劉夢娟，魏小東，王 勇

(電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院 成都 611731)

IP組播被認為是向大規(guī)模并發(fā)用戶提供實時高效數(shù)據(jù)分發(fā)的理想方式，然而缺乏有效的擁塞控制機制[1]限制了IP組播的大規(guī)模應(yīng)用。為此，研究者提出了基于分層組播的多速率擁塞控制方案(multi-rate congestion control，MCC)[1-6]。MCC能夠有效適應(yīng)組播環(huán)境和用戶終端的異構(gòu)性，提高系統(tǒng)吞吐量，是解決IP組播擁塞控制問題的有效方法。RLM[1]是MCC的典型方案，其基本思想是發(fā)送端把原始視頻流編碼為一個基礎(chǔ)層和若干增強層，基礎(chǔ)層包含視頻流中最基本的信息，而增強層則逐層遞進地包含更細粒度的冗余信息。發(fā)送端使用不同組播組轉(zhuǎn)發(fā)不同層次的數(shù)據(jù)；每個接收端都盡力訂閱更高層次的數(shù)據(jù)，直至發(fā)生擁塞返回到累積傳輸速率略低于路徑可用帶寬的層次上。對于RLM接收端，其路徑可用帶寬越高，訂閱的層數(shù)就越多，重建信號的質(zhì)量就越好。RLM能夠有效解決組播環(huán)境的異構(gòu)問題，但在公平性、擁塞響應(yīng)速度、同步?jīng)Q策、周期性丟包等方面仍然存在可改進之處。

文獻[2]提出的接收端驅(qū)動分層擁塞控制機制RLC，通過模擬TCP協(xié)議的AIMD規(guī)則，能夠在一定程度上實現(xiàn)與TCP協(xié)議的友好性；但是RLC會導(dǎo)致接收速率周期性振蕩，使接收質(zhì)量降級和持續(xù)不穩(wěn)定。文獻[3]提出的LM-MCM方案通過對中間路由器輸出端口的平均隊列長度進行檢測，能夠及時通知接收端響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)擁塞以避免丟包，但是其要求在路由器上引入多等級擁塞標記策略，會限制系統(tǒng)的擴展性。文獻[4-6]提出一類基于TCP吞吐量公式的MCC方案，該類方案使用TCP吞吐量公式估計傳輸路徑的可用帶寬，并據(jù)此進行相應(yīng)的層次訂閱調(diào)整，其優(yōu)點是能夠獲得平滑的接收速率，以及在長期的統(tǒng)計時間內(nèi)保持與TCP的友好性。問題在于接收端使用“丟包”作為網(wǎng)絡(luò)擁塞標識，通過丟失事件率估計可用帶寬，導(dǎo)致對網(wǎng)絡(luò)擁塞響應(yīng)緩慢，可能造成大量丟包。

本文在文獻[4]的基礎(chǔ)上，首先對分組的延時抖動趨勢進行分析，指出可根據(jù)基礎(chǔ)層分組的延時抖動趨勢對網(wǎng)絡(luò)擁塞狀況進行早期檢測；然后提出基于延時抖動趨勢和TCP吞吐量公式的分層組播方案(layered multicast based on delay-jitter trend，LM-DJT)，通過延時抖動趨勢推測當前網(wǎng)絡(luò)的擁塞狀況，使接收端盡可能地在擁塞初期(丟包前)就檢測到網(wǎng)絡(luò)擁塞，并作為一次丟失事件引入到改進的TCP吞吐量公式中；最后，在接收端估計當前傳輸路徑允許的與TCP友好的可用帶寬，根據(jù)可用帶寬估計值和層次調(diào)整策略對層次訂閱進行調(diào)整。仿真實驗表明，LM-DJT能很好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的異構(gòu)性，在保證帶寬公平分配的情況下，具有較快的收斂和擁塞響應(yīng)速度，只引入較少的丟包。

