CN1182684C - 业务内有区分服务的方法 - Google Patents
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Abstract
业务内有区分服务是为适应多媒体信源编码趋势所发明的一种不同于现行网络区分服务框架的网络服务提供方式,媒体恢复中重要性不同的编码信息分组将携带有不同的优惠值,网络根据所携带的优惠值为分组提供不同质量的传输服务,实现了网络资源的有效利用和媒体信息的有效传输,该方式同时具有端到端拥塞控制的功能并保证媒体流占用网络资源的TCP公平性,因此能有力促进网络多媒体应用的发展,并有效防止可能出现的网络拥塞崩溃。
Description
技术领域
本发明涉及如何照顾到媒体流的编码特征,在因特网上为媒体流提供业务内的有区分服务的机制。
背景技术
目前因特网采用的是一个普遍公平和尽力而为(best effort)的网络服务机制,不对网络用户提供任何有关服务质量的保证。虽然这样的服务提供方式保证了网络业务的普及性,但也同时阻碍了一些对网络服务质量较高的新技术和新业务的开展,特别是多媒体业务,因此有必要为网络用户提供某种程度的服务质量保证。综合服务(IntServ)和有区分服务(DifServ)是目前公认的提供网络服务质量的两个基本框架,前者是基于连接的而后者是基于服务等级的。综合服务能够满足用户精细的服务质量要求,但网络必须记录每个连接,还必须有一个功能强大的接纳控制(AC:Admission Control)相配合,所涉及的复杂网络控制功能使得它非常难以实现。有区分服务对网络控制功能的要求较低,因此较容易保持网络的可扩展性。但应该注意到,目前IETF所规范的有区分服务是一个业务间的有区分服务方式,而实际媒体业务在编码后会出现多个自然的子流,而不同编码子流在媒体重建中的重要程度一般是不同的,如
·图像或视频在分层后,底层(对应信号变化频率相对低的层)对于重构画面的影响相对于高层要重要的多;
·MPEG编码中的I帧对于最终恢复的图像质量来说显然比B/P帧要重要的多:
·SPIHT(Set Partitioning In Hierarchical Trees)编码方案中,编出的码序列对于图像恢复的重要程度有一个线性顺序的重要性;
·Bolot的语声编码方案中,不丢弃低比特率的码要比少丢弃高比特率的码更为重要;
基于上述对媒体流编码性质的考察,有必要在单个媒体流编码的传输中照顾到编码流内部不同重要程度的结构信息,为他们提供不同的网络服务质量。目前提出的适应这类多媒体信原编码特征的传送技术是在用户终端实施等保护和不等保护的纠分组删除前向纠错编码(前向纠错编码:以下简计为FEC)方案,但所有这些方案均存在如下问题:
·必定涉及到信息的交织,从而增大了传输时延
·编解码需要大量的计算资源和计算时间
·对等级的适配复杂,很难找到适应于各种情况的一揽子方案
因此有必要考虑通过网络的控制机制,为单个媒体编码流内部不同重要程度的结构信息提供不同网络服务质量的可能性,从而导致了本发明的业务内区分服务(Intra ServiceDifferentiation)的机制。
在业务内有区分服务看来,用户是以多个编码子流传送单个业务,所以在目前的网络条件下,业务内区分服务要求用户的多个编码子流占用单个TCP的公平带宽是较为合理的网络要求,但用户可以在合理的范围内要求网络提供给不同编码流不同的网络服务质量,本发明称通过TCP公平性来限制业务内区分服务的媒体流速率的机制,为TCP友好业务内区分服务,本发明将主要讨论TCP友好业务内区分服务。TCP友好业务内区分服务有如下要求:
·保证单个业务的多重/层编码子流输出分组间的时间顺序关系;
·允许用户调整不同编码子流的网络服务质量(如分组丢弃率);
·户占用的总体网络资源与单个等价TCP连接相当。
在目前IETF的业务间有区分服务的框架下,虽然用户可以将不同的编码输出子流影射到不同的服务等级,但存在下面一些主要问题:
·网络不能保证单个业务的多重/层编码子流输出分组间的时间顺序关系;
·影射只能是粗颗粒度的;
·不能绝对保证使用高等级业务的子流的性能一定优于低等级的,而这一点对于多子码流的媒体编码的恢复至关重要;
·不能公平地约束用户所使用的网络资源。
从实际网络服务的销售来说,很难要求用户使用目前IETF的业务间有区分服务来支持多重/层编码子流的多媒体应用,尽管它可以在提供相同的业务质量条件下使用较少的网络资源,如此宣称的理由是,目前IETF的业务间有区分服务不可能支持绝对的质量,因此不可能以每服务单独计费(pay-per-use)的方式进行推销,只可能以包月等的批发方式销售,很难想象一个订购了高服务等级的用户会因为节省网络资源而用高低服务搭配的方法传送单个媒体业务编码的多个子码流,最可能的办法是全用高服务等级服务来传送所有的编码流,造成不必要的资源浪费和网络高服务等级的拥塞。
本发明的目的是通过网络的控制机制,为单个媒体流编码内部不同重要程度的信息分组提供不同的网络服务质量,并能保证媒体流所占用的网络资源的TCP公平,提高网络资源的利用和媒体传输有效性,从而促进网络多媒体的发展和防止网络拥塞崩溃。
