基于延时抖动趋势的分层组播方案

刘梦娟，魏小东，王 勇

(电子科技大学计算机科学与工程学院 成都 611731)

IP组播被认为是向大规模并发用户提供实时高效数据分发的理想方式，然而缺乏有效的拥塞控制机制[1]限制了IP组播的大规模应用。为此，研究者提出了基于分层组播的多速率拥塞控制方案(multi-rate congestion control，MCC)[1-6]。MCC能够有效适应组播环境和用户终端的异构性，提高系统吞吐量，是解决IP组播拥塞控制问题的有效方法。RLM[1]是MCC的典型方案，其基本思想是发送端把原始视频流编码为一个基础层和若干增强层，基础层包含视频流中最基本的信息，而增强层则逐层递进地包含更细粒度的冗余信息。发送端使用不同组播组转发不同层次的数据；每个接收端都尽力订阅更高层次的数据，直至发生拥塞返回到累积传输速率略低于路径可用带宽的层次上。对于RLM接收端，其路径可用带宽越高，订阅的层数就越多，重建信号的质量就越好。RLM能够有效解决组播环境的异构问题，但在公平性、拥塞响应速度、同步决策、周期性丢包等方面仍然存在可改进之处。

文献[2]提出的接收端驱动分层拥塞控制机制RLC，通过模拟TCP协议的AIMD规则，能够在一定程度上实现与TCP协议的友好性；但是RLC会导致接收速率周期性振荡，使接收质量降级和持续不稳定。文献[3]提出的LM-MCM方案通过对中间路由器输出端口的平均队列长度进行检测，能够及时通知接收端响应网络拥塞以避免丢包，但是其要求在路由器上引入多等级拥塞标记策略，会限制系统的扩展性。文献[4-6]提出一类基于TCP吞吐量公式的MCC方案，该类方案使用TCP吞吐量公式估计传输路径的可用带宽，并据此进行相应的层次订阅调整，其优点是能够获得平滑的接收速率，以及在长期的统计时间内保持与TCP的友好性。问题在于接收端使用“丢包”作为网络拥塞标识，通过丢失事件率估计可用带宽，导致对网络拥塞响应缓慢，可能造成大量丢包。

本文在文献[4]的基础上，首先对分组的延时抖动趋势进行分析，指出可根据基础层分组的延时抖动趋势对网络拥塞状况进行早期检测；然后提出基于延时抖动趋势和TCP吞吐量公式的分层组播方案(layered multicast based on delay-jitter trend，LM-DJT)，通过延时抖动趋势推测当前网络的拥塞状况，使接收端尽可能地在拥塞初期(丢包前)就检测到网络拥塞，并作为一次丢失事件引入到改进的TCP吞吐量公式中；最后，在接收端估计当前传输路径允许的与TCP友好的可用带宽，根据可用带宽估计值和层次调整策略对层次订阅进行调整。仿真实验表明，LM-DJT能很好地适应网络环境的异构性，在保证带宽公平分配的情况下，具有较快的收敛和拥塞响应速度，只引入较少的丢包。

1 网络模型

1.1 MCC问题描述

1.2 延时抖动趋势分析

综上分析，可得出如下拥塞早期检测方法：接收端每隔同步周期对该周期内接收的基础层分组的延时抖动趋势进行判断，若延时抖动呈显著递增趋势，则认为在同步周期内传输路径P发生拥塞。

2 基于延时抖动趋势的分层组播方案

为了获得良好的扩展性，LM-DJT的主要功能都在接收端完成，而源端完成分层编码以及同步标记等功能[3]。

2.1 基于延时抖动趋势的拥塞早期检测

2.2 TCP友好的可用带宽估计

为了获得与TCP机制近似的拥塞控制行为，LM-DJT采用TCP-Reno吞吐量公式[7]计算TCP友好的可用带宽：

式中，L为分组大小；RTT为往返时间，p为丢失事件率[7]。在LM-DJT中，除了把丢包作为丢失事件，还把在同步时间点检测到的拥塞也作为一次丢失事件，以快速响应网络拥塞。

2.3 基于可用带宽估计值的层次调整策略

在LM-DJT中，接收端使用TCP友好的可用带宽估计值与拥塞早期检测相结合的方式进行订阅层次的调整。基于可用带宽估计值的层次调整策略为：

1) 接收端对当前TCP友好的可用带宽Tcur进行估计。

2.4 LM-DJT接收端的状态转移图

图1 LM-DJT接收端的状态转移图

处于“drop-deaf”状态的接收端不进行增加订阅层次或者丢弃层次的操作，其目的是避免同一拥塞导致接收端连续丢弃层次。接收端只在TDD超时后才进入“稳定(steady)状态”，并同时启动加入新层所对应的等待时间定时器TJ。

