基于快速链路动态感知的多路分流算法.pdf
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1、2023年第49卷第5期无线电通信技术979 doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2023.05.025引用格式:余超群,蔡建国,宋道斌,等.基于快速链路动态感知的多路分流算法J.无线电通信技术,2023,49(5):979-986.YU Chaoqun,CAI Jianguo,SONG Daobin,et al.Multi-path Splitting Algorithm Based on Fast Link Dynamic AwarenessJ.Radio Communications Technology,2023,49(5):979-986.基于快速链路动态感知的
2、多路分流算法余超群,蔡建国,宋道斌,陈 锋(福州大学 物理与信息工程学院,福建 福州 350108)摘 要:多路并行传输技术的发展为解决实时视频低延时、高画质的业务需求提供了一种方法。现有的多路并行传输技术在某一路径发生丢包时,往往无法通过快速切换等手段,及时地将拥塞链路上的数据包进行重传或分流,如多路径传输协议(MPTCP)的快速重传机制需要三个相同的反馈数据包,无法保证实时视频的流畅性。为解决该问题,设计了一种基于用户数据报协议(UDP)的多路并行传输框架,并针对该框架提出了基于快速链路动态感知的多路分流算法。该算法综合考虑数据包到达特性,对链路网络状态进行建模,快速地感知链路状态并动态地
3、调整链路重传切换时间。仿真结果表明,相比于超时判断分流决策,该算法能更准确地感知链路的质量和性能,并根据算法结果做出合理的数据分发决策,有效提升多路并行传输的性能,降低重传数据端到端时延,提高网络利用率。关键词:多路并行传输;实时视频;多路径传输协议;用户数据报协议;端到端时延中图分类号:TP391 文献标志码:A 开放科学(资源服务)标识码(OSID):文章编号:1003-3114(2023)05-0979-08Multi-path Splitting Algorithm Based on Fast Link Dynamic AwarenessYU Chaoqun,CAI Jianguo,S
4、ONG Daobin,CHEN Feng(College of Physics and Information Engineering,Fuzhou University,Fuzhou 350108,China)Abstract:The development of multi-path parallel transmission technology has provided a method to address the demands of low la-tency and high-quality real-time video services.However,existing mu
5、lti-path parallel transmission technologies often fail to timely re-transmit or redirect data packets on congested links in the event of packet loss on a particular path,such as the fast retransmit mecha-nism of MPTCP,which requires three identical ACK packets and cannot guarantee the smoothness of
6、real-time video streaming.To ad-dress this issue,a UDP-based multi-path parallel transmission framework has been designed,and a multi-path splitting algorithm based on fast link dynamic awareness has been proposed for this framework.This algorithm comprehensively considers packet arrival character-i
7、stics,models the network state of the links,rapidly senses the link state,and dynamically adjusts the link retransmission and switching time.Simulation results demonstrate that compared to timeout-based splitting decisions,this algorithm can more accurately perceive the quality and performance of th