发明内容
本发明的解决方案是为每个媒体流提供一种业务内有区分服务的方法,不同于IETF所规范的业务类型间有区分服务,它为一个媒体流的不同部分提供不同质量的服务,其特征在于包括:在分组结构中增加携带分组优惠值的优惠券字段,并通过终端控制部分、发送端编码器与发送控制的层间交互协议部分和网络控制部分实现业务内有区分服务;其中终端控制部分由发送和接收终端控制组成,用于根据分组的重要性标记计算对应的分组优惠值,并根据测量的连接特性控制分组的发送;发送端编码器与发送控制的层间交互协议包括发送端编码器对分组重要性进行标记,以及发送控制通过反馈测量的等价TCP带宽对发送端编码器的编码速率进行控制;网络控制部分,主要由优惠值提取和优先级队列管理两部分组成,用于对携带不同优惠值的分组给以不同优先级的处理,如给优惠值小的分组较小的丢弃概率等,对不同重要性分组实现不等保护。
对于多媒体而言,根据媒体流自身的性质和所采用的压缩编码方案的性质,压缩后的分组码流大致可分为分组级别的流和子码流级别的流两类。本发明针对这两种不同的类型,分别设计了分组级别的业务内有区分服务的方法和子码流级别的业务内有区分服务的方法。
在分组级别的业务内有区分服务的方法中,发送终端将按照每个分组的不同重要程度设置贴在分组优惠券字段内的优惠值。
在子码流级别的业务内有区分服务的方法中,发送终端将媒体编码流分成多个子码流,并按照每个子码流的不同重要程度,设置不同的优惠值,每个分组的优惠券字段内所承载的是设置给该分组所属子码流的优惠值。
为了保证网络资源共享的公平性,本发明为分组级别的业务内有区分服务设计了优惠券加性增乘性减(CAIMD))终端协议,其主要特征是按照每个往返时间RTT内送出的所有分组的优惠值,计算窗口在下一RTT的线性增加值和乘性减小值,通过按发送分组的实际优惠值调节窗口增减量来达到TCP公平。
CAIMD协议的设计关键是如何计算窗口线性增加值和乘性减小值,而在实际计算中又和预期实现的TCP公平准则相关。本发明分别为简单公平准则和等价等速率等丢弃率公平准则设计了CAIMD协议中窗口线性增加值和乘性减小值的计算方法。其主要特征是在出现网络拥塞信号时窗口值减半,当不出现网络拥塞信号时,可分别按简单公平准则和等价等速率等丢弃率公平准则计算窗口线性增加值;在简单公平准则下,窗口线性增加值等于该RTT内送出的所有分组的优惠值的平方和除以该RTT内送出的所有分组数,而等价等速率等丢弃率公平准则下,窗口线性增加值等于该RTT内送出的所有分组的优惠值之和,乘以(1-估计出的等价网络分组丢弃率)的平方,再除以该RTT内送出的所有分组数;等价网络分组丢弃率可用丢弃的总分组数除以收到的所有分组的优惠值之和进行估计。
对于子码流级别的业务内有区分服务,仍可采用上述的简单公平准则和等价等速率等丢弃率公平准则来考虑TCP公平。当采用这些公平准则时,等价TCP分组丢弃率可通过测量码流的总分组丢弃事件率和优惠加权系数的乘积进行估计,计算优惠加权系数的方法是用各子码流速率之和除以优惠值加权的各子码流速率之和;等价TCP速率可通过估计的等价TCP分组丢弃率和估计的RTT,从TCP吞吐量公式算出;当采用简单公平准则时,应保证(优惠值加权的子码流速率和/编码流速率)≥(编码流速率/等价TCP速率)的平方,其中编码流速率是所有子码流速率之和;当采用等价等速率等丢弃率公平准则时,应保证(1-子码流速率之和/等价TCP速率+优惠值加权的各子码流速率之和/等价TCP速率)≥等价TCP分组丢弃率。
在子码流级别的业务内有区分服务中,可通过子码流优惠值和速率的设置来达到TCP公平下的最好质量保证。本发明为优惠值的设置发明了固定优惠比例方法(固定不同子码流间优惠值的比例关系)、固定优惠值方法固定部分不同子码流的优惠值)、固定分组丢弃率方法(固定部分子码流分组丢弃率)和它们的混合方法等多种方法,在上述每种方法中都可以通过适当调整子码流优惠值设置和速率设置满足选定的公平性准则。
针对如何在选定公平性准则下调整子码流的速率,本发明给出了固定有效子码流数目和动态有效子码流数目动态优惠边界两种解决方案,它们的共同特征是通过有一定时间间隔的测量得到当前各子码流实际发送速率,等价TCP分组丢弃率和等价带宽等参数,基于这些参数对下一时间间隔的发送速率进行估计,并通过各种测量和估计值得到在给定优惠值设置和公平准则下,下一时刻采用的新优惠值和调度发送分组的指导速率,并按计算出的指导调度速率和优惠值分别调度缓存发送分组和按分组所在子码流插入相应优惠值,它们的不同点是后者根据当前的TCP等价带宽确定当前关闭(即不发送)的不重要子码流的数目,和TCP分组丢弃率下所使用的优惠边界(即优惠值的某种下界)。
具体的说,固定有效子码流数目解决方案的主要特征是在不同的优惠值设置下,通过有一定时间间隔的测量得到当前各子码流实际发送速率,等价TCP分组丢弃率和等价带宽等参数,基于这些参数对下一时间间隔的发送速率进行估计,并通过各种测量和估计值得到在给定优惠值设置和公平准则下,下一时刻采用的新优惠值和调度发送分组的指导速率,并按计算出的指导调度速率和优惠值分别调度缓存发送分组和按分组所在子码流插入相应优惠值。