3 实验与分析

本文使用NS2网络仿真软件对LM-DJT方案进行原型仿真，并从收敛速度、稳定性、丢包率、响应能力、公平性等方面对LM-DJT的性能进行讨论。仿真的拓扑结构和参数设置分别如图2和图3所示，图中标明了各条链路的额定容量和传播延时，各层次的发送速率为{64,90,128,181,256,362,512} kb/s。

图2 实验1和实验2使用的拓扑结构

图3 实验3和实验4使用的拓扑结构

实验1用于评价异构网络中LM-DJT方案的稳定性和收敛速度。实验包括3个视频源S1、S2、S3和4个接收端D1、D2、D3、D4、S1在t=1 s时启动，D1、D4和D2、D3分别在t=5 s和t=25 s时加入组播会话S1。未添加“等待时间自适应调整策略”的仿真情况如图4所示。可以看到，各接收端在快速收敛到最优订阅层次后，并没有稳定在最优层次，而是在最优层次和更高层次之间来回振荡。由于频繁振荡会严重影响用户接收质量的平滑性，因此LM-DJT仍然沿用文献[3]中的“等待时间自适应调整策略”。增加自适应调整策略后的仿真结果如图5所示。可以看到，LM-DJT在稳定的网络环境下具有较强的稳定性和较快的收敛速度。

图4 未考虑等待时间自适应调整策略仿真结果

图5 LM-DJT中各接收端的接收速率

实验2用于评价LM-DJT对网络状况变化的跟踪能力，为此实验2设计了两个CBR流动态影响网络瓶颈链路的可用带宽，其中R2→R3、R2→R4、R3→D2链路的额定容量重新设置为1Mb/s。在t=5 s时启动D1和D4加入视频源为S1的组播会话，在t=30 s时S2和S3分别启动两个到D2和D3的CBR流(速率为700 kb/s)，且在t=80 s时停止该两个CBR流。各LM-DJT接收端吞吐量随时间的变化关系如图6所示。可以看到，在CBR流量的干扰下，LM-DJT方案对于网络拥塞加剧具有较快的响应速度，可使接收端重新收敛并稳定在新的最优订阅层次上；但是对于网络拥塞减轻时的响应速度却不是很理想，这是因为引入“等待时间自适应调整策略”导致的。

图6 LM-DJT中各接收端的接收速率

图7 LM-DJT各接收端的丢包率

D1和D4的丢包率随时间的变化关系如图7所示。可以看到，在LM-DJT中由于采用“慢启动”过程，导致在加入组播会话初期可能出现一定数量的丢包，但是在退出“慢启动”之后，即或发生严重拥塞，丢包数量都能维持在较低的水平。

实验3测试LM-DJT组播会话之间在吞吐量上的公平性，实验使用4个LM-DJT组播流冲击瓶颈链路R1→R2的带宽。使用公平性指数FI[9]对实验数据(如表1所示)进行分析。FI定义为：

式中，n为共享瓶颈链路的流的个数；Xi为每个流的传输速率；FI(x)→1表示方案的公平性好，FI(x)→0表示公平性差。可以发现，LM-DJT方案确实能够在一定程度上公平地把瓶颈链路带宽分配给各个竞争的LM-DJT会话。

表1 共享相同瓶颈链路的各组播会话的平均传输速率

实验4用于测试LM-DJT方案与TCP业务流的友好性。实验分为两组：1) 一组用于测试LM-DJT组播流是否能够从已经占据网络带宽的TCP业务流中获得公平共享资源；2) 另一组用于测试已经占据网络带宽的LM-DJT组播流是否会使新加入的TCP业务流感到饥饿。分别设置瓶颈链路的带宽为800，1 200，2 000 kb/s。表2和表3分别给出了两组实验的测试数据的统计值。仍然使用公平性指数对实验结果进行评价，可以发现，LM-DJT业务与TCP业务具有一定程度的友好性。

表2 共享瓶颈链路的各个流的平均传输速率(第1组实验)

表3 共享瓶颈链路的各个流的平均传输速率(第2组实验)

4 结 束 语

本文提出了一个面向流媒体应用的TCP友好分层组播拥塞控制方案LM-DJT。通过将延时抖动趋势分析引入分层组播拥塞控制机制，利用分组的延时抖动趋势与排队延时的关系对网络拥塞状况进行早期检测，根据检测结果进行相应的层次订阅调整，并把检测到的拥塞作为一次丢失事件引入改进的TCP吞吐量公式中。为了使LM-DJT方案具有良好的TCP公平性，本文采用与TFMCC[8]类似的方法使用TCP吞吐量公式计算TCP友好的可用带宽，并根据可用带宽估计值进行相应的层次订阅调整。仿真实验表明，LM-DJT方案在稳态环境下和CBR背景流冲击环境下都具有良好的稳定性，具有较快的收敛速度和较小的丢包率；LM-DJT还在一定程度上具有良好会话间的公平性以及TCP的友好性。

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