1 網(wǎng)絡(luò)模型

1.1 MCC問題描述

1.2 延時抖動趨勢分析

綜上分析，可得出如下?lián)砣缙跈z測方法：接收端每隔同步周期對該周期內(nèi)接收的基礎(chǔ)層分組的延時抖動趨勢進行判斷，若延時抖動呈顯著遞增趨勢，則認為在同步周期內(nèi)傳輸路徑P發(fā)生擁塞。

2 基于延時抖動趨勢的分層組播方案

為了獲得良好的擴展性，LM-DJT的主要功能都在接收端完成，而源端完成分層編碼以及同步標記等功能[3]。

2.1 基于延時抖動趨勢的擁塞早期檢測

2.2 TCP友好的可用帶寬估計

為了獲得與TCP機制近似的擁塞控制行為，LM-DJT采用TCP-Reno吞吐量公式[7]計算TCP友好的可用帶寬：

式中，L為分組大??；RTT為往返時間，p為丟失事件率[7]。在LM-DJT中，除了把丟包作為丟失事件，還把在同步時間點檢測到的擁塞也作為一次丟失事件，以快速響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)擁塞。

2.3 基于可用帶寬估計值的層次調(diào)整策略

在LM-DJT中，接收端使用TCP友好的可用帶寬估計值與擁塞早期檢測相結(jié)合的方式進行訂閱層次的調(diào)整。基于可用帶寬估計值的層次調(diào)整策略為：

1) 接收端對當前TCP友好的可用帶寬Tcur進行估計。

2.4 LM-DJT接收端的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

圖1 LM-DJT接收端的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

處于“drop-deaf”狀態(tài)的接收端不進行增加訂閱層次或者丟棄層次的操作，其目的是避免同一擁塞導(dǎo)致接收端連續(xù)丟棄層次。接收端只在TDD超時后才進入“穩(wěn)定(steady)狀態(tài)”，并同時啟動加入新層所對應(yīng)的等待時間定時器TJ。

3 實驗與分析

本文使用NS2網(wǎng)絡(luò)仿真軟件對LM-DJT方案進行原型仿真，并從收斂速度、穩(wěn)定性、丟包率、響應(yīng)能力、公平性等方面對LM-DJT的性能進行討論。仿真的拓撲結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)置分別如圖2和圖3所示，圖中標明了各條鏈路的額定容量和傳播延時，各層次的發(fā)送速率為{64,90,128,181,256,362,512} kb/s。

圖2 實驗1和實驗2使用的拓撲結(jié)構(gòu)

圖3 實驗3和實驗4使用的拓撲結(jié)構(gòu)

實驗1用于評價異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中LM-DJT方案的穩(wěn)定性和收斂速度。實驗包括3個視頻源S1、S2、S3和4個接收端D1、D2、D3、D4、S1在t=1 s時啟動，D1、D4和D2、D3分別在t=5 s和t=25 s時加入組播會話S1。未添加“等待時間自適應(yīng)調(diào)整策略”的仿真情況如圖4所示?？梢钥吹剑鹘邮斩嗽诳焖偈諗康阶顑?yōu)訂閱層次后，并沒有穩(wěn)定在最優(yōu)層次，而是在最優(yōu)層次和更高層次之間來回振蕩。由于頻繁振蕩會嚴重影響用戶接收質(zhì)量的平滑性，因此LM-DJT仍然沿用文獻[3]中的“等待時間自適應(yīng)調(diào)整策略”。增加自適應(yīng)調(diào)整策略后的仿真結(jié)果如圖5所示?？梢钥吹剑琇M-DJT在穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下具有較強的穩(wěn)定性和較快的收斂速度。