动态有效子码流数目动态优惠边界解决方案的主要特征是按照给定的关系,确定在不同TCP等价带宽下关闭的不重要子码流的数目,和确定在不同TCP分组丢弃率下所使用的优惠边界,并和固定有效子码流数目解决方案类似,通过有一定时间间隔的测量得到当前各子码流实际发送速率,等价TCP分组丢弃率和等价带宽等参数,基于这些参数对下一时间间隔的发送速率进行估计,并通过各种测量和估计值,包括动态有效子码流数目动态优惠边界,得到在给定优惠值设置和公平准则下,下一时刻采用的新优惠值和调度发送分组的指导速率,并按计算出的指导调度速率和优惠值分别调度缓存发送分组和按分组所在子码流插入相应优惠值。
本发明具有下列积极效果:与现行的有区分服务相比较,业务内有区分服务更能适应目前媒体流所采用的信源编码方式,网络结点控制机制简单统一,不需要象现行的有区分服务那样对整网路由器维护参数进行统一的配置和协调,因此易于实现,可扩展性好。对于用户终端来说,可以根据所传送媒体和媒体的信源编码特性,灵活地选择不同的业务内有区分服务要求,以达到最佳的网络资源利用和媒体重建质量的匹配。因此业务内有区分服务的解决方案更有利于推进多媒体业务在因特网上的开展。
附图说明
图1给出了本发明业务内有区分服务的总体构成。
图2给出了网络控制部分的构成。
图3给出了CRED的实现。
图4给出了分组级别流有区分服务终端控制部分的一个实现。
图5给出了利用TFRC中的分组丢弃事件估计器和带宽探测器在业务内区分服务中估计TCP分组丢弃率和TCP等价带宽的方法。
图6给出了固定有效子码流数目解决方案的一个实现框图。
图7给出了动态有效子码流数目动态优惠边界解决方案的一个实现框图。
具体实施方式
下面对照附图对本发明进行详细说明。
编码流:目前占主导地位的多媒体业务可分为传送不连续对象流(如连续传送一张张图片)和传送连续对象流(如传送语声和视像等)两类,对于当前的网络传输条件来说,无论传送哪种类型的流,都要涉及对媒体流的有损压缩编码,本发明称压缩编码后的流为编码流。对于不同性质的媒体流,压缩编码后的编码流有着明显不同的特性,由于不连续对象流中的各个对象间一般不存在相关性,压缩编码工作是针对一个个对象独立进行的,压缩编码后的编码流中,可能会出现很多不同的重要性级别,而且产生的同一重要性级别的信息量会在小时间尺度上表现出明显的波动,因此只能在分组的级别上把握信息的重要性,本发明称这样的编码流为分组级别重要性区分的流,简称为分组级别的流;相反的,连续对象流有本质上的时间相关性,所以一般采用的压缩编码算法均利用了这种相关性,压缩编码后的编码流中,一般只涉及有限的几个结构类型,每个结构类型不但有较为固定的重要性,而且有较为明显的流性质,即在小时间尺度上有较为恒定的信息速率,本发明称每个结构类型为一个子码流。连续对象流在编码后,不同信息成分的不同重要性区别,可以在子码流的级别上把握,本发明称这样的编码流为子码流级别重要性区分的流,简称为子码流级别的流。
总体构成:本发明的总体构成见图1,本发明在分组结构中增加了优惠券字段,并用分组结构中的优惠券字段来携带该分组的优惠值。本发明的控制机制由三个主要部分组成:发送和接收终端所采用的终端控制部分、发送端编码器与发送控制的层间交互协议部分和网络所采用的控制机制部分。分组优惠券上所携带的优惠值是连接这三部分工作的关键。分组所携带的优惠值一方面反应该分组在信息恢复中的重要性,另一方面又反应该分组期望得到的网络服务质量。正是通过赋予不同重要性信息分组不同的优惠值,再通过网络提供给不同优惠值的分组不同的服务质量,达到了在网络无流状态下,提供业务内有区分服务的目的。
网络控制部分:用于业务内有区分服务的网络控制部分的构成参照图2,它主要由优惠值提取和优先级队列管理两部分组成。优惠值提取模块从到达分组的优惠券字段中抽取分组携带的优惠值,并将优惠值转化为优先级队列管理模块的控制参数,输出给优先级队列管理模块。优先级队列管理模块的功能是根据输入的分组优先级参数确定对分组的处理行为,一般的处理是决定是否丢弃该到达分组,较为复杂的优先级队列管理机制可能还会有分组插队,分组踢出(pushout)等一系列动作,本发明对优先级队列管理模块所采用的管理机制不做硬性规定,但建议采用优惠券RED(下面简称为CRED)的实现方案,CRED的实现参照图3,它由优惠值提取、RED算法、乘法器、缓存接纳控制和缓存五部分组成。优惠值提取模块从到达分组P的优惠券字段中抽取分组携带的优惠值C(P),并将优惠值输出给乘法器。RED算法模块实施经典的RED算法,它随时统计平均缓存占用长度,并根据平均缓存占用长度,以及预先设置的最小缓存门限、最大缓存门限和控制斜率,计算出一个分组丢弃概率γ,RED算法模块所计算出的分组丢弃概率γ也被输出给乘法器。乘法器模块根据输入的到达分组优惠值C(P)和RED算出的分组丢弃概率γ计算出缓存接纳控制概率q=γC(P),作为控制参数输出到缓存接纳控制模块。缓存接纳控制模块根据输入的缓存接纳控制概率q确定是将到达分组放入缓存还是丢弃该到达分组,判决的方法是产生一个0到1之间均匀分布的随机数x,若x的值大于q则将该到达分组放入缓存,否则丢弃该到达分组。缓存模块就是普通的FIFO,它顺序接纳分组和送出分组,当缓存空间装满后,拒绝接受送入的任何分组,只有当有分组输出腾出空间后,才又开始接纳进入的分组。
