CN115134292B - 基于接收窗口的多路径传输实时流媒体的路径管理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种解决在传输实时流媒体环境下，多路径并行传输会引起的包乱序导致缓存阻塞问题的方法，提出了基于接收窗口的多路径传输实时流媒体的路径管理策略。仿真结果表明使用PIR策略，根据接收窗口判断接收端缓存状况良好，添加备用子流传输数据，提高网络资源的利用率及端到端的吞吐量；如果某条子流性能恶化，使用PDR策略，通过接收窗口的反馈将恶化子流状态设为备用，避免恶化子流影响其它子流的传输性能，减缓性能恶化引起乱序导致的缓存阻塞。由此证明，本文所提的路径管理策略对多条路径传输实时流媒体的一些问题有所改善，并且可以很好的为包调度模块提供可用路径，使多路径传输协议在传输实时流媒体的情况下可以运行得更加高效和稳定。

Description

基于接收窗口的多路径传输实时流媒体的路径管理方法
技术领域
本发明属于互联网技术领域，具体涉及一种基于接收窗口的多路径传输实时流媒体的路径管理方法。
背景技术
随着视频、语音等实时流媒体技术广泛应用在因特网上，用户对网络带宽的需要不断增长，此时使用单一路径的TCP或者UDP传输协议已逐渐暴露出不能适应网络发展的局限性。与此同时，网络接入设备成本降低、接入技术多样化，使利用多网络接口实现数据的多路径并行传输实时流媒体业务成为可能。2011年1月，IETF相继公布了MPTCP相关RFC文档。MPTCP是面向连接的传输层协议，可靠性好，并且与现有的TCP协议兼容，MPTCP使用多路并行传输能够很好的实现带宽聚合。但是使用MPTCP传输实时流媒体也存在TCP协议的传输数据平滑性不够好、包重传机制增加数据包的延迟抖动和乱序等问题。因此，为了提高网络资源利用率，满足用户对实时流媒体服务的更高要求，本文提出多路径环境下基于接收窗口的路径管理策略。
发明内容
在端到端的多路并行传输时，由于每条路径性能参数不同，很难保证数据包能够同时到达接收端；同时，子流传输时的丢包也会导致先发送的数据包后到达。接收端按序向上层提交数据，当发生乱序现象时，接收端缓存将形成数据包堆积，这将严重影响系统的传输性能。本文通过对接收端缓存的可用空间反馈，有效的在发送端控制传输路径的数量以避免接收端缓存阻塞。
多条路径同时传输实时流媒体数据，很有可能导致接收端乱序等问题引起的接收端缓存阻塞，如果此时使用接收窗口，实时动态的对接收端缓存的状况进行检测，然后根据检测的情况动态进行发送端路径管理，有效改善接收端缓存阻塞问题。为了使任何子流只要在接收端允许时都能发送数据，使用一个特有的接收窗口，所有子流共同分享一个特有的接收窗口。根据接收窗口可以反映出接收端缓存的可用空间大小。根据以上情况，我们考虑两种情况：
①网络环境良好，多条子流同时使用一个连接级接收端缓存在一定的空余。此时备用路径性能变好，接收端缓存能够容纳，添加备用路径子流不会引起缓存阻塞的问题，此时添加一条路径可以提高端到端数据传输的吞吐量。
②当传输的某条子流性能恶化时，此时由于乱序以及未确认反馈信息的增加。接收窗口急剧下降，造成了缓存阻塞。这样删去性能恶化子流反而会增加各条子流的吞吐量，使总的吞吐量增加。
根据第一种情况，我们提出了一种基于接收窗口的路径增加策略(APathIncrease Strategy Based 0n Receiving Window，PIR)。考虑到接收窗口的动态变化，我们在一个时间段t0内，计算出所有反馈信息中的平均接收窗口值如果连续N次，都大于一个A值，该值能够确保在备用路径中增加一条性能最好的，接收端缓存可以容纳。
该策略具体详细步骤如下：
①对正在使用的子流和备用路径的子流使用量化子流性能公式：
Q＝Q1×丢包率+Q2×时延+Q3×带宽，计算每条路径的Q值，Q1，Q2，Q3为该路径丢包率，时延和带宽的权值系数；
②在一个时间段t0内，从反馈信息中获取接收窗口值，并且计算平均值
③如果连续3次则添加备用路径中Q值最大的一条，A＝2×Bandwidth×RTT；其中，Bandwidtl和RTT为最优备用路径的性能参数，
如果连续3次大于A值，说明此时接收端缓存剩余空间足够大，允许增加备用路径中性能最好的一条路径；
根据第二种情况：正常传输的几条子流，某条性能恶化时，这样会引起乱序以及接收窗口急剧下降。已经不能保证数据的传输的高吞吐量。如果此时接收窗口在时间段t1的平均值，连续3次都小于一个B值，表示此时各条子流间性能受到了影响，然后通过子流性能公式，删除Q值最低的那条路径。
如果连续3次小于B，
B＝最大带宽*最小时延 (1)
说明此时接收端允许接收的数据容量还不如单独性能最优的一条路径的数据容量。因为发送窗口值小于接收窗口值，则多条路径在一个单向时延内发送的数据还不如性能最优子流在一个单向时延内发送的数据量大。对于一条子流，带宽等于可以传输数据的最大速率，带宽时延积就表示该条子流的数据容量。我们可以判断有路径性能受到影响，很有可能是缓存堵塞。因此对发送端进行路径管理。减少正在传输的子流数量。为了防止频繁的添加删除路径导致网络状况不稳定，抖动性强，因此对于端到端多路径并行传输而言，添加或者删除某条子流是非常谨慎的，不到一个能够判定的状况，不轻易的添加或者删除路径。
该策略具体详细步骤如下：
①对正在使用的子流，和备用路径的子流使用量化子流性能公式：
Q＝Q1×丢包率+Q2×时延+Q3×带宽，计算每条路径的Q值，获得Q值最高子流的带宽时延积；
②在一个时间段t1内，从反馈信息中获取接收窗口值，并且计算平均值
③如果连续3次则删除正在使用的子流中Q值最小的一条子流，B＝最大带宽*最小时延。
附图说明
图1为本发明基于接收窗口的路径增加的流程图；
图2为本发明基于接收窗口的路径删除的流程图；
图3为网络拓扑图构建的仿真环境，对PIR、PDR两种路径管理策略进行仿真验证；
图4为未使用PIR策略Subflow0和Subflow1两条子流传输的吞吐量和使用PIR策略后Subflow0、Subflow1和Subflow2三条子流传输的吞吐量对比，(a)是未使用PIR策略吞吐量，(b)使用PIR策略后吞吐量；
图5是使用PDR策略之前和使用PDR策略之后，MPTCP端到端吞吐量对比图，(a)是未使用PDR策略的吞吐量，(b)是使用PDR策略后的吞吐量。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本文使用图3所示的网络拓扑图构建的仿真环境，对PIR、PDR两种路径管理策略进行仿真验证，在此仿真环境中，我们分别设置发送端缓存和接收端缓存各为200KB。
3.1 PTR策略仿真
在接收端和发送端之间有2条性能比较好的子流Subflow0和Subflow1正在传输，Subflow2为备用路径，各子流性能参数如表1所示：
表1各子流性能
子流编号 Subflow0 Subflow1 Subflow2(备用)
带宽(Mbps) 10 8 5
往返时延(ms) 20 30 30
丢包率(％) 0.1 0.1 0.1
图4是未使用PIR策略Subflow0和Subflow1两条子流传输的吞吐量和使用PIR策略后Subflow0、Subflow1和Subflow2三条子流传输的吞吐量对比。从图4的(a)、(b)图对比可以看出，使用PIR算法后，整体的吞吐量有所提高。相同的时间内，未使用PIR策略的平均吞吐量为3781.46Kbps，使用了PIR策略后的平均吞吐量达到了4581.83Kbps。说明在网络环境良好的情况下，使用两条性能较好的子流传输，此时网络资源是有冗余的，因此增加一条子流可以有效的提高网络资源的利用率，因此MPTCP使用PIR策略后吞吐量有所提高。
3.2 PDR策略仿真
在发送端和接收端之间建立多条子流，初始化时有四条子流传输数据，各子流性能参数如表2所示：
表2子流性能参数
子流编号 Subflow0 Subflow1 Subflow2 Subflow3
带宽(Mbps) 3 3 2 2
时延(ms) 30 40 40 50
丢包率(％) 0.05 0.05 0.1 0.1
在此仿真场景下，第80秒时设置subflow3性能恶化，此时的子流性能
参数如表3所示，根据当前仿真环境设置PDR策略中t1值为1s。
表3子流性能参数
子流号 Subflow0 Subflow1 Subflow2 Subflow3
带宽(Mbps) 3 3 2 0.5
时延(ms) 30 40 40 500
丢包率(％) 0.05 0.05 0.1 1
图5是使用PDR策略之前和使用PDR策略之后，MPTCP端到端吞吐量：
从图5的(a)图中我们可以看出，第80秒左右，吞吐量开始降低，并在一段时间内吞吐量都很低。虽然在150秒左右有一定的回升，单随后又降得很低，整体吞吐量较80秒subflow3性能恶化之前明显降低；使用PDR策略后MPTCP连接吞吐量如图5的(b)图所示：仿真运行到第80秒左右时，吞吐量开始降低，但是到第95秒左右开始上升，恢复到正常水平。在未使用PDR策略之前，端到端连接吞吐量为3042.62Kbps，使用PDR策略整体吞吐量恢复为3408.69Kbps。
本文主要研究在传输实时流媒体环境下，多路径并行传输会引起的包乱序导致缓存阻塞问题，提出了基于接收窗口的多路径传输实时流媒体的路径管理策略。仿真结果表明使用PIR策略，根据接收窗口判断接收端缓存状况良好，添加备用子流传输数据，提高网络资源的利用率及端到端的吞吐量；如果某条子流性能恶化，使用PDR策略，通过接收窗口的反馈将恶化子流状态设为备用，避免恶化子流影响其它子流的传输性能，减缓性能恶化引起乱序导致的缓存阻塞。由此证明，本文所提的路径管理策略对多条路径传输实时流媒体的一些问题有所改善，并且可以很好的为包调度模块提供可用路径，使多路径传输协议在传输实时流媒体的情况下可以运行得更加高效和稳定。

Claims (1)

1.基于接收窗口的多路径传输实时流媒体的路径管理方法，其特征在于，包括以下步骤：
对正在使用的子流和备用路径的子流使用量化子流性能公式：Q＝Q1×丢包率+Q2×时延+Q3×带宽，计算每条路径的Q值，Q1,Q2,Q3为该路径丢包率，时延和带宽的权值系数；
在一个时间段t0内，从反馈信息中获取接收窗口值，并且计算平均值
如果连续3次则添加备用路径中Q值最大的一条，A＝2×Bandwidth×RTT；其中，Bandwidth和RTT为最优备用路径的性能参数，
如果连续3次大于A值，说明此时接收端缓存剩余空间足够大，允许增加备用路径中性能最好的一条路径；
以及
在一个时间段t1内，从反馈信息中获取接收窗口值，并且计算平均值
如果连续3次则删除正在使用的子流中Q值最小的一条子流，B＝最大带宽*最小时延。
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