RTP自适应传输控制算法的研究

友好性控制机制［３］。 （４）流媒体服务之间的公平性。公平性指在多个流媒
ｋ＋１一九＋口（６一九）
（２）
可见，当前预测值是由前一时刻的预测值加上预测误
体服务同时进行的条件下，每一个媒体流都能得到一定带 差和平滑系数口的积，发生拥塞时ｂ长时间保持较大的值，
宽以保证其服务能够进行。因而，ＲＴＰ白适应控制算法在 设计中要考虑其它流媒体服务存在时不会独占带宽，使其
的传输和 接收睽块
，７
＼、、、
‘。。。‘。’。。。。。。。。。。。。一
、
翠ＩＢ弼口数据包
Ｎ
７／
传 输 层
接
对丢包情况深入研究有助于提高算法的 性能。算法中也可以采用丢包间隔作为
流媒体 殪越；Ｅ
流媒体编码器产生的码流
ｏ＼
ｊ
口 网络状况标志量，丢包间隔（Ｌｏｓｓ Ｉｎｔｅｒ－
＼１””／
／
ｖａｌ）指连续两次丢包之间传输的包数。
具有流控机制的实时传输流在相同的环回时问（又称往返 时间）和包丢失率的情况下，以相同的方式共享带宽。流媒
器，利用ＲＴＣＰ报文中的丢包率预测下一个时刻的丢包 率，以便在发生拥塞前传输速率调整模块提前采取措施，防
体在传输过程中，如果不具备ＴＣＰ友好性的自适应控制机 止服务质量突然大幅度下降，减小丢包率随机波动的影响。
图１ ＲＴＰ自适应传输控制算法的组成模块及其作用
这种方法的自适应性更强，因为其反映拥
网络状况标志量计算模块的功能是将网络状况量化，
塞的精度较ＲＴＣＰ中的丢包率高，更好地
根据网络状况的反馈信息计算能够反映当前网络状况的标 反映了网络状况，加强了拥塞的预防。当然，也可以通过上
志量，如不同时刻的丢包率。网络状况判断模块根据网络 状况标志量判断目前网络状态或其变化趋势，是其它两模 块联系的纽带。传输速率调整模块依据网络状况判断模块 的结果对传输速率重新计算，将新的传输速率通知编码器，
Ａｌ奄ｔｒａｃｔ：Ｔｏｄａｙ，ａｓ ｔｈｅ Ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｐｒｏｔｏｅｏｌ（ＩＵ、Ｐ）ｉｓ ｕｓｅｄ ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ｗｉｄｅｌｙ ｉｎ ｔｈｅ ｓｔｒｅａｍｉｎｇ ｍｅｄｉａ ｓｅｒｖｉｃｅｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｖｉｄｅｏ ａｎｄ ａｕｄｉｏ ｉｎ ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ．Ｔｈｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｏｆ ＲＴＰ ａｄａｐｔｉｖｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒ－ ｒａｎｔ ｆａｃｔｏｒ ｔＯ ｇｕａｒａｎｔｅｅ ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｓｔｒｅａｍｉｎｇ ｍｅｄｉａ ｓｅｒｖｉｃｅｓ．Ｓｏ，ｍｕｃｈ ｍｏｒｅ ａｔｔｅｎｔｉｏｎ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｐａｉｄ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ
２流媒体服务对ＲＴＰ自适应传输控 制算法的要求
从流媒体本身的特点和网络性能出发，ＲＴＰ自适应传 输控制算法在设计中要考虑以下几方面的要求：