虽然本发明并没有硬性规定优先级队列管理模块所采用的管理机制,但仍建议首选CRED作为网络控制机制,因为CRED实现简单,控制连续,容易将终端控制协议提供的优惠值转化为网络行为的控制参数。在下面的讨论中,本说明书将假定网络采用CRED作为网络控制机制。
终端部分:我们将发送和接收终端所采用的终端控制部分,及发送端编码器与发送控制的层间交互协议部分这两部分合称为终端部分,为了适配分组级别的流和子码流级别的流的不同特征,本发明对于分组级别的流和子码流级别的流分别设计了不同的终端协议,分述如下:
分组级别编码流的终端部分:
优惠值函数:本发明不具体规定信源编码器对其拼装成的分组的重要性的规定方式和标记方式,但为了叙述方便,本说明书假定信源编码器用自然数对分组的重要性进行标记,并假定重要性标记小的分组较重要性标记大的分组重要。本发明规定分组的优惠值用0到1间的实数表示,网络对于优惠值较小的分组提供质量较高的服务。本发明称从分组重要性到分组优惠值的映射为优惠值函数,它的定义域是所有可能的重要性标记,而值域是0到1的闭区间。任何定义在自然数上的取值在[0,1]区间的增函数都可以用做优惠值函数。
优惠券加性增乘性减(CAIMD)协议:本发明为分组级别流的终端传输控制部分设计了优惠券加性增乘性减(CAIMD)协议,与经典的加性增乘性减(AIMD)协议的主要不同,是CAIMD按照每个往返时间(RTT)内送出的所有分组的优惠值,计算窗口在下一RTT的线性增加值(如果不出现网络拥塞信号)和乘性减小值(如果出现网络拥塞信号),通过调节窗口增减量和优惠值间的关系达到TCP公平,因此在CAIMD中,线性增加值和乘性减小值都是一个RTT内送出分组的优惠值的函数,分别称为线性增加值函数和乘性减小值函数。
目前尚不存在一般意义上的、大家都接受的TCP公平性准则,因此本发明并不限制可能使用的TCP公平性准则,在不同的TCP公平性准则下会设计出不同的线性增加值函数和乘性减小值函数,因此本发明也不限制可能使用的线性增加值函数和乘性减小值函数,只要这些函数的使用能够保证给定的TCP公平。但作为例子和实际可用方案,本发明分别给出简单公平准则和等价等速率等丢弃率公平准则下的一个可能的线性增加值函数和乘性减小值函数的设计,这两个设计方案本身也被视为本发明的一个有机组成部分。
简单公平准则下的CAIMD设计:为了实现简单,简单公平准则下的CAIMD仍采用出现网络拥塞信号时窗口值减半的乘性减小值函数;当不出现网络拥塞信号时,在简单公平准则下,窗口线性增加值等于该RTT内送出的所有分组的优惠值的平方和除以该RTT内送出的所有分组数,如果记该RTT内送出了N个分组,第j个组所携带的优惠值为cj,则对应的窗口线性增加值函数为:
当只有一个重要性等级时,上述线性增加值函数所选取的优惠值c恰好与我们在专利“用于TCP友好速率控制的优惠券机制的方法与电路”中规定的简单公平准则下的优惠值相同。
等价等速率等丢弃率公平准则下的CAIMD设计:为了实现简单,等价等速率等丢弃率公平准则下的CAIMD仍采用出现网络拥塞信号时窗口值减半的乘性减小值函数;当不出现网络拥塞信号时,等价等速率等丢弃率公平准则下,窗口线性增加值等于该RTT内送出的所有分组的优惠值的和,乘以(1-估计出的等价网络分组丢弃率)的平方,再除以该RTT内送出的所有分组数。如果记估计出的等价网络分组丢弃率为q,记该RTT内送出了N个分组,第j个组所携带的优惠值为cj,则对应的窗口线性增加值函数为:
等价网络分组丢弃率
可用丢弃的总分组数除以收到的所有分组的优惠值之和进行估计,即如果记丢弃的总分组数为Nd,则:
分组级别流业务内有区分服务终端部分的实现:分组级别流有区分服务终端控制部分的一个可能实现示于图4,由信源编码器、发送缓存、发送门控制、窗口控制器、重要性标记提取、优惠值函数、优惠值插入、分组计数、窗口线性增加值函数、RTT估计、网络分组丢弃率估计、分组丢弃识别等12个单元构成。本发明并不规范信源编码器,但要求信源编码器将每个分组对所携带信息的重要性进行标记,标记后的分组送到传输层协议的发送缓存单元进行排队。