CN105049956A - 一种提高dash视频传输效率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高DASH视频传输效率的方法,针对传统TCP对于传输小文件效率不高，拥塞控制阶段发送窗口大小的调整过于保守，传输效率低，本发明采用动态调整初始化窗口提高传输效率，以一种新的拥塞控制策略，在拥塞控制的慢启动和拥塞避免两个阶段都针对性的进行了改进，用以提升DASH视频的传输效率。经过对比试验验证，发现本发明的方法可获得20％以上的性能提升。

Description

一种提高DASH视频传输效率的方法

技术领域

本发明涉及动态自适应流媒体(DASH)的传输，特别是涉及一种提高DASH视频传输效率的方法。

背景技术

随着互联网络的普及，网络带宽的提升，CDN(内容分发网络，ContentDeliveryNetwork)技术的成熟，用户对视频服务质量的高需求，DASH视频得到了大规模发展。如何保证DASH视频在各种网络条件下能够高效快速的传输，提高用户体验和服务质量，就成为网络界多媒体DASH应用的重点问题。目前，现有的传输策略或者是算法如CUBIC，VENO，RENO等都不能满足用户对DASH视频传输效率的要求，尤其是在网络条件较差的条件，如高延迟网络和高丢包率网。DASH视频传输还有其他的特点，如以视频块(Segment)的形式非连续传输，视频块的大小一般很小而且频繁的启动关闭TCP连接，现有TCP算法不能高效的传输小文件，影响了DASH视频的传输效率。

发明内容

本发明的主要目的在于针对现有技术的不足，提供一种全新的适用于DASH视频传输的高效方法(TCP-DASH)。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种提高DASH视频传输效率的方法，其特征在于，包括拥塞避免阶段，在所述拥塞避免阶段，根据以下公式所确定的方式进行发送窗口大小的调节：

其中

$N_i=\left\{\begin{array}{cc}{N}_{i-1}+\max \{1,\frac{FileSize}{MSS*N_{i-1}}\}& Queue<\mathrm{\&alpha;}*\frac{\stackrel{\&OverBar;}{WindowSize}}{N_{i-1}}\\ N_{i-1}& Queue=\mathrm{\&alpha;}*\frac{\stackrel{\&OverBar;}{WindowSize}}{N_{i-1}}\\ \max \{1,N_{i-1}-\max \{1,\frac{FileSize}{MSS*N_{i-1}}\left\}\right\}& Queue>\mathrm{\&alpha;}*\frac{\stackrel{\&OverBar;}{WindowSize}}{N_{i-1}}\end{array}\right.---\left(6\right)$

$Queue=(\stackrel{\&OverBar;}{rtt}-{\mathrm{rtt}}_{\min })*\frac{\stackrel{\&OverBar;}{WindowSize}}{\stackrel{\&OverBar;}{rtt}}---\left(4\right)$

公式(5)中，WindowSize为发送窗口大小，N是由公式(6)确定的参数，取当前值，即下标为i时N的取值，包指数据包，即TCP传输协议传输的数据单元；公式(6)中，FileSize为传输文件传输剩余部分的大小，MSS为最大报文段长度，即收发双方协商通信时每一个报文段所能承载的最大数据长度，max表示取其中最大值，α为取0到1的参数，Queue为网络队列大小，由公式(4)确定，公式(4)中，为平均网络往返时间，rtt_min为最小往返时间，为发送窗口的平均值。

进一步地：

α的值取每个TCP会话中的平均值，rtt_max为最大往返时间。

还包括在所述拥塞避免阶段之前的慢启动阶段，在所述慢启动阶段，根据以下公式所确定的方式动态调整初始化窗口：

$cwnd=\left\{\begin{array}{cc}\max \{\frac{S}{{\log }_{\mathrm{\&gamma;}}(S+1)*\stackrel{\&OverBar;}{rtt}}+1,2\}& S\&le;S_0\\ 10*MSS& S\&GreaterEqual;S_0\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，cwnd为初始化窗口大小，γ为预先定义的变量，取值范围是1.5～2的开区间，为平均网络往返时间，MSS为最大报文段长度，max表示取其中最大值，S为传输文件整体大小，S₀为预先定义的文件大小变量。

