基于多流的重傳策略論文
摘 要 在本篇論文中，針對現有RTP/UDP在傳輸流媒體的不足，我提出了一種新的傳輸技術(shù)：MSSR-RTP（Multiple Stream Selective Retransmission-Realtime Transmission Protocol，多流選擇性重傳實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議）應用層協(xié)議，然后利用這個(gè)協(xié)議建立了在Internet中傳輸H.264/AVC架構體系。在實(shí)際項目中成功應用，并顯示出其很好的網(wǎng)絡(luò )特性以及TCP友好特性。
關(guān)鍵詞 RTP/RTCP；多流；選擇性重傳
現有的Internet網(wǎng)的“盡力傳輸模式”并不能很好的滿(mǎn)足Qos的需求，大家都在不斷尋求解決方案，著(zhù)名的Diffserv體系和Intserv體系都是在IP網(wǎng)絡(luò )中研究Qos提出的，但由于與現有網(wǎng)絡(luò )的兼容性以及兩者體系架構的復雜性，其到目前都沒(méi)能應用到實(shí)際Internet網(wǎng)絡(luò )中，在對網(wǎng)絡(luò )有特殊Qos需求的流媒體領(lǐng)域，如何在現有網(wǎng)絡(luò )體系中最大限度的解決延時(shí)，延遲抖動(dòng)，丟包等問(wèn)題一直是大家研究的熱點(diǎn)。目前的主流解決方案中：RTP/UDP架構在一定程度上解決問(wèn)題，但其存在不足，針對它的不足，我提出了MSSR-RTP應用層協(xié)議，利用這個(gè)協(xié)議建立了MSSR-RTP/UDP的架構體系。
1 介紹
在Internet上的流媒體應用越來(lái)越廣泛，但現有的傳輸層UDP和TCP協(xié)議都不能很好的支持流媒體的傳輸，其主要原因跟壓縮技術(shù)和現有的網(wǎng)絡(luò )體系架構有關(guān)。目前在流媒體領(lǐng)域的主流解決方案是：RTP/UDP[1]，即在UDP層上封裝RTP層，通過(guò)應用層來(lái)加強和改善多媒體數據在Internet傳輸上的性能。但目前這個(gè)方案仍有不足，我們以目前的主流視頻壓縮算法：H.264/AVC[2]為例：
a．RTP沒(méi)有分優(yōu)先權的字段。
H.264/AVC有3種類(lèi)型的幀（依據不同的軟件，其提供的幀類(lèi)型可能更多）：I幀，進(jìn)行幀內獨立編碼，可以看作參考幀；P幀，為前向預測幀，參考前面的I幀和P幀進(jìn)行編碼，采用運動(dòng)補償預測幀間誤差；B幀編碼依賴(lài)于前面的和后面的I或P幀。在傳輸中I幀和P幀數據出現錯誤，接收端視頻流回顯質(zhì)量會(huì )受到嚴重影響。特別是I幀數據，通過(guò)實(shí)際項目的測試發(fā)現，I幀的丟失將使畫(huà)面出現花屏，并且出現動(dòng)畫(huà)效果，畫(huà)面不夠流暢。同時(shí)，由于網(wǎng)絡(luò )資源限制，我們又不能把所有視頻數據同樣對待，必須對其分類(lèi)，使得關(guān)鍵數據能得到最大限度保障，而一些不重要的數據就不需要進(jìn)行重傳以減輕網(wǎng)絡(luò )負擔，但RTP機制并沒(méi)提供對信息分類(lèi)的功能。在我提出的模型中，利用多流的特點(diǎn)，為每個(gè)流設置重傳時(shí)間，在重傳時(shí)間內的數據進(jìn)行重傳，超過(guò)重傳時(shí)間的數據進(jìn)行丟棄，通過(guò)這種方法達到對不同優(yōu)先權的數據進(jìn)行分類(lèi)處理。
b．RTP無(wú)法滿(mǎn)足分片的需要。
由于視頻數據幀通常很大，如果不進(jìn)行分片的話(huà)，分片和重組將給路由器和目的主機增加了額外的負擔�；ㄙM額外的精力去創(chuàng )建數據報分片和分片重組。由于這個(gè)原因，需要將分片保持為最小，這里通過(guò)將應用層的數據段限制在一個(gè)較小的范圍內實(shí)現。由于所有IP支持的數據鏈路協(xié)議的MTU都被認為至少有576字節，所以可以使用548字節的MSS、8字節的UDP數據段頭部和20字節的IP數據報報頭的分片方法。
c．無(wú)法通過(guò)RTP/RTCP來(lái)提供擁塞控制和流量管理。