8、e links,make reasonable data distribution decisions based on algorithm results,effectively improve the per-formance of multi-path parallel transmission,reduce end-to-end retransmission latency,and enhance network utilization.Keywords:multi-path parallel transmission;real-time video;MPTCP;UDP;end-to-
9、end latency收稿日期:2023-05-30基金项目:福建省自然科学基金(2022J01551)Foundation Item:Fujian Provincial Natural Science Foundation of China(2022J01551)0 引言随着移动互联网业务的发展,移动数据业务量已呈现爆发式增长。在面对诸如视频连麦、远程医疗、线上教育、安防监控、直播等对画质、交互和延迟方面具有高要求的实时视频业务时,由于通信链路不稳定、网络拥塞、带宽限制等因素,导致语音通话中断、在线视频卡顿、交流互动性变差、远程传输抖动等问题,种种限制及问题使得传统的单路传输技术渐渐地不再能
10、满足于一些新兴业务。面对这样的网络业务新趋势,通过单一信道进行实时视频业务网络传输的格局缺陷日益明显。如何在满足实时视980 Radio Communications TechnologyVol.49 No.5 2023频低延时、高画质的业务需求,保障用户对视频业务流畅、清晰的观看体验成为亟待解决的问题。鉴于上述问题,得益于异构网络融合技术的发展,多路并行传输技术已成为构建未来可靠、低延时实时视频传输通信系统的必然趋势。在多路并行传输技术中,客户端与服务器端可以同时利用多个通信链路进行数据传输,当其中一条通信链路处于恶劣环境,或者由于网络突发状况导致网络拥塞时,可以通过其他稳定的多条链路并行传
11、输,从而提高网络传输效率和速度,减少传输时延,提升视频传输的性能和节点间的连通性。多路并行传输技术不仅可以有效解决单路的网络瓶颈问题,还可以提高可用通信链路的利用率,保障数据的安全性、可靠性和容错性,因此近些年来被广泛地应用于视频会议、云计算、物联网等领域。1 相关工作国内外学者针对多路并行传输技术及算法优化进行了大量的研究。其中,比较主流的是国际互联网工程任务组在 2009 年提出的多路径传输协议(MPTCP)。该协议基于传统的 TCP 协议,允许通信系统同时利用多接口技术建立多个网络路径进行数据传输,并且能够自适应地在多条路径间调整数据流量,从而提升通信链路的传输效率和可靠性,提高网络吞吐
12、量,降低 MPTCP 服务中断的风险1。但MPTCP 有许多限制,容易受到不良环境的影响,在通信过程中,状态不良的链路通常会对网络速度产生巨大影响2。因此需要根据具体的应用场景对MPTCP 协议中的分流算法进行优化。目前,国内外学者针对 MPTCP 多路并行传输分流算法的优化大体上分为两类:一是拥塞控制算法,该部分的学者认为,MPTCP 归根到底是基于TCP,所以拥塞控制是影响 MPTCP 多路并行传输性能的关键之一。该类算法主要集中在调整每个子流的传输速率,并将流量从较拥塞的路径转移到较不拥塞的路径,从而提高吞吐量和链路利用率,如链接增加算法(LIA)3、机会链接增加算法4、平衡链接自适应(
13、Balia)5、加权拉斯维加斯(wVegas)6、mVeno 算法7等。这些算法依赖于一个算法模型来控制每个子流的拥塞窗口(cwnd)的增加,以平衡它们的拥塞程度。二是路径调度策略,该类算法被设计为在多条路径上合理地分割数据包,以提升MPTCP 多路并行传输性能8,如最低 RTT 优先(minRTT)调度器、基于约束的主动调度(CP)9、最高发送速率(HSR)、最大窗口空间(LWS)和最低时间/空间(LTS)算法10等调度策略。但对于具有高带宽、低延时通信要求的实时视频传输应用场景而言,针对 MPTCP 的拥塞控制算法由于需要管理多个子流进行拥塞控制及其他额外工作,因此在某些情况下可能会引入额
14、外延迟,导致数据传输的速度变慢,从而影响实时视频的时效性11。其次,当网络带宽不足时,MPTCP 的路径调度策略无法保证各个子流保持稳定并按照调度器预设置的权重进行数据传输,这可能会导致一些通信链路的传输速率较慢,甚至丢失某些数据包,从而影响实时视频的画面质量。最重要的是,实时视频传输要求传输时间尽量短,因此需要将延迟降到最低限度。但是,由于 MPTCP 的重传机制引入了延迟应答机制来避免网络中出现大量冗余数据包,导致确认的延迟时间增加,影响视频观看的实时性。此外,实时视频传输对网络资源要求较高,如果出现数据包丢失,就需要进行重传。但是,MPTCP 的重传机制采用快速重传和快速恢复机制,在网络
15、出现比较严重的拥塞或故障时,可能会导致重传次数增多,占用更多的网络资源和系统带宽,使得大量的数据包丢失,从而需要进行多次重传。但这又会导致系统占用更多的带宽和系统资源,对网络性能造成负面影响。综上所述,以 TCP 为基础的 MPTCP 多路并行传输技术并不适合应用在实时性强、连贯性要求高的实时视频业务。与此相比,用户数据报协议(UDP)具有传输速度快、实时性好等特点,在数据传输过程中,不需要进行握手和确认等操作,因此传输时延较低,常被运用于音频、视频、游戏等需要实时传输的场景12-14。但 UDP 对于具有一定互动性要求的实时视频传输而言,它尽力而为的传输方式,使得它在数据传输的可靠性和稳定性