（１）保障流媒体的实时性和连续性。实时性、连续性 是流媒体的主要特性，对评价其质量尤为重要。因而，ＲＴＰ 自适应传输控制算法在流媒体传输过程中既要充分利用有 效带宽，又要预防拥塞，尽量将端到端的延迟控制在一个很 短的时间片内［２］。
万方数据
将传输速率调整得缓慢一些，从而有一个平滑的码率变化， 不会产生较大的抖动，使用户没有流媒体质量剧烈变化的
不稳定性和负载变化的随机．性，轻载时丢包率可能出现较 大的随机波动，突然达到一个较大的值，然后马上又恢复正
感觉。 （３）提供ＴＣＰ友好性。ＴＣＰ友好性是指当ＴＣＰ流和
常，其实并没有发生拥塞，不需要调整。 为了解决这两方面问题，一般采用如式（１）的低通滤波
成：网络状况标志量的计算、网络状况的判断和传输速率的 准确性，增强适应能力。文献［４］的试验中ａ＝Ｏ．３时，效果
睁埘黜悱 ＼～／ 调整，如图１所示。
蝇整的传输速率—— ：
最好。
ＲＦＣｌ８８９中定义的ＳＲ或Ｉ狠报文
网 中反馈的丢包率隐蔽了丢包内部很多信
络 息，反映不够及时。突破丢包率的局限，
形ｍ艉Ｔ四
Ｌ会逐渐接近ｂ。 这种基于丢包率的方式对网络状况的自适应性主要受
它服务也能获得一定的带宽进行传输。
式（１）中参数口的影响。ｎ如果太小，则对丢包率的反映比
３算法的组成模块
ＲＴＰ自适应传输控制算法由相互联系的三个模块组
较慢，发生拥塞时，判断出拥塞就相对较晚，不能及时地进 行调解；ｎ如果过大，能对拥塞有较快的反映，但容易将丢 包率较大的随机波动误报为拥塞，造成传输速率不必要的 抖动。因此’ｎ要视具体条件而恰当地取值，以提高预测的
（２）传输速率的平稳性。流媒体要求传输速率具有平 稳性。ＲＴＰ自适应控制算法应该在网络有效带宽降低时
÷ 收稿日期：２００４－０３—２６；修订日期：２００４－０６—０８ 作者简介：于溯（１９７９一），男，吉林长春人，硕士生，研究方向为多媒体技术和网络通信；盛彦瑾，硕士生，研究方向为模式识别、图 像处理和网络通信；黄凯，硕士生，研究方向为多媒体技术和网络通信；王文静，硕士生，研究方向为图像处理和网络通信。 通讯地址：４３００７９湖北省武汉市武汉大学计算机学院；Ｔｅｌ：１３８７１３５５７６５；Ｅ－ｍａｉｌ：ｋｖ－ｌｙｕｓ＠１６３．ｃｏｍ Ａｄｄｒｅｓｓ：Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈａｎ，Ｈｕｂｅｉ ４３００７９，Ｐ．Ｒ Ｃｈｉｎａ
面使用低通滤波器的方法，提早对网络状况的变化做出判 断，降低网络随机性的影响，进一步增强其自适应性。
这种方式在设计思想上受到ＴＣＰ拥塞控制算法的影 响，注重对拥塞的抑制；但丢失只是在拥塞、服务质量下降
编码器根据新的传输速率调整编码速率以适应当前网络状 达到较大程度的反映，对流媒体质量如实时性的变化反映
关键词：流媒体；自适应控制；ＲＴＰ；Ｉ汀ＣＰ
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｔｒｅａｍｉｎｇ ｍｅｄｉａ；ａｄａｐｔｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌ；ＲＴＰ；ＲＴＣＰ
中图分类号：ＴＰ３９３
文献标识码：Ａ
１ 引言
传统网络只能提供尽力而为的服务，对于具有实时性、 连续性、交互性和数据量大等特点的流媒体服务，无法保证 其质量。为了使流媒体服务能在传统网络中得到较好的质 量，ｍＴＦ于１９９６年正式提出了实时传输协议（ＩＨＰ）。在 该协议中定义了两种报文：ＲＴＰ报文用来传输实时数据， 可以灵活改变速率、防止乱序；ＲＴＣＰ报文在传输过程中为 ＲＴＰ数据提供网络状况和服务质量的反馈［１］。ＲＴＰ协议 能提供端到端的带宽控制和同步控制功能，因而为越来越 多的流媒体服务所采用。
