移动流媒体并行多路传输机制研究

曾 历,黄虹霞,刘 丽

(江西科技学院,江西 南昌 330000)

0 引言

随着智能终端(如手机、笔记本电脑)、移动通信技术和无线网络的发展,越来越多的用户选择使用不同的移动终端上网。随着网络的不断普及,近5年,我国网民规模发展得越来越庞大,根据第44次、46次、48次、50次以及52次《中国互联网络发展状况统计报告》显示,截至2019年6月,我国网民规模为8.54亿人;截至2020年6月,我国网民规模为9.4亿人;截至2021年6月,我国网民规模为10.11亿人;截至2022年6月,我国网民规模为10.51亿人;截至2023年6月,我国网民规模为10.79亿人。中国近5年网民规模如图1所示,我国网民规模不断增长,并在未来还将保持增长的趋势。我国已形成了全球规模最大、应用渗透最强的数字化社会。

图1 中国近5年网民规模

近几年,我国网民的网络使用方式呈现多样化的形式,人们可以利用移动终端播放短视频、进行网络支付、网络购物、网络直播等操作。由于移动终端相较于个人电脑终端在出行过程中有着非常便捷的优势,因此在众多网络接入方式中以移动互联网接入为主。中国近5年移动互联网接入流量如图2所示,2018—2022年,移动互联网接入流量呈现快速增长的趋势。尤其在2020—2022年增长迅速,在此期间,我国用户受疫情影响,处于居家办公和学习状态,移动互联网接入流量剧增。

图2 中国近5年移动互联网接入流量

第50次《中国互联网发展状况统计报告》数据显示,2022年上半年我国移动互联网接入流量为1 241亿GB,2023年上半年移动互联网接入流量为1 423亿GB,同比增长14.6%。

移动互联网服务一般包括2个层面含义:内容服务和传输服务。内容服务可理解为向终端用户提供的某种具体的数据资源(如视频、语音等);而传输服务一般为终端用户在获取和管理数据资源过程中网络所能提供的传输能力(如带宽、时延和抖动等)。在内容服务方面,随着无线终端(如笔记本电脑、手机等)智能化和计算能力的不断提高,人们使用视频和语音等对流量要求较大的流媒体服务的需求增长迅速。

1 移动流媒体现状

随着移动智能手机、车载智能终端、智能电视、笔记本电脑、平板电脑、可穿戴设备等移动终端的出现,人们的生活、学习以及娱乐方式呈现多样化的形式,同时人们对移动服务的要求也越来越高[1]。自2018年以来,随着人们的生活节奏越来越快,为了适应人们快节奏的生活,市场上迅速推出了抖音、小红书、快手等娱乐App,这一类App以内容涵盖面广、短视频形式播放等优势,使得用户量剧增,也导致流量的使用量随之增长。随着科技的发展,虚拟现实(Virtual Reality, VR)与增强现实(Augmented Reality, AR)等技术应用崭露头角,这类应用在使用过程中能够让人感觉身临其境,改变了人们的认知,但VR与AR等设备对网速的要求也特别高。比如VR在实时渲染过程中,需要高速的网络传输来保证用户能够顺畅地体验虚拟世界。如果在传输过程中网络传输速率不够快,就会出现卡顿的情况,反之则可以缩短加载时间,使用户的体验感更好。

然而,各种应用在使用过程中,由于数据的大量传输,极有可能在传输过程中发生传输延迟、链路中断、数据丢包、网络拥塞等情况。

2 多路径传输技术

无线移动网络因其可移动、联网方便、建网灵活等特性,未来将会得到迅猛发展和广泛部署。但是无线移动网络仍然存在较多缺陷,比如移动节点是移动的,并且带宽资源相对较少,无线链路会出现随机丢包现象。因此,如何增加无线网络带宽资源、提高网络传输速率是当今国内外学者的研究重点。

目前,我国使用较多的网络传输协议为TCP和UDP。TCP是一种面向链接的协议,具有可靠、稳定的优点。UDP是一种面向消息的协议,具有传输速度快的优点。这2种协议都是使用单一的传输路径进行数据通信。当用户传输大量数据时,使用TCP或UDP这一类单一传输路径的协议,容易出现网络拥塞、延迟、丢包等情况[2]。

多路径传输技术结合了TCP协议与UDP协议的优势,是一种对现有网络设备和应用接口具有高度耦合的、可通过多条路径传输数据的协议。该协议数据传输的性能较高,极大地提高了无线资源利用率。

数据传输时,一旦发生丢包现象,其他预先到达接收端的数据将会被缓存在接收缓冲区中。由于一些丢失数据帧的重传时间可能会导致其他先期到达接收端的数据帧不能在有效播放时间内被提交至应用层而失效,从而严重影响用户对流媒体服务的体验[3]。因此,在并发多路径传输机制的支持下,MPTCP协议能够为用户在使用移动流媒体传输数据时提供高质量的服务,增加用户的体验感。

如图3所示为终端A与终端B在进行网络传输的场景,可以看出终端A与终端B通过MPTCP协议建立连接,MPTCP协议分为2层,分别是子流层和连接层,连接层提供标准的TCP接口,主要为上层应用层服务,子流层则是与多个IP子通道对应绑定,实现多路径传输。由此可见,多路径数据传输能够提高异构网络的移动数据发布效率,提高移动运营商、移动设备制造商和内容提供商的服务质量,满足日益增长的移动用户的视频需求,并将取代传统基于单一路径的传输协议,成为未来移动互联网传输层核心协议。

