线网络中的应用具有更大的推 山东大学硕士学位论文 动作用。 3 3 1 两者结合的可行性和必要性分析 i ) r c s 算法是个应用层速率控制算法，其应用需要在应用程序中由编程人员来实 现，这样会导致很多的重复性工作，即每个应用程序都要自己来单独实现它， 使得算法以及程序的重用性不高，因此也大量限制了其应用。与底层协议的结 合是一个优秀的控制算法的最好的实现与应用，一旦被嵌入到底层的协议栈 中，该算法便可以被方便的调用，而且可以随着该协议栈的发展获得巨大发展， 如在多种操作系统间移植。d c c p 虽然提出的时间较晚，但确实是一个很有发 展前途的传输协议，不久的将来可能完全代替u d p 协议应用于实时多媒体传输 领域，而实时多媒体传输包括流媒体技术是未来网络的发展重点，有很大的发 展空间以及市场空间。因此，一旦r c s 和d c c p 结合，其前景是很好的。 2 ) r c s 算法中为了探测网络的可用带宽，以及在发生丢包的情况下检测丢包的原 因，需要发送大量的低优先级的无用数据包( d u m m yp a c k e t ) ，虽然这种包的 有限级比较低，正常情况下不会占用高优先级的数据的可用带宽，但是它会大 量占用网络上其他低优先级数据的可用带宽。而且，在不支持优先级策略的网 络上，造成的影响会更加严重：这里，所有的数据包会当作同等重要的包进行 传输，这些无用数据包将会大量占用可用带宽，对高优先级的数据包的正常传 输造成巨大影响，而且很有可能加剧网络拥塞。 d c c p 是一个面向连接的不可靠传输，具有类似于t c p 的连接建立阶段，同时 它虽然不支持可靠传输，但是它提供了确认机制( a c k ) ，通过d c c p 提供的a c k 包，我们就可以获得传输丢包以及传输时延等信息，这样，我们就可以对r c s 算法进行改进，省掉对无用数据包( d u m m y 包) 的传输，在i n i t i a l 阶段以及 d e t e c t e d 阶段仍然只是发送有效的多媒体数据，而利用d c c p 协议提供的对这 些包的a c k 机制来实现d u m m y 数据包的功能，即探测网络可用带宽以及检测丢 包的具体原因。同时，在d c c p 的链路建立阶段，我们可以通过d c c p 的a c k 包 得到往返时间r t t 。 3 ) r c s 算法中，在s t e a d y 阶段，发送端不发送d u m m y 数据包，而只发送多媒体 4 1 山东大学硕士学位论文 数据包，对于这种包，r c s 的接收端不提供任何的反馈机制。r c s 发送端利用 r t c p 包提供的信息来判断丢包。由于r t c p 包是周期性发送的数据包，里边只 是接收和发送的数据包的统计信息，不能对网络丢包作出立即性的反应。所以， r c s 在该阶段用r t c p 来检测丢包，其反应速度将直接影响其控制效果。而改 进的算法和d c c p 结合之后，在s t e a d y 阶段，正常情况下我们可以控制a c k 包 的发送频率，以节省网络资源，但是接收端一旦检测到丢包，便会立即作出反 应，通知客户端，这将大大提高拥塞控制的反应速度。 4 ) d c c p 虽然已经集成了c c i d - 2 和c c i d 一3 两个拥塞控制算法，但是由于这两个 算法都是针对有线环境提出的速率控制算法，不适合网络环境更加复杂的无 线环境。这样就大大限制了d c c p 的发展及应用。所以，找到一种甚至集中更 好的算法，能在无线环境中进行有效的拥塞控制，是d c c p 协议要想发展的当 务之急。能够和一个强有力的拥塞控制算法进行结合，是d c c p 发展的强烈要 求。 3 3 2 新算法i m - r c s 对r c s 的改进 根据r c s 和d c c p 的特点，本文对r c s 算法进行了改进，以便使其更加简单， 更能和d c c p 协议进行无缝的结合。对r c s 算法的改进主要体现在以下几个方面： 1 ) 新算法舍弃了原r c s 算法中的d u m m y 包及其a c k 包，直接利用多媒体数据包 及d c c p 提供的反馈机制来探测网路带宽、检测丢包原因以及调整发送速率， 从而大大减少了传输开销。 2 ) 在t n i t a 】阶段，新算法采用含有有效数据的多媒体数据包来探测网络可用 带宽，在该阶段，对每一个发送的数据包要求客户端立即反馈，即u r g e n t f l a g 标志位置为1 。接收端对接收到的任何一个数据包都立即反馈a c k 包。在 i n i t i a l 阶段的第二个阶段，在原r c s 算法中，只是接收a c k 包，计算a c k 包 的数量，以便计算可用的网络带宽，而不发送任何数据包。在新算法中的该 阶段，我们仍然发送数据包，但由于不能确定网络可用带宽，只是以比较小 的速率发送，而且这些包的u r g e n t f l a g 标志位置为0 ，不要求接收端进行反 馈。因为流媒体应用中连接建立的初始阶段都会先有一定时间的缓冲，以保 山东大学硕士学位论文 证视频播放的连贯，因此在i n i t i a l 阶段发送的数据可以被接收端放入缓冲 区中，减少一定的缓冲时间。 