况。下面对这三个模块进行具体分析。 ３．１ 网络状况标志量的计算
的精度也不高。
３．１．２基于时间标志量计算的实现方式
此模块目前主要有两种实现方式：基于包丢失相关标 志量的计算和基于时间标志量的计算。 ３．１．１基于包丢失相关标志量计算的实现方式
以丢包率作为网络状况的标志量，是目前多数算法实
流媒体的传输对实时性要求较强，所以有关时间的反 馈信息往往能够更好地反映流媒体质量，也有助于防止拥 塞嘲。
Ｄ＿ＲｒＰ＝Ｄ＋训＋Ｐ／ｕ
（３）
完全、及时、准确地反映目前网络状况。同时，由于网络的 其中，Ｄ是传输中的固定时延，训是在中间节点的等待时
５３
万方数据
间，Ｐ为ＲＴＰ数据包的长度，“是传输路径中中间节点的 平均服务率。Ｄ、“是固定的，Ｐ被限制在一定范围，ＤＲｒｐ的 变化主要由Ｗ决定。当网络负载较低时，Ｗ较小；当网络 负载增加到一定程度时，叫就随之增加，使ＤＲｒｐ增加，导致 流媒体实时性、连续性的降低，虽然此时还没有出现丢包， 但用户已经感觉到服务质量的下降。通过正确使用Ｉ汀Ｐ 中的时间参数，如预测、估计ＲＴＰ包的传输延迟，可以更早 地反映服务质量的下降，更多地考虑了人的感受和流媒体 的特点。因此，这种方式能更好地适应网络状况和服务质 量的变化，能更快地反映当前的服务质量，较早地调整速 率，从而更有效地预防拥塞；当然，它也无法避免网络不稳 定性的影响，文献［６］也采用上面低通滤波器的方法降低 Ｒｔｔ随机波动的影响，以增强对这种影响的自适应性。这 种基于时间的方式是目前研究的一个重点。
ＣＮ４３－１２５８／ＴＰ ＩＳＳＮ １００７—１３０Ｘ
计算机工程与科学
ＣＯＭＰＵＴＥＲ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ＆ＳＣＩＥＮＣＥ
文章编号：１００７－１３０Ｘ（２００５）１１—００５２—０５
２００５年第２７卷第１１期 Ｖ０１．２７，Ｎｏ．１１，２００５
பைடு நூலகம்
ＲＴＰ自适应传输控制算法的研究＋
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｏｆ ＲＴＰ Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ
因而自适应控制算法在设计中要考虑其它流媒体服务存在时不会独占带宽使其它服务也能获得一定的带宽进行传输稳定性和负载变化的随机性轻载时丢包率可能出现较大的随机波动突然达到一其实并没有发生拥塞不需要调整为了解决这两方面问题一般采用如式tcp报文中的丢包率预测下一个时刻的丢包率以便在发生拥塞前传输速率调整模块提前采取措施防止服务质量突然大幅度下降减小丢包率随机波动的影响可以过滤掉较大的随机波动当前预测值是由前一时刻的预测值加上预测误差和平滑系数这种基于丢包率的方式对网络状况的自适应性主要受不能及时地进行调解能对拥塞有较快的反映但容易将丢包率较大的随机波动误报为拥塞造成传输速率不必要的抖动
摘要：ＲＴＰ自适应传输控制算法是在基于实时传输协议（Ｉ汀Ｐ）的流媒体服务中进行端到端流量控制的算法，对于
保证流媒体服务质量有重要作用。本文详细介绍了流媒体传输对ＲＴＰ自适应传榆控制算法的要求，对现有算法的各个组 成模块进行了深入分析；总结了目前ＲＴＰ自适应传输控制算法的特点，指出了该算法今后研究和设计的趋势。
制，在网络拥塞时就会比ＴＣＰ占用更多的带宽，将会导致 ＴｃＰ服务由于拥塞引起恶化而不能进行。由于流媒体服
ｋ＋１一九（１一ｎ）＋曲
（１）
其中，Ｌ是Ｔ。时刻丢包率的估计值，ｂ是Ｌ时刻ＲＴＣＰ报
务在网络上日益增多，为了能同时保证ＴＣＰ业务的正常进 文中的丢包率，ｎ是常数，且ｏ≤口≤１，口可以过滤掉较大的