16、方面存在不足。当数据包出现丢失或损坏时,由于无法进行重2023年第49卷第5期无线电通信技术981 传,往往容易出现视频卡顿、花屏等现象,影响用户体验。且 UDP 没有拥塞控制机制,当网络出现拥堵现象时,可能会由于视频数据包发送速度过快,进一步加剧网络拥堵,进而影响传输效率和稳定性。为避免现有的多路并行传输技术在实时视频领域上存在的不足,满足实时视频的低延迟、高画质需求,本文基于 UDP,设计并实现了实时视频多路并行传输的框架,该框架既能满足高可靠性和稳定性要求,又满足端到端整体时延短的要求。基于此框架,提出快速链路动态感知的多路分流算法(FL-DA),通过对链路间的网络参数进行建模,结合反馈
17、包信息动态分配链路报文分流,在最大程度上提升了链路利用率,保证数据包在目标时延内到达接收端。基于 UDP 实现可靠、安全的数据传输,通过引入有限次数据包重传和基于反馈数据包的流量控制及拥塞控制,动态地根据网络状况对数据包丢失、网络拥塞等异常情况进行处理,提高 UDP 的可靠性和稳定性15-16。设计了目标延时约束下的快速链路动态感知分流算法,在多路并行传输模型中,报文分流主要包括链路选择和报文分发。本文将各个链路的带宽、端到端时延、目标延时等网络参数进行建模17-20,根据算法模型动态地调整报文分流,以适应网络拓扑和流量变化,并能够快速地对异常数据包在满足目标延时的约束要求下进行重传,在保证用
18、户体验的同时,实现链路利用率和时延之间的平衡。2 系统架构实时视频多路并行传输系统通常由视频源、视频编码器、流媒体服务器、用户服务器、视频解码器、用户端组成,通过卫星、LTE 基站、IP 网络等方式进行数据传输,如图 1 所示。在该系统中,视频源是产生视频信号的设备,如摄像头、采集卡等,它们负责采集视频信号。视频编码器则是对视频信号进行编码和压缩,常见的编码方式有 H.264、H.265、VP9等,可以根据不同的场景和需求进行选择。流媒体服务器是该系统的核心设备,它可以接收来自不同视频源的视频流并存储、转发给用户服务器。用户服务器则是用于接收和缓存视频数据的设备,一般会处于用户和流媒体服务器之
19、间,以提高视频传输质量和用户体验。视频解码器是解码和还原视频信号的设备,它将编码后的视频流转换为可视的图像和声音,通常被集成在用户的终端设备上,如电脑、手机、平板等,以实现更加高清晰度、流畅、真实的视频观看体验。用户端,则是指使用者观看视频的设备,如电脑、手机、平板等,用户端通过与用户服务器交互,从流媒体服务器获取编码后的视频数据。图 1 实时视频多路并行传输场景Fig.1 Real time video multi-channel parallel transmission scenario 在该场景中,流媒体服务器和用户服务器间的通信由卫星链路、LTE 链路和 IP 网络三种不同类型的网络
20、构成。系统框图如图 2 所示。其中,流媒体服务器通过不同的网络建立多条链路进行实时视频数据传输,并通过接收端发送的反馈数据包信息,综合分析链路当前的网络状态、目标时延、带宽、端到端时延等因素,将数据包通过其中的一条或多条链路采用多路并行传输技术传递到用户服务器。982 Radio Communications TechnologyVol.49 No.5 2023图 2 系统框图Fig.2 System block diagram 该框架用于异构网络平台下对实时视频的端到端传输业务,其目标是在满足目标时延约束条件下最大化实时视频用户的体验质量。其中发送端主要由三大模块组成,包含数据包分配模块、链
21、路选择与切换及数据包重传模块、参数控制模块。由于实时视频的特性,本文采用 UDP 传输数据。通过接收端的反馈模块和发送端的参数控制模块及数据包重传模块,提高 UDP 的可靠性和稳定性。本文研究的主要内容集中在 FLDA 框架下的数据包重传和数据包分配模块。FLDA 将每个链路状态建模为目标时延、端到端时延、带宽和网络利用率的组合,通过参数控制模块传递的数据,实时计算并评估当前子流的网络状态,当某一条链路出现网络波动、拥堵或其他异常情况时,快速地将异常链路上尚未确认的数据包和尚未发送的数据包转发至网络状况良好的链路,满足数据包传输在目标时延约束的情况下,充分地利用链路网络资源,实现链路利用率最大
22、化和端到端时延最小化。3 FLDA在实时视频多路并行传输场景中,结合当前实际生活异构互联的网络环境,采用异构网络融合技术,使用户端和服务器端可以使用多种不同或相同的网络,如 LTE、IP 网络、WiFi 等,建立多条链路进行数据传输。本文所提算法以获得基于链路状态的最优数据包重传时间节点,避免部分链路因网络拥塞或某些突发状况导致系统错误判断并重传该链路上的数据包,使得该类链路的网络资源得不到充分利用。同时又保证接收端的数据包能够在满足目标时延的约束条件下,通过有限次的重传恢复数据包,保障实时视频传输的流畅性和低延时性。假设发送端到接收端传输数据包可以使用的链路有 n 条,每条链路的网络状态属性
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