S₀取值为25KB～40KB。

本发明的有益效果：

针对传统TCP对于传输小文件效率不高，拥塞控制阶段发送窗口大小的调整过于保守，传输效率低，本发明采用动态调整初始化窗口提高传输效率，通过一种新的拥塞控制策略，在拥塞控制的慢启动和拥塞避免两个阶段都针对性的进行了改进，用以提升DASH视频的传输效率。经过对比试验验证，发现本发明的方法对于DASH视频传输效率能达到20％以上的性能提升。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

慢启动阶段

在Linux操作系统中，内核版本在3.0以前，根据RFC3390，初始化窗口是与MSS(MAXSegmentSize)相关，具体见公式(1)。传统方法没有考虑网络状态和传输文件的大小。在慢启动阶段发送窗口是类指数增长的，为了计算平均的发送窗口大小，我们定义变量γ，取值范围是1.5～2的开区间，变量S为文件大小，为平均网络往返时间，cwnd(congestonwindow，拥塞窗口大小，即初始化窗口大小)可以定义为公式(2)。

$cwnd=\left\{\begin{array}{cc}4& MSS\&le;1095\\ 2& MSS\&GreaterEqual;2190\\ 3& else\end{array}\right.---\left(1\right)$

$\stackrel{\&OverBar;}{cwnd}=\frac{S}{{\log }_{\mathrm{\&gamma;}}S*\stackrel{\&OverBar;}{rtt}}---\left(2\right)$

考虑到真实网络条件下的测量结果，我们定义文件大小变量S₀，S₀的大小可随着网络条件的变化微调，当传输文件大小大于S₀时，将初始化窗口大小设置为10*MSS，当文件大小小于S₀时，我们采用动态计算的初始化窗口大小，如公式(3)。

$cwnd=\left\{\begin{array}{cc}\max \{\frac{S}{{\log }_{\mathrm{\&gamma;}}(S+1)*\stackrel{\&OverBar;}{rtt}}+1,2\}& S\&le;S_0\\ 10*MSS& S\&GreaterEqual;S_0\end{array}\right.---\left(3\right)$

拥塞避免阶段

在拥塞避免阶段，传统的TCP传输策略过于保守，不能有效利用网络带宽资源。目前算法中，发生拥塞时，发送窗口减半，当一个网络往返时间后，如果收到了所有的确认信息ACK，则将发送窗口增加一。我们要调整的核心就是通过对网络拥塞的估计，动态的调整减少发送窗口大小的比例，增加发送窗口增加的量，而不是固定在一个值上。首先，对网络拥塞进行估计，而估计的方式就是估算当前网络中数据包的个数，定义网络队列Queue，平均网络往返时间最小往返时间rtt_min，发送窗口的平均值则Queue的定义如公式(4)。接下来定义变量N，发送窗口大小的调节如公式(5)所示。

$Queue=(\stackrel{\&OverBar;}{rtt}-{\mathrm{rtt}}_{\min })*\frac{\stackrel{\&OverBar;}{WindowSize}}{\stackrel{\&OverBar;}{rtt}}---\left(4\right)$

调整N的策略如公式(6)所示。我们考虑了传输文件剩余部分的大小，用FileSize表示，α是一个0到1的参数。α的值可以简单地取每个TCP会话中的平均值，以保证公平原则。根据实验测试，发现吞吐量和公平性都能得到保证。