網(wǎng)絡(luò )資源的公平共享提出了要終端提供擁塞控制以防止網(wǎng)絡(luò )惡化。為了防止接收端被數據“淹沒(méi)”，也需要發(fā)送端提供流量管理的功能，但標準RTP機制沒(méi)有提供這種功能。
針對現有架構的不足，提出一種在RTP基礎上進(jìn)行擴展的體系：MSSR-RTP/UDP。利用在終端增加多流技術(shù)，分片/重組功能，增加CWND/RWND變量對現有的不足進(jìn)行改進(jìn)。
2 體系架構
根據H.264/AVC和現有Internet的特點(diǎn)，我擴展了RTP/RTCP的功能，提出了MSSR-RTP（Multiple stream selective retransmission-Realtime transmission protocol）模型，其圖如圖1。
系統的研究對象是H.264/AVC，它為網(wǎng)絡(luò )開(kāi)發(fā)者提供的是I，P，B幀，我把每一幀作為一個(gè)發(fā)送對象，取名：ADU（Application Data Unit應用程序數據單元）。由于通常視頻數據都很大，需要進(jìn)行分片。分片后通過(guò)控制模塊添加MSSR-RTP頭信息，并把封裝后的數據放入緩存，在發(fā)送方，無(wú)論數據屬于哪個(gè)流，都放入同一個(gè)緩存中。最后由調度中心將數據調入傳輸層，然后發(fā)送到接收方，接收方通過(guò)重組分片，收集丟失數據，依據流的特性，將需要重傳的數據通過(guò)MSSR-RTCP回饋到發(fā)送方，進(jìn)行數據重傳。如果一幀的每個(gè)分片都到達接收端，則重組為一幀數據上傳給解碼器。
2.1 MSSR-RTP，MSSR-RTCP的頭格式以及流結構
圖2是MSSR-RTP的頭格式，作為對標準RTP的擴充，有其新特點(diǎn)。頭部信息中，順序號是用于分片重組的。流序號表示分片是屬于哪個(gè)流的。流順序號表示在一個(gè)流中的順序號，如果一個(gè)大的ADU分片，那不同片擁有相同的.流順序號。ADU長(cháng)度是表示此分片對應的ADU的長(cháng)度。ADU偏移量是表示此分片在對應的ADU中的偏移量。
圖3是MSSR-RTCP的頭格式。MSSR-RTCP是在流媒體傳輸中與MSSR-RTP協(xié)同工作的協(xié)議。MSSR-RTCP定期發(fā)送供控制模塊使用的發(fā)送端或則接收端的統計報告。包括發(fā)送分組數、丟失分組數、間隔到達的抖動(dòng)等。對于每個(gè)正在發(fā)送的RTP分組，發(fā)送方會(huì )創(chuàng )建并傳送RTCP發(fā)送方報告分組，在本體系中，與標準的RTCP一致。對于每個(gè)正在接收RTP分組的接收方，作為對標準RTCP的擴展，MSSR-RTCP還提供了RWND字段和ACK GAP字段，前者用于在發(fā)送端進(jìn)行流量控制，后者用于進(jìn)行重傳。省略部分與標準RTCP一致，參考文獻[1]。
圖4是流數據結構。作為我提出的結構的核心，它是決定屬于此流的數據的重傳時(shí)間，對于流媒體，它并不需要所有的數據都到達，對于某些延遲超過(guò)設定的時(shí)間的幀并不需要重傳，這是由流媒體自身特點(diǎn)決定，并且，比其傳統單流，可以避免頭阻塞。
2.2 數據傳輸以及重傳策略
ADU傳到MSSR-RTP層，會(huì )首先進(jìn)行分片處理，然后由控制模塊加上MSSR-RTP報頭，由調度策略進(jìn)行數據發(fā)送，發(fā)送的數據依據其所在流的重傳時(shí)間決定發(fā)送后是否放入緩存。如果重傳時(shí)間不為0，發(fā)送后將緩存，如果重傳時(shí)間為0，則發(fā)送后就丟棄。緩存的數據依據MSSR-RTCP回饋進(jìn)行重傳和移除。其數據傳輸示意圖如下：
圖5 數據傳輸
服務(wù)器端通過(guò)函數SR_CREATE創(chuàng )建端口，然后調用函數SR_LISTEN進(jìn)行偵聽(tīng)，客戶(hù)端一旦需要接收數據，通過(guò)調用函數SR_CONNECT與服務(wù)器端建立連接，連接建立后將使用兩個(gè)端口，一個(gè)端口用于傳輸帶有MSSR-RTP頭的視頻數據，另一個(gè)用于傳輸MSSR-RTCP控制信息。
數據發(fā)送規則如下：
a. 如果發(fā)送出去未被確認的數據已經(jīng)達到或者超過(guò)CWND的時(shí)候，數據發(fā)送者不能再傳送任何數據到網(wǎng)絡(luò )中。