3 ) 在s t e a d y 阶段，正常情况下，接收端每隔一个r t t 时间反馈一个a c k 包，表 示网络正常。而一旦检测到丢包，马上发送a c k 包通知发送端有丢包产生， 这样极大的提高了对丢包的检测速度。 4 ) 在接收端，我们加上了一定的机制来判断多个包的丢失是否属于同一个丢包 事件，由此避免了由于一次拥塞的产生导致多次降低发送速率的可能。 5 ) 在d e t e c t e d 和b a c k o f f 阶段，每一个发送的数据包都要求接收端马上发送反 馈，据此来决定下一个要进入的状态。 6 ) 新算法还引入了e c n 机制，发送端一旦接收e c n 包，马上使发送速率减半。 由于改进的算法基本状态以及大体的算法流程和原算法有很大的相似性，这里 就不做详细介绍，只是给出不同状态下的几个算法。如下列各图所示： 图3 1 3i n i t i a l 状态算法图3 1 4s t e a d y 状态算法 b a e k o f f o u r g e n t f l a g = l ： t o = t ； i p g = 1 s ； w d s n = o ： a c kr e c e i v e d = f a l s e ； t n c x td a t a 2 t o ； w h i l e ( a e kr e c e i v e d ：= f a l s e ) i f ( t t 。td ) s e n d ( d a t ap a c 陋t 、 t d 血= t + i p g ； e n d 。 i f ( a c ka r r l 、，a l l a c kr e c e i v e d = t r u e ： e n d ； s t a t e = s t e a d y ； e n d 图3 1 5d e t e c t e d 状态算法图3 1 6b a c k o f f 状态算法 3 4 改进后的d e e p 协议性能研究 3 4 1n s 2 简介 n s 2 4 3 是美国d a r p a 支持的项目v i n t ( t h ev i r t u a li n t e r n e tt e s t e d ) 中 的核心部分，它主要面向网络协议研究者。由u cb e r k l e y 大学计算机系等研究机 构开发并免费发布，其前身是k e s h a vs 研制的r e a l 仿真器，是一个事件驱动的 和面向对象的网络仿真工具，由于n s 2 具有免费、开放源代码、可扩充性好等优 点而在各种网络的仿真测试中获得了广泛应用。 n s 2 仿真环境中丰要有两种分工不同的开发语言。它用c + + 语言来描述网络 协议中的细节，同时用o t c l 语言来配置仿真活动中的各种参数，建立仿真的整体 框架。因为c + + 的特点是具有更快的运行速度，但每次改变均需要编译较为复杂， 比较适合处理繁琐但比较固定的工作；而o t c l 虽然在运行速度上无法和c + + 比拟， f h 相对来说更加灵活，适合用来设计个人的仿真方案。因此n s 2 仿真分两个层次： 一个是给予0 t c l 编程的层次，利用n s 2 已有的网络元素实现编程，无需对n s 本 身进行任何修改，只需编写0 t c l 脚本；另一个层次是基于c + + 编程的层次，如果 山东大学硕士学位论文 n s 2 中没有所需的网络元素，就需要首先对n s 2 扩展，添加所需要的网络元素。即 通过添加新的c + + 类和o t c l 类，然后再编写o t c l 脚本。假设用户己完成了对 n s 2 的扩展，利用n s 2 进行一次仿真的步骤大致如下： 1 ) 编写o t c l 脚本，配置仿真网络拓扑结构，确定链路的基本特性，如延迟，带 宽和丢失策略等。 2 ) 建立协议代理，包括端设备的协议绑定和通信业务量模型的建立。 3 ) 配置业务量模型的参数，确定网络上的业务量分布。 4 ) 设置t r a c e 对象。t r a c e 对象能够把仿真过程中发生的特定类型的事件记录 在t r a c e 文件中。n s 2 通过t r a c e 文件来保存整个仿真过程。仿真完成后，用 户可以对t r a c e 文件进行分析研究。 3 4 2 改进后的d c c p 性能分析 因为我们对r c s 算法进行改进的目的主要是为了嵌入到d c c p 协议中，增强 c c p 协议在无线网络中的拥塞控制能力，而且新算法和原来算法的主要区别是对d u m m y 数据包的舍弃，由此使得算法的复杂度以及传输开销大大降低，这是显而易见的。 所以，下边只是把改进的r c s 算法i m - r c s 嵌入到d c c p 协议栈中和d c c p 原有的拥 塞控制算法c c i d - 3 进行比较，以验证该本文对d c c p 协议的改进。同时，由于d c c p 中的另一个拥塞控制算法c c i d 2 ，不能保证传输速率的平缓变化，也不大适合要 求平缓的速率变化的流媒体传输，所以，本文没有和c c i d - 3 算法进行比较。 由于当前网络上9 0 的传输是t c p 流，所以我们在t c p 和d c c p 共存的网络中 来评价d c c