圖4 未考慮等待時間自適應(yīng)調(diào)整策略仿真結(jié)果

圖5 LM-DJT中各接收端的接收速率

實驗2用于評價LM-DJT對網(wǎng)絡(luò)狀況變化的跟蹤能力，為此實驗2設(shè)計了兩個CBR流動態(tài)影響網(wǎng)絡(luò)瓶頸鏈路的可用帶寬，其中R2→R3、R2→R4、R3→D2鏈路的額定容量重新設(shè)置為1Mb/s。在t=5 s時啟動D1和D4加入視頻源為S1的組播會話，在t=30 s時S2和S3分別啟動兩個到D2和D3的CBR流(速率為700 kb/s)，且在t=80 s時停止該兩個CBR流。各LM-DJT接收端吞吐量隨時間的變化關(guān)系如圖6所示?？梢钥吹?，在CBR流量的干擾下，LM-DJT方案對于網(wǎng)絡(luò)擁塞加劇具有較快的響應(yīng)速度，可使接收端重新收斂并穩(wěn)定在新的最優(yōu)訂閱層次上；但是對于網(wǎng)絡(luò)擁塞減輕時的響應(yīng)速度卻不是很理想，這是因為引入“等待時間自適應(yīng)調(diào)整策略”導(dǎo)致的。

圖6 LM-DJT中各接收端的接收速率

圖7 LM-DJT各接收端的丟包率

D1和D4的丟包率隨時間的變化關(guān)系如圖7所示?？梢钥吹?，在LM-DJT中由于采用“慢啟動”過程，導(dǎo)致在加入組播會話初期可能出現(xiàn)一定數(shù)量的丟包，但是在退出“慢啟動”之后，即或發(fā)生嚴重擁塞，丟包數(shù)量都能維持在較低的水平。

實驗3測試LM-DJT組播會話之間在吞吐量上的公平性，實驗使用4個LM-DJT組播流沖擊瓶頸鏈路R1→R2的帶寬。使用公平性指數(shù)FI[9]對實驗數(shù)據(jù)(如表1所示)進行分析。FI定義為：

式中，n為共享瓶頸鏈路的流的個數(shù)；Xi為每個流的傳輸速率；FI(x)→1表示方案的公平性好，F(xiàn)I(x)→0表示公平性差?？梢园l(fā)現(xiàn)，LM-DJT方案確實能夠在一定程度上公平地把瓶頸鏈路帶寬分配給各個競爭的LM-DJT會話。

表1 共享相同瓶頸鏈路的各組播會話的平均傳輸速率

實驗4用于測試LM-DJT方案與TCP業(yè)務(wù)流的友好性。實驗分為兩組：1) 一組用于測試LM-DJT組播流是否能夠從已經(jīng)占據(jù)網(wǎng)絡(luò)帶寬的TCP業(yè)務(wù)流中獲得公平共享資源；2) 另一組用于測試已經(jīng)占據(jù)網(wǎng)絡(luò)帶寬的LM-DJT組播流是否會使新加入的TCP業(yè)務(wù)流感到饑餓。分別設(shè)置瓶頸鏈路的帶寬為800，1 200，2 000 kb/s。表2和表3分別給出了兩組實驗的測試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計值。仍然使用公平性指數(shù)對實驗結(jié)果進行評價，可以發(fā)現(xiàn)，LM-DJT業(yè)務(wù)與TCP業(yè)務(wù)具有一定程度的友好性。

表2 共享瓶頸鏈路的各個流的平均傳輸速率(第1組實驗)

表3 共享瓶頸鏈路的各個流的平均傳輸速率(第2組實驗)

4 結(jié) 束 語

本文提出了一個面向流媒體應(yīng)用的TCP友好分層組播擁塞控制方案LM-DJT。通過將延時抖動趨勢分析引入分層組播擁塞控制機制，利用分組的延時抖動趨勢與排隊延時的關(guān)系對網(wǎng)絡(luò)擁塞狀況進行早期檢測，根據(jù)檢測結(jié)果進行相應(yīng)的層次訂閱調(diào)整，并把檢測到的擁塞作為一次丟失事件引入改進的TCP吞吐量公式中。為了使LM-DJT方案具有良好的TCP公平性，本文采用與TFMCC[8]類似的方法使用TCP吞吐量公式計算TCP友好的可用帶寬，并根據(jù)可用帶寬估計值進行相應(yīng)的層次訂閱調(diào)整。仿真實驗表明，LM-DJT方案在穩(wěn)態(tài)環(huán)境下和CBR背景流沖擊環(huán)境下都具有良好的穩(wěn)定性，具有較快的收斂速度和較小的丟包率；LM-DJT還在一定程度上具有良好會話間的公平性以及TCP的友好性。

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