b. 當RWND為0的時(shí)候，數據發(fā)送者不能再傳送任何數據到網(wǎng)絡(luò )中。當未被確認的數據未超過(guò)CWND的時(shí)候，數據發(fā)送者必須保證有一個(gè)包在網(wǎng)絡(luò )中未被確認。
c. 當選擇發(fā)送數據的時(shí)候，重發(fā)的數據要比新數據優(yōu)先。
通過(guò)以上的數據發(fā)送規則，能夠進(jìn)行擁塞控制與流量控制，滿(mǎn)足對網(wǎng)絡(luò )資源公平共享的原則，同時(shí)也能防止大量視頻數據“淹沒(méi)”接收端。
重傳規則如下：
a. 超時(shí)重傳。
b. 接收端通過(guò)MSSR-RTCP回饋指示重傳。
超時(shí)重傳的原理與TCP中采用的方法一樣，RTT的時(shí)間計算采用Karn’S算法，參考文獻[3]。
3 接收端丟失判斷和重傳策略
依據H.264/AVC的網(wǎng)絡(luò )特點(diǎn)，我們只對I幀數據進(jìn)行數據重傳，并且依據實(shí)際項目對實(shí)時(shí)性的不同要求設置流中重傳時(shí)間大小。
使用MSSR-RTP，接收端通過(guò)到達包的MSSR-RTP頭部信息來(lái)判斷包的丟失。通過(guò)順序號，如果沒(méi)發(fā)生數據丟失，則順序號必定是連續的。如果不連續，則說(shuō)明發(fā)生丟失。對于需要重傳的流中，由于需要時(shí)間信息來(lái)決定是否需要重傳，因此必須要知道丟失的分片的時(shí)間信息，由于I幀數據量大，通�；殖蓭资习賯�(gè)片，所以可以通過(guò)發(fā)現在同一個(gè)I幀中其他分片（它們擁有相同的流順序號）來(lái)找出丟失分片的時(shí)間信息。
a. 一個(gè)幀中的分片的丟失判斷：通過(guò)在流中重組ADU的時(shí)候來(lái)檢測，如果發(fā)現順序號不連續，則說(shuō)明有分片丟失。這時(shí)候的重傳策略由這個(gè)幀所在的流決定。時(shí)間信息通過(guò)缺失此順序號但有相同流順序號的那些分片提供。
b. 一個(gè)幀中的開(kāi)始分片的丟失判斷：通過(guò)在流中重組ADU的時(shí)候來(lái)檢測。這時(shí)通過(guò)重組ADU發(fā)現找不到偏移量為0的分片知道有開(kāi)始分片丟失。這時(shí)候的重傳策略由這個(gè)幀所在的流決定。時(shí)間信息通過(guò)缺失此順序號的但有相同流順序號那些分片提供。
c. 一個(gè)幀中的結尾分片的丟失判斷：在重組ADU時(shí)，通過(guò)發(fā)現ADU長(cháng)度和重組后長(cháng)度不相等，但順序號是連續的，則說(shuō)明一個(gè)幀中的結尾分片的丟失，時(shí)間信息通過(guò)在同一個(gè)ADU的其它分片（即：有相同流順序號的那些分片）提供。這時(shí)候的重傳策略由這個(gè)幀所在的流決定。
d. 一個(gè)幀中的所有分片丟失判斷：在重組ADU時(shí)，通過(guò)發(fā)現不連續的流順序號說(shuō)明有一個(gè)幀中的所有分片丟失。這種情況，我們將不重傳此幀的任何數據。原因是因為I幀數據量大，分片多，全部丟失可能性很小和重傳整個(gè)I幀代價(jià)昂貴。
4 結論語(yǔ)
此體系架構已經(jīng)應用在為重慶某集團開(kāi)發(fā)的“重大危險源實(shí)時(shí)視頻監控系統”中，通過(guò)實(shí)際測試，發(fā)現其有很好的網(wǎng)絡(luò )適應性以及TCP友好特性，并且性能比其傳統的RTP/UDP有比較多的改善。
參考文獻
[1] Henning Schulzrinne’s RTP site,
http://www.cs.columbia.edu/~hgs/rtp/,1999
[2] M.-T. Sun and A. R. Reibman, Compressed Video Over Networks.Marcel Dekker Inc., 2001
[3] Karn,P., and C.Partridge.1987.Improving round-trip time estimates in reliable transport protocols. Presentation. SIGCOMM’87
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