图3 基于MPTCP协议的多路径传输场景

3 移动流媒体并行多路径传输机制

我国移动端规模正在不断扩大,在这种趋势的主导下,如何利用先进的传输技术提高网络数据传输的质量、增强移动用户的体验感成为未来移动流媒体发展的目标。

3.1 移动流媒体数据传输方式

移动流媒体主要以2种数据流的方式进行传输。

(1)顺序流方式。该数据流方式是按顺序下载,即边下载边播放,这种数据传输方式不具有交互性。基于顺序流方式播放的内容主要以短视频播放为主,为了保证数据传输质量,视频必须提前下载好。

(2)实时流方式。移动用户在下载视频时能够实时播放,并提供盒式录像机(Video Cassette Recorder, VCR)功能(实时录像,边录边看),具备交互性。基于实时流方式的网络传输可以实时传送数据,非常适合现场直播,并且用户在观看视频时可随时快进或后退[4]。

3.2 移动流媒体多路径并行数据传输步骤

MPTCP协议可以支持同时使用多个可用接口在多条接入链路和带宽聚合上进行并行传输[5]。以下是基于MPTCP协议的移动流媒体多路径并行数据传输步骤。

(1)MPTCP发送端与接收端建立连接。如图4所示,移动设备与多媒体服务器在建立连接的过程中需要经过3次握手建立连接。首先,发送端需发送一个带有MP-CAPABLE选项和随机秘钥KEY的报文段至接收端。其次,接收端收到消息后回复发送端一个MP-CAPABLE选项和随机秘钥KEY报文段SYN+ACK。最后,发送端发送一个带有MP-CAPABLE选项和随机秘钥的ACK至接收端,此时MPTCP发送端与接收端便建立了连接。

图4 MPTCP建立第一条子流连接

(2)端点与端点之间经由多条路径彼此相连。如图5所示,MPTCP发送端与接收端在进行网络传输时,移动设备为了实现多个接口接入,需要新增子流的连接,实现多条路径利用多个接口进行网络传输。

图5 MPTCP建立新增子流连接

(3)移动设备聚合多条路径的带宽,从服务器下载媒体内容。利用多条路径进行网络传输,可实现媒体内容高速下载。

(4)断开连接。MPTCP协议关闭与建立连接时的方式相同,需要经过3次握手实现。如图6所示,首先,发送端发送SHUTDOW指令给接收端,接收端收到相关指令后返回一个SHUTDOW-ACK指令向发送端确认,最后发送端收到关闭指令后就发送SHUTDOWN-COMPLETE给接收端,3次握手完成即实现断开连接。

图6 MPTCP断开连接

4 主要优势

4.1 融合MPTCP的移动流媒体的优势

基于MPTCP协议的移动流媒体并行传输机制相较于传统的TCP协议具有以下优点。

(1)吞吐量大。传统的TCP协议在数据传输过程中仅支持一条路径进行传输,因此单位时间内只能成功地传送少量的数据。然而MPTCP协议支持多条路径进行数据传输,从而使得网络的吞吐量得到极大提高。

(2)实时播放。由于传统的TCP与UDP协议支持完全可靠的传输,因此在进行数据传输时,只有当数据包完全传输完才能进行视频播放,而MPTCP协议是一种支持部分可靠的协议,可边下载边播放,增强了用户的体验感[6]。

(3)高速率下载。随着5G网络的普及,人们只需花3 s时间便可下载一部1 GB的视频。融合MPTCP的移动流媒体在此背景下可实现高速率视频下载。

4.2 基于MPTCP的流媒体传输机制

融合MPTCP的移动流媒体是通过建立多条子通道对数据进行传输,每条子流有自己独立的拥塞窗口,这样能够大大提高网络吞吐量[7]。一方面满足了人们获取海量数据的需求,另一方面也极大地方便了人们的生活、工作和娱乐。如图7所示,人们通过使用不同的移动终端进行通信与娱乐。在数据传输过程中,当网络传输速率较低时,MPTCP可发挥其优势,进行多条路径传输。从图7可看出,移动用户在使用移动终端下载视频时,可以通过路径A与路径B同时进行网络传输,有效地解决了网络传输卡顿、延迟等问题。这种支持MPTCP的多路径通信特性传输机制具有高带宽、良好的性能、较强的鲁棒性等特点,被认为是较有发展前景的传输技术之一[8]。

图7 基于MPTCP的流媒体传输场景

5 结语

本文通过分析近5年我国网民规模、移动互联网接入流量得出,我国主要以移动互联网接入流量为主。具体阐述了人们利用单一传输机制进行流媒体传输时所面临的各种问题,提出了一种移动流媒体并行多路传输机制,该协议具有多路径传输特性,能够极大地改善网络传输性能,提高网络带宽与吞吐量。考虑到MPTCP主要是以发送端感知消息,而接收端不具有主动性,为了进一步验证MPTCP协议的有效性,课题组下一步将在NS3平台搭建融合接收端的MPTCP环境,拟实现单向延迟关键技术,为MPTCP在移动流媒体行业提供更高质量的服务。