摘  要： 為了解決流媒體傳輸擁塞控制機(jī)制的不足，提出了一種基于鏈路延遲抖動(dòng)趨勢的TFRC改進(jìn)算法。對傳統(tǒng)的TFRC擁塞控制算法以及鏈路延遲抖動(dòng)變化趨勢進(jìn)行了分析，采用對鏈路擁塞狀況進(jìn)行預(yù)測的策略，引入抖動(dòng)因子來修正TFRC的吞吐量公式，由鏈路延遲抖動(dòng)的趨勢自適應(yīng)地調(diào)整發(fā)送速率。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)算法在保持TCP友好性的前提下，有效提高了流媒體數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠交院头€(wěn)定性。
關(guān)鍵詞： 擁塞控制；流媒體；TFRC；TCP友好性

　對流媒體數(shù)據(jù)傳輸?shù)膿砣刂蒲芯烤哂兄匾饬x，在提高流媒體傳輸QoS中起關(guān)鍵性作用。隨著信息化、網(wǎng)絡(luò)化和多媒體技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奈募兊迷絹碓酱?，早期將文件下載到本地再播放的方式已成為網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的一個(gè)障礙。在這種情形下對流媒體技術(shù)的研究成為多媒體技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。流媒體業(yè)務(wù)對速率抖動(dòng)和延遲的敏感特性決定了傳統(tǒng)的TCP擁塞控制機(jī)制對它并不適用；而通常作為流媒體音視頻傳輸層協(xié)議的UDP只能保證盡力傳輸，缺乏相應(yīng)的擁塞控制機(jī)制，一旦發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁塞，UDP與TCP競爭的不公平性可能導(dǎo)致TCP流的“饑餓”甚至擁塞崩潰的發(fā)生。
　針對上述問題，人們通過引入類似TCP速率控制機(jī)制的TCP友好性（TCP Friendly）機(jī)制來實(shí)現(xiàn)流媒體數(shù)據(jù)流與TCP流共同分享可用帶寬。TFRC（TCP-Friendly Rate Control）便是其中最具代表性的一種TCP友好協(xié)議。從HANDLEY M等提出TFRC尤其是2003年IETF發(fā)布文檔RFC3448以來[1]，眾多學(xué)者以此為參考對流媒體擁塞控制算法進(jìn)行了研究和改進(jìn)。參考文獻(xiàn)[2]指出TFRC在網(wǎng)絡(luò)狀況好的情況下表現(xiàn)得過于保守，導(dǎo)致帶寬利用率不高，提出利用模糊邏輯擁塞控制策略（FLC）來調(diào)整視頻發(fā)送速率，并用遺傳算法優(yōu)化模糊控制規(guī)則，以提高擁塞控制性能；但模糊化的不確定性和模糊控制規(guī)則的選取都會(huì)很大程度地對控制效果產(chǎn)生很大的影響。參考文獻(xiàn)[3]提出一種基于概率偏差計(jì)算超時(shí)重傳時(shí)間（RTO）的算法，以實(shí)際丟包事件概率與最優(yōu)丟包事件概率之間的偏差為依據(jù)，對實(shí)時(shí)的RTO值進(jìn)行放大或縮小，使其更接近當(dāng)前TCP流的RTO來實(shí)現(xiàn)更好的TCP友好性。參考文獻(xiàn)[4]提出對TFRC計(jì)算公式中丟包率的不同冪級(jí)引入權(quán)重系數(shù)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度在網(wǎng)絡(luò)擁塞嚴(yán)重時(shí)加大發(fā)送速率，在擁塞較輕時(shí)減少發(fā)送速率，以保證流媒體數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定，增加了對不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下如何來確保吞吐率穩(wěn)定性的考慮。
　本文在對TFRC擁塞控制機(jī)制分析研究的基礎(chǔ)上，提出一種基于鏈路延遲抖動(dòng)趨勢的TFRC改進(jìn)算法TFRC-DJT（TFRC-Delay Jitter Trend），通過對抖動(dòng)延遲的計(jì)算分析，并引入抖動(dòng)因子對吞吐率估值進(jìn)行調(diào)整，對鏈路中的擁塞狀況作早期的預(yù)測以提高傳輸?shù)钠椒€(wěn)度和TCP友好性。
1 TFRC擁塞控制算法
　現(xiàn)網(wǎng)中數(shù)據(jù)大部分都為TCP或者UDP的流，由于受Internet異構(gòu)性的影響，早期的TCP協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)擁塞控制方面存在許多不足。為此，對TCP協(xié)議擁塞控制的研究從20世紀(jì)80年代初開始就未停止過，從最初的RFC793（TCP-Tahoe）提到擁塞避免算法以來，TCP協(xié)議歷經(jīng)TCP-Reno、TCP-Vegas、FAST-TCP和TCP-New-Reno等版本，擁塞控制算法被不斷改進(jìn)和完善。尤其是慢啟動(dòng)和擁塞避免的提出，以及后來快速重傳和快速恢復(fù)的引入使得TCP協(xié)議的可靠傳輸成為可能[5]。但與此同時(shí)，可靠傳輸是以犧牲時(shí)延作為代價(jià)的，較大的傳輸延時(shí)使其無法直接應(yīng)用于許多像流媒體這樣的實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)中。
1.1 流媒體的擁塞控制機(jī)制
傳統(tǒng)的流媒體傳輸方式是基于UDP的，并不具有TCP友好性。UDP流在瓶頸鏈路上容易造成嚴(yán)重的資源不公平占用，甚至出現(xiàn)嚴(yán)重的擁塞，導(dǎo)致數(shù)據(jù)交付延遲、吞吐量下降以及丟棄概率增加等現(xiàn)象的發(fā)生。在TCP流大約占90%通信量的Internet，流媒體應(yīng)用必須具備一定的擁塞控制機(jī)制來達(dá)到TCP友好性[6]。此外，流媒體數(shù)據(jù)的傳輸會(huì)隨著網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化而改變，導(dǎo)致其傳輸狀態(tài)在擁塞的起始狀態(tài)和穩(wěn)定狀態(tài)之間不斷變化，較好的擁塞控制方案還必須考慮應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)變化時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖諗刻匦约皞鬏數(shù)钠椒€(wěn)性，以避免大幅波動(dòng)。
現(xiàn)行的大多數(shù)流媒體應(yīng)用的傳輸都是基于C/S和P2P這兩種方式，其中，P2P的通信按端點(diǎn)的傳輸方式又可以分為單播和組播兩種。組播是一種有效的單點(diǎn)到多點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸方式，但由于缺乏合適的擁塞控制機(jī)制，而無法得到ISP（Internet Service Provisor）的廣泛應(yīng)用[7]。單播的擁塞控制一般都是基于源端的，可分為基于模型和基于探測兩種類型?；谔綔y的方案通過模仿TCP的AIMD行為實(shí)現(xiàn)擁塞控制，發(fā)送端不斷探測網(wǎng)絡(luò)的可用帶寬，將丟包率與某一閾值比較來調(diào)節(jié)發(fā)送速率；但該方法容易導(dǎo)致速率在短期內(nèi)出現(xiàn)與TCP類似的鋸齒形波動(dòng)變化。基于模型的方案根據(jù)TCP流量模型進(jìn)行擁塞控制，其目的是在對擁塞有響應(yīng)的前提下，保持平滑的速率變化，因此較適合流媒體的傳輸。
1.2 TFRC算法
　TFRC是一種基于模型、通過控制發(fā)送速率的端到端單播TCP友好協(xié)議。TFRC的目標(biāo)是使流媒體數(shù)據(jù)與TCP共同競爭的網(wǎng)絡(luò)傳輸流（如實(shí)時(shí)流媒體數(shù)據(jù)流）具有適度的公平性。在同等條件下，TFRC在網(wǎng)絡(luò)中的發(fā)送速率和TCP的發(fā)送速率應(yīng)基本相同；并且，通過接收端丟包率的反饋調(diào)整使TFRC具有相對比TCP更好的平滑性，更適合流媒體對發(fā)送速率平滑性有較高要求的應(yīng)用[8]。TFRC一般具有固定的數(shù)據(jù)包大小，只需調(diào)整發(fā)送速率來響應(yīng)當(dāng)前擁塞情況。
　TFRC保持對TCP友好性是通過使用Reno-TCP協(xié)議的吞吐量計(jì)算公式來實(shí)現(xiàn)的，即：

    （1）由式（3）計(jì)算最新的延遲抖動(dòng)值ΔDk，并對前一次計(jì)算的平均延遲抖動(dòng)值J（k-1）進(jìn)行保存操作。
    （2）由式（4）計(jì)算本次的平均抖動(dòng)延遲J（k）。
    （3）將本次平均抖動(dòng)延遲J（k）與延遲門限值threshold進(jìn)行比較，如果J（k）≥threshold，則按式（5）計(jì)算吞吐量估值，即Tk=（1-α）Tx；如果J（k）＜threshold，則Tk=βTx（k）+（1-β）Tx（k-1）（β取0.875）。
    （4）根據(jù)計(jì)算的吞吐量估值Tk，調(diào)整發(fā)送速率。
    （5）接收下一個(gè)包，并重復(fù)上述步驟，直至流媒體分組發(fā)送完成。
3 實(shí)驗(yàn)仿真與分析
　在網(wǎng)絡(luò)仿真軟件NS-2.34下分別對TCP、TFRC和TFRC-DJT進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證改進(jìn)效果。在NS2目錄下添加TFRC-DJT協(xié)議（需添加5個(gè)文件：tfrc_djt.h、tfrc_djt.cc、tfrc_djt_packet.h、tfrc_djt_rtable.h和tfrc_djt_rtable.cc），修改makefile文件，并用make重新編譯NS2。仿真實(shí)驗(yàn)采用啞鈴型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。

　由表1可知，TFRC算法的TFRC流與共存的TCP流的吞吐率比值為2.15，TFRC-DJT算法的TFRC流與共存的TCP流的吞吐率比值為2.13，表明TFRC-DJT算法較好地保持了對TCP業(yè)務(wù)流的友好性；TFRC算法的帶寬占用率為68.3%，TFRC-DJT算法的帶寬占用率為68.1%，兩者具有相似的帶寬占用率；但TFRC-DJT算法的單向傳輸延遲抖動(dòng)均值比TFRC算法下降了13.97%。
　從圖2可以看出，TFRC-DJT算法的TFRC流吞吐率及其平滑性均優(yōu)于TFRC算法。
　本文針對TFRC存在的不足提出了一種基于鏈路延遲抖動(dòng)趨勢的TFRC改進(jìn)算法，算法對鏈路中的擁塞狀況進(jìn)行預(yù)測，引入抖動(dòng)因子對TFRC吞吐量公式進(jìn)行修正，利用鏈路延遲抖動(dòng)趨勢來調(diào)整發(fā)送速率，并使用類似TCP的加權(quán)平均方案來提高其平穩(wěn)性，在保持TCP友好性的同時(shí)提高了流媒體數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠交裕垢倪M(jìn)的TFRC算法更適合于實(shí)時(shí)流媒體業(yè)務(wù)傳輸?shù)囊蟆?br/>參考文獻(xiàn)
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