行，ＲＴＰ自适应控制算法在设计中就需要考虑引入ＴＣＰ 随机波动。由式（１）变化得：
了目前的网络状况。但是，ＲＴＣＰ报文中的丢包率一般不 这一结果对ＲＴＰ自适应传输控制算法的研究很有意义。
能直接用来作为标志量。首先，在网络发生拥塞时，ＲＴＣＰ
从传输过程分析，ＲＴＰ数据包的端到端传输延迟Ｄｍ－ｅ
报文不可避免地要受到影响，在传输过程中产生延迟。这 可以用式（３）表示：
样，ＲＴＣＰ报文中丢包率由于传输延迟而带有滞后性，不能
３．１．３两种实现方式的比较
比较以上两种实现方式，基于包丢失标志量计算的方
式目前比较成熟，可靠性好，运算复杂度小，容易实现；基于
于溯１。盛彦瑾２。黄凯１。王文静１ ＹＵ Ｓｕｌ，ＳＨＥＮＧ ＹａｍＪｉｎ２，ＨＵＡＮＧ Ｋａｉｌ，ＷＡＮＧ Ｗｅｎ－Ｊｉｎ９１ （１．武汉大学计算机学院，湖北武汉４３００７９；２．武汉大学多媒体网络通信工程湖北省重点实验室。湖北武汉４３００７９） （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｗｕｈａｎ Ｕｍｖｅｒｓｉ姆，Ｗｕｈａｎ ４３００７９；２．Ｔｈｅ Ｈｕｂｅｉ Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ ａｎｄ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００７９，Ｃｈｉｎａ）
在基于ＲＴＰ的流媒体服务中，ＲＴＰ自适应传输控制 算法有十分重要的作用。此算法利用反馈的网络状况、服 务质量信息来调整传输速率，从而降低端到端延迟，预防网 络拥塞，保证一定的服务质量，实现端到端的流量控制。因
此，随着目前网上流媒体服务的进一步发展，该算法正受到 越来越多的重视。下面我们将对现有的ＲＴＰ自适应传输 控制算法进行分析。
文献［６－１通过因特网上ＵＤＰ包往返时间（Ｒｏｕｎｄ－Ｔｒｉｐ Ｔｉｍｅ，简称ＲＴＴ）的研究，以实验为基础提出了一种基于往
现此模块的方式［２“’５］。ＲＴＣＰ的ＳＲ和ＲＲ报文中有接收 返时间的拥塞控制算法。和基于丢包率的拥塞控制算法相
端向发送端报告最近一段时间包丢失率的字段［１’２］，反映 比较，在控制的实时性、网络振荡抑制方面均有明显改善。
ｔｈｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｗｅ ｅｍｐｈａｓｉｚｅ ｔｈｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｄｅｍａｎｄｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｓｈｏｕｌｄ
ｍｅｅｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｏｄｕｌｅｓ ｗｈｉｃｈ ｃｏｍｐｏｓｅ ｔｈｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ。ｓｕｍｍａｒｉｚｅ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ａｎｄ ｆｉｎａｌｌｙ ｐｏｉｎｔ ＯＵｔ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｒｅｎｄ ｏｆ ｔｈｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｎ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒ己