基于tcp的流媒体缓存算法的研究

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1、一3 9 4 一 第十届全国有线电视技术研讨会论文集 基于T C P 的流媒体缓存算法的研究 中国传媒大学信息工程学院杨荣菊曹经珊丁一 摘要：本文根据N S 2 模拟软件的实验，对基于T C P 协议传输的流媒体缓存大小的计算迸行研究，并出实验结果证明通过 确定的最小缓冲延迟能使多媒体播放达到较好的效果。 关键字：N S 2T C P 流媒体缓存 1 引言 通过T C P 协议能提供可靠的多媒体数据流传输，但是要通过T C P 提供高质量的多媒体服务却很困难：( 1 ) T C P 传输的拥塞控制会增加传输中波动的产生，并且会成倍减小重要应用数据传输的适应性和灵活性；( 2 ) 错 误重传的超

2、时设定会对多媒体传输产生不可接受的端对端的延迟，这种数据转发的延迟可能会造成媒体播放 中断。 通过在接收端设定缓冲可在一定范围内减小T C P 的上述缺点。缓冲必须足够大，以确保多媒体数据的完整 性，但是如果缓冲区过大，则会造成延迟过大或资源浪费，同样不能满足用户的要求。在当前的应用中，尽管还 没有对接收端缓冲的具体规定，但还是在通过这种方法来保证流媒体播放的平稳流畅。我们要解决的问题就是 如何设定缓冲区大小才能使通过T C P 协议传输的多媒体播放达到最好的效果。我们从一个流媒体传输的系统 模型的分析开始。在这个模型的基础上，研究三种不同情况下的缓冲区大小：( 1 ) 当T C P 的流量与

3、多媒体播放速 率相匹配时；( 2 ) 当T C P 的流量小于多媒体的播放速率时；( 3 ) 当T C P 流量被最大窗口尺寸限制时。我们将利用 模拟结果和网络试验证明通过这个模型确定的最小缓冲延迟能使多媒体达到最好的播放效果。 2 模型分析 这里我们首先介绍一个基于T C P 的流媒体传输模型，我们将利用这个模型来确定三种情况下的缓冲区大 小。图1 是一个包含发送端和接收端的流媒体传输模型。假设发送端采用单播形式的T C P 连接发送流媒体数 据，接收端将在缓冲区充满后将数据传人播放器。而播放器总会在缓冲区获得足够数据后才会对媒体数据进行 解码播放。目前有两种形式的缓冲延迟。 图I 基于T

4、C P 的流媒体传输模型 ( 1 ) 初始缓冲延迟：为了适应初始流量的可变性和缓解数据包传输过程中出现的拥塞等问题，流媒体需要 设定初始缓冲延迟。虽然缓冲区越大越能流畅地播放多媒体文件，但是这会相应地延长启动时间和反应时间。 ( 2 ) 传输过程不采用延迟：T C P 流量的减小可能会引起接收端缓冲区数据用尽的发生，即造成播放中断。如 果出现这种情况，播放器将停止媒体文件的播放直到再有足够的数据。 其中，入- ( p ) 为在k 时段内接收的数据率，砖( p ) 为流媒体数据解码率，P 为从发送端到接收端的数据传输 第十届全国有线电视技术研讨会论文集 3 9 5 的丢包率，一个时段为在拥塞窗口

5、条件下，从发送一个数据包开始，到收到该数据包的第一个确认回应( A C K ) 为止的时间。假设一个时段等于一个发送确认时间( R 7 I - I ) ，且不受拥塞窗口的限制。 图2 ( a ) 显示了模型的T C P 流传输的接收端的情况，“”表示丢失的数据包。这是目前网络中最流行的一种 数据传输方式。在这个模型中，流量的稳定性由拥塞窗口大小决定，拥塞窗口大小由丢包率P 来调整。数据包的 丢失可以根据A C K 或者超时来判断，我们把前者叫T D ，后者叫T O 。收到三次A C K 后，T D P 开始计时，并且发送 窗口以1 b 的速率增长，直到再次收到三次A C K 。如果出现许多丢包

6、而且没有收到三次A C K ，T O P 开始计时。 在T O P 内，发送者将逐渐降低发送速率直到停止发送。 k 位) Z m Z ” 图2 ( a ) 接收者数据到达情况 图2 ( b ) 显示了流媒体在接收端的播放状况，这里我们假设媒体播放速率为每一个R r I - I 时间段播放两个数 据包。我们发现，如果使用精确的缓冲大小，就可以达到无中断的理想的播放效果。由于播放质量的降低是由缓 冲区数据量减少引起的中断或画面延迟造成的，所以我们把解决问题的关键放在提供持续的流媒体数据以尽 可能减少播放中断上。 久( p ) Pth塘 队捌目i 旧d d a y 图2 ( b ) 播放器播放数据情

7、况 在上面这个模型中，我们用缓冲中数据用尽的概率和中断频率作为衡量传输效果的依据。缓冲中数据用尽 的概率为r d N ，n 为缓冲中数据用尽的次数，N 是一段流媒体的时段数。一个时刻是平均的Z a V + Z a O ，Z m 是T O P 的 时间长度，z m 是两个T O P 之间的时间长度。所以一个矿包含一个或一个以上的T D P 时间。中断频率被定义为 I 胛，n 为缓冲中断次数，T 是媒体流时间长度。T 里面包含了N 个时段，因此可以认为中断频率等于在一个时段 内缓冲中数据用尽的概率。 因为接收者或者在T D P 时段内，或者在T O P 时段内，所以在t 时间缓冲中数据用尽的概率可

8、以表示为： 表1符号 q o 时刻缓冲区数据 q x 时刻缓冲区数据 q _ 缓冲区数据最小值 p 丢包率 RR T T h ( p ) K 时刻接收数据 ( p ) 数据解码率 b收到A C K 的数据包数量 W i在T D P 之后发送窗口大小 X 当T D 丢包被发现的时刻数 Y j在T D P 发送数据包的数量 在T D P 第一个丢失的包 B i最后时刻发送数据包数量T o重新发送时间 P I 理想的缓冲数据用尽的概率最大发送窗口的大小 一3 9 6 一 第十届全国有线电视技术研讨会论文集 义。 P q 血oJ - ( o I t 矿) + P q 幽o I t 矿) P ( t 产

9、 ( 1 ) 因为h ( p ) 为数据接收速率，& ( p ) 为k 时刻内播放的数据，因此k 时刻缓冲区内数据可以表示为： q 。= q k - 。+ 入k ( p ) 一文k ( p ) ( 2 ) K = I ，2 ，) ( i ；x i 为当发现T D 丢包时的时刻；q 。为在第0 时刻缓冲中的数据。表1 列出了一些符号的意 在一个T D P 时段内，因为接收数据率大于零，而且线性增长直到出现三次A C K ，k 时刻缓冲中数据为： k q k = q o + 【入。( p ) 一爻。( p ) 】 ( 3 ) 相应的，在T O P 时刻，没有接收到数据，因此在k 时刻，缓冲中数据为

10、： q k = q k q - k k ( p ) = q o - - k k k ( p )( 4 ) 3 理论分析 3 1 当可用带宽多媒体播放速率相匹配时 我们首先研究当T C P 流量与媒体播放速率相匹配时的情况。这种情形通常会在两个条件下产生，一个是访 问连接带宽，另一个是可用带宽受访问连接能力的限制。举例来说，很多提供媒体数据流的站点提供同一个文 件的多个副本，而各个副本传输时产生的数据率不同，即一个资源请求者需要基于访问连接能力来获得恰当的 数据流。 我们既然假定了媒体播放速率与T C P 流量大小相等，并且自始至终都不改变，则可以设定媒体的播放速率 如下： ( p ) 2 礴乖

11、而1 礴丽磊眦k e 一 ( 5 ) 从有条件缓冲大小的计算公式( 3 ) 、( 4 ) 我们可以得到最小的缓冲大小需求，当然这个最小的缓冲不是绝对 的。公式( 5 ) 表明了这样一种含义，即给定一定丢包率( p ) 和发送确认时间R T r ( R ) 的网络，在理想的缓冲数据用 尽的概率( P 。) 确定的条件下，缓冲大小的计算公式如下： q o 普 1 + 等( 熹) 2n l i n ( 1 ，3 、孚) p ( 1 + 3 2 p 2 ) 】 ( 6 ) 给定缓冲大小后，必需的缓冲延迟为： 盱面丽 V7 其中，B ( p ，R ) 是T C P 稳定时期的吞吐量，d o 是缓冲中数据

12、的排空时间。 3 2 播放速率大于可用带宽时 当网络内数据流很拥挤时，T C P 流量会降低到小于媒体播放速率，这种条件下要达到理想的播放效果是很 困难的。唯一的解决办法是使用足够大的缓冲，既可以适应T C P 数据传输速率的变化，也可以为媒体的播放提 供足够的数据。下面我们将研究这种情况，并得到理想中的最小的缓冲大小。 公式( 8 ) 是理想的缓冲大小的计算公式： 驴酱【1 + 等c m 哪，一b 盟) p ( 1 + 3 2 p 2 ) + 一 第十届全国有线电视技术研讨会论文集 3 9 7 其中，我们设T C P 平均流量E k 。( p ) ) 小于媒体播放速率入k ( p ) 。 比

13、较公式( 5 ) ，( 8 ) 可以看到，后者比前者的缓冲增大了后面一部分，这部分与媒体播放速率和T C P 流量的 区别相对应。因此，如果差别增大了，相应的缓冲也会增大。 3 3 T C P 传输受最大窗口限制时 有时候T C P 流量会被发送端或接收端的窗口大小限制。接收端的窗口大小由端到端的控制流广播得到，这 样发送端就不能传送大于接收端容纳能力的数据。 部分媒体传输软件以媒体数据的编码速率作为传输速率，这种情况下，如果带宽大于媒体的编码速率，发 送端就不能充分利用可用带宽。我们认为这种情况与受发送缓冲限制产生的影响相当，数据在R T T 内用窗口大 小限制的速率流入网络。公式( 9 )

14、 是理想的缓冲大小的计算公式： q o 茜( W m “) 2 4实验验证 ( 9 ) 下面我们利用仿真工具N S 2 缓冲区大小与播放中断频率的关系作出评估，仿真的实验结果相当于在实际 的网络巾的情况。 4 1 实验设置 我们采用N S 2 软件进行仿真实验。T C P 动态流量即网络波动是由网络瓶颈引起的，我们设定的网络中采用 5 个T C P 流作为研究对象，所有连接都具有足够的带宽，并能保证丢包现象均在瓶颈处产生：链接带宽 1 0 0 M b p s ，时延2 m s ，瓶颈链接带宽1 0 M b p s ，时延4 0 m s 。为验证动态T C P 模型，我们在发送端和接收端都进行流

15、 量测定：流量大小通过发送给接收端的数据包的数量来确定，所有数据包的长度都是1 2 0 0 字节。为构造网络的 动态特征，我们在T C P 数据传输开始前1 0 秒添加F T P 流与T C P 流竞争带宽，并选取1 0 个随机种子产生的数 据流作为意外状况的影响，这样必然造成网络拥塞，使T C P 数据流产生丢包，从而仿真网络更接近真实。在结果 图中都包含三组数据，分别对应三种丢包率8 ，4 ，2 ，即在相同网络状况下，不同丢包率对缓存的影响对比。 仿真网络示意图如图3 所示。 图3N S 2 仿真实验( 0 ，1 结点表示路由器，2 - 1 7 结点表示主机) 为评估丢包率对网络流量的影响

16、，我们用公式( 1 0 ) 计算流量： t 岫2 可面8 邮p k t _ ，3 s i 、z e 孚_ _ 而鬲 ( 1 0 ) 公式( 1 0 ) 说明了丢包率，R 1 - I ，T C P 流量三者之问的关系。从公式来看，虽然三者之间没有明显的直接的关 系，但是T C P 流量却以某种算法依赖于丢包率，当丢包率增大时，T C P 流量也会直接下降，当丢包率减小时， T C P 流量会相应增大，而两者与缓存的关系可从上面的缓存计算公式看出来。 在下面的实验结果图中，横轴表示缓存延迟，纵轴表示中断次数，每个红点表示出现一次中断，即缓存数据 3 9 8 第十届全国有线电视技术研讨会论文集 为0 。 4 2 实验结果 4 2 1 播放速率与可用带宽相匹配时 ，图4 ( a ) 表示当播放速率与可用带宽相匹配时的缓存延迟及中断情况，从实验结果中知道R T r 平均为 1 4 0 m s ，从图中可以看出，当丢包率分别为8 ，4 ，2 时的缓存延