发送缓存单元的分组在由窗口控制器控制的发送门控制单元的管理下,送往优惠值插入单元;分组被送往优惠值插入单元之前,其所携带的重要性标记被重要性标记提取单元提取出来,送到优惠值函数单元;根据收到的来自重要性标记提取单元的分组重要性标记,优惠值函数单元用设定的优惠值函数计算该分组应赋予的优惠值,并将这个优惠值送交优惠值插入单元,优惠值插入单元将收到的优惠值写入该分组发送结构中的优惠券字段后,将该分组发送给网络,在分组进入网络前,发送部分要通过分组计数单元对每个RTT内送出的分组进行计数;分组计数单元得到的每RTT送出分组个数的估计和优惠值函数单元计算出的优惠值还同时送往窗口线性增加值函数单元,计算出下一个RTT窗口的线性增加值;这个线性增加值和网络分组丢弃率估计单元与分组丢弃识别单元所估计的结果同时被送到窗口控制器,该单元根据设定的公平准则来确定窗口的实际变化行为;当采用等价等速率等丢弃率公平准则时,网络分组丢弃率估计单元对当前网络的TCP丢弃率进行估计,并将估计的结果一并送往窗口线性增加值函数单元;当分组丢弃识别单元在本RTT结束时仍未识别出任何分组丢失,则窗口控制器单元将在窗口的原有值上增加一个由窗口线性增加值函数单元计算出的窗口线性增加值;当分组丢弃识别单元在本RTT结束前就发现分组丢失,则窗口控制器单元将窗口的原有值减半。RTT估计、分组丢弃识别、网络分组丢弃率估计等三单元处理的是从接收端返回的ACK分组,它们通过接收端返回ACK分组的通报信息内容和到达时间,分别计算当前的RTT值、识别分组丢弃事件、及对当前网络的TCP丢弃率进行估计。
当采用CAIMD机制时,优惠值选取的偏小会使分组的发送速率降低,因此可以系统的自适应优惠值选取来协调传输质量和传输速率间的关系。自适应可以在两个方向上进行,一是设置一个系统的优惠值系数,并使这个系统的优惠值系数随发送缓存的占用情况自适应变化,当缓存长度增加时减小系统的优惠值系数,反之增加系统的优惠值系数,而每个分组的优惠券字段填充的优惠值是系统的优惠值系数与优惠值函数计算出的优惠值的乘积;另一个方向是按照分组重要性标记的动态范围改变优惠值函数,从而避免当重要性标记的动态范围有较大波动时,计算出的优惠值系统地偏大或偏小。
子码流级别编码流的终端部分:
子码流类型到优惠值的映射:子码流级别编码流的信源编码器一般输出有限类型的子码流,为了叙述方便,本发明假定有{1,2,…,K}个子码流类型,并假定编号小的子码流重要性高。为了能兼容已有的信源编码器,对子码流级别编码流的信源编码器,本发明并不要求对分组的重要性进行标记,而只要求每个分组携带分组信息所属子码流类型的某种形式的标记(如在MPEG编码器中,指明分组属于I/P/B帧的哪类帧)。对于子码流级别编码流,本发明只要求规定一个从子码流类型向优惠值映射的优惠值函数关系,一个子码流类型被映射到较小的优惠值说明该类型的子码流在信息恢复重构时较为重要。根据不同的媒体和媒体传输特定情况的特定要求,可以有多种子码流类型到优惠值的映射方法,如固定优惠比例方法(固定不同子码流间优惠值的比例关系)、固定优惠值方法(固定部分或所有子码流的优惠值)、固定分组丢弃率(固定部分重要子码流的分组丢弃率)、及上述几种方法的混合使用等方法。上述各种方法各有缺点,很难说一种方法就一定比另一种方法好,到底选择哪一种方法取决于多种因素的考量。当考虑到TCP公平时,固定优惠比例方法的最大特点,是在网络拥塞时可以通过放宽对总体分组丢弃率的要求,来保证适当的传送速率,因此当传送速率对于媒体的恢复重构较为重要时可考虑使用,这样就能较平滑地随网络的拥塞情况动态地调整媒体的传输质量;固定优惠值和固定分组丢弃率方法,特别是固定重要子码流优惠值或丢弃率的方法的最大特点是在网络严重拥塞的情况下,也能保障重要编码部分较为固定的分组丢弃率,因此当重要编码部分对于媒体的恢复重构较为重要时可考虑使用,这样就能够在较为恶劣的网络条件下保持媒体传输的最低质量,但它们的前提是被固定优惠值或分组丢弃率的那部分子码流的产生速率不能高。
如果我们用cj表示子码流类型j所对应的优惠值,并称
为总优惠值,则固定优惠比例方法要求
保持不变,我们称wj为子码流类型j的权重,在编号小的子码流重要性高的假定下,wj的值随脚标j的增加而加大;对于固定优惠值方法,我们要求被固定优惠值的子码流类型j的优惠值cj保持不变;对于固定丢弃率方法,记被固定丢弃率的子码流类型j的目标分组丢弃率为lj,我们要求相应的优惠值cj随网络分组丢弃率q做如下变化:
作为混合方法的例子,我们可以要求某几个子码流类型的优惠值或丢弃率保持不变,而要求其它几个子码流类型的权重保持不变。
TCP公平下的发送速率/优惠值关系:本发明要求,当采用简单公平准则时,应保证(优惠值加权的子码流速率和/编码流速率)≥(编码流速率/等价TCP速率)的平方,称为简单公平准则下的发送速率-优惠值关系,其中编码流速率是所有子码流速率之和,如果记子码流类型j所对应的实际发送速率和优惠值分别为rj和cj,记编码流速率为
并记TCP等价带宽为rtcp,则上述要求可写为如下数学表达式:
当只有一个子码流类型时,上式退化成我们在专利“用于TCP友好速率控制的优惠券机制的方法与电路”中规定的简单公平准则下的优惠值公式。
当采用等价等速率等丢弃率公平准则时,应保证(1-子码流速率之和/等价TCP速率+优惠值加权的各子码流速率之和/等价TCP速率)≥等价TCP分组丢弃率,称为等价等速率等丢弃率公平准则下的发送速率-优惠值关系,如果除上面的记号外,记TCP的分组丢弃率为qtcp,则上述要求可写为如下数学表达式:
将上式写成下面的等价形式可能更容易理解:
上式左边第一个括号内表示的是相对于TCP等价带宽而言。媒体编码流在单位时间内少送出的分组数,左边最后一项表示送出的媒体编码流在单位时间内丢失分组的期望数,它们的和是当假定媒体编码流的速率也为TCP等价带宽时,在单位时间内的等价分组丢弃数,而右式恰好是单位时间内TCP分组丢弃数的期望,这样等价等速率等丢弃率公平准则的物理意义可简述为媒体流不应经历比等价TCP更小的分组丢弃率,换言之,尽管对部分分组要求了较小的丢弃率,但媒体流在单位时间内所成功接收到的分组数不得超过等价TCP所成功接收到的分组数。业务内有区分服务的目的,是保证媒体流成功接收到的是价值较高的分组。
TCP等价带宽和TCP分组丢弃率的估计:图5给出了利用标准TFRC中的分组丢弃事件估计器和带宽探测器在业务内区分服务机制中,估计TCP分组丢弃率和TCP等价带宽的方法。等价TCP分组丢弃率可通过标准的TFRC接收协议中规定的方法测量接收到的总的流的分组丢弃事件率qrep,发送端可通过接收方报告的qrep,根据各子码流的实际发送速率{rj}和实际优惠值{cj},用下面公式算出等价TCP分组丢弃率qtcp:
等价TCP速率rtcp可通过估计的等价TCP分组丢弃率和估计的RTT,从TCP吞吐量公式算出。目前认为较好的TCP吞吐量公式为:
其中tRTO可估计为4RTT。上述TCP吞吐量公式可近似为:
称为简单TCP吞吐量公式,基于简单TCP吞吐量公式,当在发送端采用一个标准的TFRC带宽估计器,根据从接收方报告的qrep中探测带宽时,所探测到的带宽rpb可近似为:
子码流级别流业务内有区分服务终端部分的实现:在子码流级别业务内有区分服务的实现中,有下面三点要首先考虑,第一是如何根据网络可提供资源限制编码器输出速率的问题;第二点是如何确定有效子码流数目的问题;第三点是如何对终端协议实施所必须的参数进行实时测量的问题。对于第一点,本发明总假定信源编码器能够通过发送缓存提供的反压(如缓存占用情况)自动地调整其输出速率;在第二点中,所谓有效子码流是指终端传输协议实际送入网络的那些子码流,这个问题的提出是当要求TCP公平时,终端传输协议必须按照TCP公平所确定的速率发送子码流的分组,而在输出带宽受限时,不同的媒体编码可能会要求不同的处理方法,有的可能希望所有编出的子码流都能够被发送到网络,而有的编码方案可能会希望只将某些重要性等级高的子码流送入网络,而通过完全关闭重要性等级低的子码流的发送来增加重要性等级高的子码流的发送速率,本发明将分别给出固定有效子码流数目和动态有效子码流数目两种解决方案,实际上,固定有效子码流数目解决方案可以看成是动态有效子码流数目解决方案的特例;对于第三点,本发明假定对终端协议实施所必须的参数的实时测量是按照某个大致固定的时间间隔周期地进行的,而这个大致固定的时间间隔可采用标准TFRC所确定的时间间隔。
固定有效子码流数目终端控制的实现:图6是固定有效子码流数目终端控制的一个实现框图,该实现由信源编码器、发送缓存、速率调度、速率统计、优惠值插入、TCP丢弃率和带宽估计器、定时器、优惠值-速率控制等8个单元构成。本发明假定信源编码器输出K个子码流,且子码流的编号越小重要性越高。本发明并不规范信源编码器,但要求信源编码器将每个分组所属的子码流编号进行标记,并能通过缓存长度反压调整编码速率(也可以不调整,这时缓存溢出将限制信源编码器实际送入传输协议层的速率);信源编码器或者其它高层控制还为传输协议层提供一个质量控制策略,这个策略将规范优惠值-速率控制单元的行为;标记后的分组送到传输层协议的发送缓存单元进行排队。定时器产生一个按时间长度{τt}间隔的定时脉冲,其中τt是指第t-1个脉冲和第t个脉冲间的时间间隔。在每个定时脉冲出现时,终端控制实现中的各个单元将记录这个时间间隔内所测量的结果,并在记录后重置初始值,开始下一个时间间隔的测量。在第t个脉冲出现时,速率统计单元测量的各子码流的速率记为{rj,t},它们是刚刚结束的时间间隔内各子码流输出到网络的实际速率,又被看成是对下一时间间隔内各子码流输出速率的一个估计。在第t个脉冲出现时,TCP丢弃率和带宽估计器将根据在刚刚结束的时间间隔内的测量,产生出TCP丢弃率qtcp,t和等价带宽rtcp,t的估计,而优惠值-速率控制单元根据TCP丢弃率和带宽估计器和速率统计单元的结果,计算出下一时间间隔所采用的优惠值{cj,t}和分组调度速率
其中ηt称为速率控制因子,
是速率统计单元测量到的各子码流速率总和。优惠值-速率控制单元计算出的下一时间间隔所采用的优惠值被送到优惠值插入单元,优惠值插入单元在下一时间间隔内,将根据每个到达分组所属的子码流,将该子码流对应的优惠值插入该分组。优惠值-速率控制单元计算出的下一时间间隔所采用的分组调度速率被送到速率调度单元,速率调度单元将根据这个值在下一时间间隔从发送缓存调度分组输出。
这里需要强调一点,当采用图5给出了利用标准TFRC中的分组丢弃事件估计器和带宽探测器估计TCP分组丢弃率和TCP等价带宽时,计算第t个脉冲时的等价TCP分组丢弃率qtcp,t和等价带宽rtcp,t所依据的优惠值应为第t-1个脉冲时的值,即{cf,t-1},但所依据的子码流速率应为第t个脉冲到达时实际统计出的值,即{rj,t},这样在第t个脉冲开始时我们对于下一时间间隔估计的发送速率
和
上一时间间隔的实际发送速率rt和{rj,t},下一时间间隔估计的TCP分组丢弃率qtcp,t和等价带宽rtcp,t可计算如下:
基于这组估计,简单公平准则时应有:
等价等速率等丢弃率公平准则应有时:
优惠值-速率控制单元的实现较为复杂,它与给定的公平性准则和给定的优惠值设置策略均有关联,本发明假定公平性准则和优惠值设置策略是通过质量控制策略进行设定的,下面给出在不同的设定下,优惠值-速率控制单元的实现功能。
比例优惠值策略:目标优惠值设置为:
其中c(S)称为优惠边界,它的设置是防止要求的所有优惠值都太低,以至于无法测得正确的网络带宽和丢弃率。在这个设定下优惠值实际上是固定的,因此优惠值-速率控制单元的主要任务是计算速率调整因子ηt,计算公式为:
固定重要部分优惠值固定非重要部分比例优惠值策略:假定前M个子码流为重要部分,目标优惠值为:
{c1,…,cM}固定,
在这个设定下优惠值实际上也是固定的,优惠值-速率控制单元的主要任务仍是计算速率调整因子ηt,计算公式为:
固定重要部分丢弃率固定非重要部分比例优惠值策略:假定前M个子码流为重要部分,目标优惠值为:
在这个设定下,子码流M+1到子码流K的优惠值实际上是固定的,优惠值-速率控制单元首先要根据测量得到的TCP分组丢弃率qtcp,t确定前M个子码流的优惠值:
然后计算速率调整因子ηt,计算公式为:
动态有效子码流数目动态优惠边界终端控制的实现:图7是动态有效子码流数目动态优惠边界终端控制的一个实现框图,所谓动态有效子码流数目是指终端发送协议按照实际测得的TCP等价带宽,来动态关闭不重要子码流的个数,为此要求在质量控制策略中给出一个动态子码流函数N(rtcp),规定在不同等价TCP带宽时传送的子码流个数,具体的说,当t时刻探测到rtcp后,下一时间间隔内只传送编号为{1,2,…N(rtcp)}的子码流。这时速率调度单元需要增加滤除编号大于N(rtcp)的子码流的功能;所谓动态优惠边界是指终端发送协议按照实际测得的TCP分组丢弃率动态确定优惠边界值c(S),这样做的目的是在网络实际分组丢弃率较大时,可以适当减小优惠边界值c(S),从而在不损伤测量正确性的同时得到较为明显的质量保证。为此要求在质量控制策略中同时还给出了一个动态优惠值边界函数c(S)(qtcp),规定在不同等价TCP丢弃率时所采用优惠边界值,一般来说它是qtcp的减函数。图7所示的动态有效子码流数目动态优惠边界终端控制的实现,与图6所示的固定有效子码流数目终端控制的实现基本相同,该实现仍由信源编码器、发送缓存、速率调度、速率统计、优惠值插入、TCP丢弃率和带宽估计器、定时器、优惠值-速率控制等8个单元构成。除了前面叙述的在质量控制策略内容的不同以外,动态有效子码流数目动态优惠边界终端控制实现的主要不同是优惠值-速率控制单元和速率调度单元的行为。优惠值-速率控制单元除了要将下一时间间隔的调度速率
送给速率调度单元外,还要把在下一时间间隔内如何过滤子码流的依据Kt=N(rtcp,t)送往调度单元,在估计下一时间间隔的发送速率时,要考虑到因等价TCP丢弃率变化引起的关闭子码流个数的不同,所以对下一时间间隔发送速率的估计
与在本时间间隔内实际发送的速率
不同。另一方面,调度单元除了用指导速率
对编号小于等于Kt=N(rtcp,t)的子码流进行速率调度外,还要滤除编号大于Kt=N(rtcp,t)的子码流,被滤除的子码流必须输出到速率统计单元进行速率统计,因为如果下一个时间间隔网络可用带宽增加时,优惠值-速率控制单元对下下一个时间间隔的发送速率进行估计时,可能会要使用这些统计。总的来说,在优惠值-速率控制单元的控制方面,将固定子码流数目情况的公式中的K用Kt=N(rtcp,t),c(S)用
替代后,就是在动态子码流数目和动态优惠边界时的相应控制公式。下面给出动态有效子码流数目和动态优惠边界终端控制在不同的设定下,优惠值-速率控制单元的实现功能。首先将有关的参数估计总结如下:
简单公平准则时:
等价等速率等丢弃率公平准则时:
比例优惠值策略:即目标优惠值为:
优惠值-速率控制单元首先根据测量得到的TCP的根据测量得到的等价带宽rtcp,t计算Kt=N(rtcp,t)和根据测量得到的TCP丢弃率qtcp,t计算
然后根据ct (S)确定前Kt=N(rtcp,t)个子码流的优惠值:
然后计算速率调整因子:
固定重要部分优惠值固定非重要部分比例优惠值策略:假定前M个子码流为重要部分,并假定总有N(rtcp)>M。目标优惠值为:
{c1,…,cM}固定,
优惠值-速率控制单元首先根据测量得到的TCP的根据测量得到的等价带宽rtcp,t计算Kt=N(rtcp,t)和根据测量得到的TCP丢弃率qtcp,t计算
然后根据ct (S)确定非固定优惠值部分的子码流的优惠值:
然后计算速率调整因子:
固定重要部分丢弃率固定非重要部分比例优惠值策略:假定前M个子码流为重要部分,并假定总有N(rtcp)>M。目标优惠值为:
优惠值-速率控制单元首先根据测量得到的TCP的根据测量得到的等价带宽rtcp,t计算Kt=N(rtcp,t)和根据测量得到的TCP丢弃率qtcp,t计算
然后根据ct (S)确定固定优惠值部分和非固定优惠值部分的子码流的优惠值:
然后计算速率调整因子:
Claims (9)
1、一种业务内有区分服务的方法,用于提供不同于IETF所规范的业务类型间有区分服务的一种服务质量区分机制,其特征在于包括:在分组结构中增加携带分组优惠值的优惠券字段,并通过终端控制部分、发送端编码器与发送控制的层间交互协议部分和网络控制部分实现业务内有区分服务;其中终端控制部分由发送和接收终端控制组成,用于根据分组的重要性标记计算对应的分组优惠值,并根据测量的连接特性控制分组的发送;发送端编码器与发送控制的层间交互协议包括发送端编码器对分组重要性进行标记,以及发送控制通过反馈测量的等价TCP带宽对发送端编码器的编码速率进行控制;网络控制部分,主要由优惠值提取和优先级队列管理两部分组成,用于对携带不同优惠值的分组给以不同优先级的处理,对不同重要性分组实现不等保护。
2、按照权利要求1所述的业务内有区分服务的方法,分组级别的业务内有区分服务的方法,其特征在于按照每个分组的不同重要程度设置贴在分组优惠券字段内的优惠值。
3、按照权利要求1所述的业务内有区分服务的方法,子码流级别的业务内有区分服务的方法,其特征在于将媒体编码流分成多个子码流,按照每个子码流的不同重要程度,设置不同的优惠值,每个分组的优惠券字段内所承载的是设置给该分组所属子码流的优惠值。
4、按照权利要求1或2所述的业务内有区分服务的方法,其特征在于优惠券加性增乘性减终端协议按照每个往返时间RTT内送出的所有分组的优惠值,计算窗口在下一RTT的线性增加值和乘性减小值,通过按发送分组的实际优惠值调节窗口增减量来达到TCP公平。
5、按照权利要求1或2所述的业务内有区分服务的方法,其特征在于终端协议中计算窗口线性增加值和乘性减小值的方法,在出现网络拥塞信号时窗口值减半,当不出现网络拥塞信号时,可分别按简单公平准则和等价等速率等丢弃率公平准则计算窗口线性增加值;在简单公平准则下,窗口线性增加值等于该RTT内送出的所有分组的优惠值的平方和除以该RTT内送出的所有分组数,而等价等速率等丢弃率公平准则下,窗口线性增加值等于该RTT内送出的所有分组的优惠值之和,乘以1-估计出的等价网络分组丢弃率的结果的平方,再除以该RTT内送出的所有分组数;等价网络分组丢弃率可用丢弃的总分组数除以收到的所有分组的优惠值之和进行估计。
6、按照权利要求1或3所述的业务内有区分服务的方法,其特征在于保障TCP公平时可分别采用简单公平准则和等价等速率等丢弃率公平准则;当采用公平准则时,等价TCP分组丢弃率可通过测量码流的总分组丢弃事件率和优惠加权系数的乘积进行估计,计算优惠加权系数的方法是用各子码流速率之和除以优惠值加权的各子码流速率之和;等价TCP速率可通过估计的等价TCP分组丢弃率和估计的RTT,从TCP吞吐量公式算出;当采用简单公平准则时,应保证:优惠值加权的子码流速率和/编码流速率≥(编码流速率/等价TCP速率)2,其中编码流速率是所有子码流速率之和;当采用等价等速率等丢弃率公平准则时,应保证:1-子码流速率之和/等价TCP速率+优惠值加权的各子码流速率之和/等价TCP速率≥等价TCP分组丢弃率。
7、按照权利要求1或3所述的业务内有区分服务的方法,其特征在于子码流优惠值和速率的设置中,可以采用固定优惠比例方法、固定优惠值方法、固定分组丢弃率方法和它们的混合方法确定优惠值设置;在上述每种方法中都可以通过调整子码流优惠值设置和速率设置满足选定的公平性准则。
8、按照权利要求1或3所述的业务内有区分服务的方法,其特征在于固定有效子码流数目解决方案,在不同的优惠值设置下,通过有一定时间间隔的测量得到当前各子码流实际发送速率,等价TCP分组丢弃率和等价带宽,基于这些参数对下一时间间隔的发送速率进行估计,并通过测量和估计值得到在给定优惠值设置和公平准则下,下一时刻采用的新优惠值和调度发送分组的指导速率,并按计算出的指导调度速率和优惠值分别调度缓存发送分组和按分组所在子码流插入相应优惠值。
9、按照权利要求1或3所述的业务内有区分服务的方法,其特征在于动态有效子码流数目动态优惠边界解决方案,按照给定的关系,确定在不同TCP等价带宽下关闭的不重要子码流的数目,和确定在不同TCP分组丢弃率下所使用的优惠边界,通过有一定时间间隔的测量得到当前各子码流实际发送速率,等价TCP分组丢弃率和等价带宽,基于这些参数对下一时间间隔的发送速率进行估计,并通过测量和估计值,包括动态有效子码流数目动态优惠边界,得到在给定优惠值设置和公平准则下,下一时刻采用的新优惠值和调度发送分组的指导速率,并按计算出的指导调度速率和优惠值分别调度缓存发送分组和按分组所在子码流插入相应优惠值。
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