$N_i=\left\{\begin{array}{cc}{N}_{i-1}+\max \{1,\frac{FileSize}{MSS*N_{i-1}}\}& Queue<\mathrm{\&alpha;}*\frac{\stackrel{\&OverBar;}{WindowSize}}{N_{i-1}}\\ N_{i-1}& Queue=\mathrm{\&alpha;}*\frac{\stackrel{\&OverBar;}{WindowSize}}{N_{i-1}}\\ \max \{1,N_{i-1}-\max \{1,\frac{FileSize}{MSS*N_{i-1}}\left\}\right\}& Queue>\mathrm{\&alpha;}*\frac{\stackrel{\&OverBar;}{WindowSize}}{N_{i-1}}\end{array}\right.---\left(6\right)$

公式(5)中，WindowSize为发送窗口大小，N是由公式(6)确定的参数，取当前值，即下标为i时N的取值，包指数据包，即TCP传输协议传输的数据单元；公式(6)中，FileSize为传输文件传输剩余部分的大小，MSS为最大报文段长度，即收发双方协商通信时每一个报文段所能承载的最大数据长度，max表示取其中最大值，α为取0到1的参数，Queue为网络队列大小，由公式(4)确定。根据公式(6)，当当前网络队列小于估计值时，认为网络条件较好，而且没有充分利用网络信道资源，可以加大发送数据包；当网络队列等于估计值时，可以认为数据包的发送和接收处于平衡状态，所以维持参数值不变，即当前值等于相邻历史记录值；当网络队列大于估计值时，认为发生网络拥塞，为了避免更多的丢包和拥塞，减少参数N的取值。

根据公式(5)和(6)可以得到N的期望，如公式(7)所示。

$E\&lsqb;N\&rsqb;=\mathrm{\&alpha;}*\frac{\stackrel{\&OverBar;}{rtt}}{\stackrel{\&OverBar;}{rtt}-{\mathrm{rtt}}_{\min }}---\left(7\right)$

将α建议取值代入，得到公式8，

$E\&lsqb;N\&rsqb;=\frac{{\mathrm{rtt}}_{max}-{\mathrm{rtt}}_{\min }}{{\mathrm{rtt}}_{max}}*\frac{\stackrel{\&OverBar;}{rtt}}{\stackrel{\&OverBar;}{rtt}-{\mathrm{rtt}}_{\min }}---\left(8\right)$

可以得出，网络越稳定，即rtt的值变化越小，E[N]的值趋近于1，当rtt的值变化越剧烈，E[N]的值其实也比较接近于1，但考虑到每次调整的时候N的变化非常大，因此能够有效利用网络带宽，即当网络条件非常好的时候，发送的窗口比较大，当检测到网络拥塞的时候，就快速调整发送窗口，保证不会淹没网络。

对比试验

根据前文提出的拥塞避免阶段的算法改进，我们将进行实际环境中的对比试验，两台服务器位于相同机房，具有相同配置。在调度策略下，两台服务器获得相同分布的用户请求。因此，可以认为两台服务器除拥塞控制算法以外，具有完成一致的内部和外部配置。对拥塞控制算法的对比具有公平性。

·113.105.154.21:测试服务器，使用新的针对小文件，无线、长距离等较差的网络的改进拥塞控制。

·113.105.154.14:对比服务器，使用原始CUBIC作为拥塞控制算法。

根据下载速度的加权平均，我们定义了算法性能度量。如公式(9)和(10)，其中M和N是采样点个数，并根据上述公式，定义了性能提升公式(11)。

$AverageServer1=\frac{{\&Sigma;}_{n=1}^{N}Speedserver1\left(n\right)}{N}---\left(9\right)$

$AverageServer2=\frac{{\mathrm{\&Sigma;}}_{m=1}^{M}SpeedServer1\left(m\right)}{M}---\left(10\right)$

$improvement=\frac{AverageServer2-AverageServer1}{AverageServer1}---\left(11\right)$

在大数据下，统计规律占有绝对地位，随机因素的影响将不复存在，改进算法将展示稳定的性能提升。以五个不同测试区域的实验测试为例，时间覆盖了十三天。第一测试区域从1号到12号，共12天的数据。测试结果显示，除了4号一天，改进算法的性能比默认算法性能稍低外，所有时间点的性能都是改进算法更优。在2号，性能提升居然超过了160％，这是极其显著的性能提升，必然会极大的提升DASH视频块的传输效率，改善DASH用户的体验质量。第一测试区域的测试结果给出了7号到13号的性能表现，其中所有采样点的性能都要明显优于传统TCP拥塞控制算法，性能提升比都在20％以上，有利于说明改进算法的有效性。第三测试区域和第五测试区域的测试结果都显现了改进算法性能的稳步提升。第四测试区域性能提升最稳定。改进算法和默认算法变化趋势基本一致，说明了网络条件变化能够显著影响用户的下载速度。默认拥塞控制算法不能充分利用网络资源，尤其是网络条件较差的情况下，改进算法性能一直优于传统TCP拥塞控制算法，说明了不论什么状态下的网络条件，相比较默认算法，改进算法都能更有效的利用网络资源，提高用户的平均吞吐率，提高下载速度。通过分析日志中下载速度，所有测试地区的性能提升都超过了20％，这个结果是非常有说服力的，时间跨度大，数据采样点多，大数据下规律稳定收敛，从实际测量中证实了改进算法的高效性。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种提高DASH视频传输效率的方法，其特征在于，包括拥塞避免阶段，在所述拥塞避免阶段，根据以下公式所确定的方式进行发送窗口大小的调节：

其中

$N_i=\left\{\begin{array}{cc}{N}_{i-1}+\max \{1,\frac{\mathrm{FileSize}}{\mathrm{MSS}*N_{i-1}}& \mathrm{Queue}<\mathrm{\&alpha;}*\frac{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{WindowSize}}}{N_{i-1}}\\ N_{i-1}& \mathrm{Queue}={\mathrm{\&alpha;}}^{*}\frac{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{WindowSize}}}{N_{i-1}}\\ \max \{1,N_{i-1}-\max \{1,\frac{\mathrm{FileSize}}{\mathrm{MSS}*N_{i-1}}\left\}\right\}& \mathrm{Queue}>\mathrm{\&alpha;}*\frac{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{WindowSize}}}{N_{i-1}}\end{array}\right.---\left(6\right)$

$\mathrm{Queue}=(\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{rtt}}-{\mathrm{rtt}}_{\min })*\frac{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{WindowSize}}}{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{rtt}}}---\left(4\right)$

公式(5)中，WindowSize为发送窗口大小，N是由公式(6)确定的参数，取当前值，即下标为i时N的取值，包指数据包，即TCP传输协议传输的数据单元；公式(6)中，FileSize为传输文件传输剩余部分的大小，MSS为最大报文段长度，即收发双方协商通信时每一个报文段所能承载的最大数据长度，max表示取其中最大值，α为取0到1的参数，Queue为网络队列大小，由公式(4)确定，公式(4)中，为平均网络往返时间，rtt_min为最小往返时间，为发送窗口的平均值。

2.根据权利要求1所述的提高DASH视频传输效率的方法，其特征在于，α的值取每个TCP会话中的平均值，rtt_max为最大往返时间。

3.根据权利要求1或2所述的提高DASH视频传输效率的方法，其特征在于，还包括在所述拥塞避免阶段之前的慢启动阶段，在所述慢启动阶段，根据以下公式所确定的方式动态调整初始化窗口：

$\mathrm{cwnd}=\left\{\begin{array}{cc}\max \{\frac{S}{{\log }_{\mathrm{\&gamma;}}(S+1)*\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{rtt}}}+\mathrm{1,2}\}& S\&le;S_0\\ 10*\mathrm{MSS}& S\&GreaterEqual;S_0\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，cwnd为初始化窗口大小，γ为预先定义的变量，取值范围是1.5～2的开区间，为平均网络往返时间，MSS为最大报文段长度，max表示取其中最大值，S为传输文件整体大小，S₀为预先定义的文件大小变量。

4.根据权利要求1或2或3所述的提高DASH视频传输效率的方法，其特征在于，S₀取值为25KB～40KB。