朱振宇

(浙江水利水電學(xué)院 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

0 引 言

互聯(lián)網(wǎng)在經(jīng)歷了20世紀(jì)最后10年的數(shù)據(jù)大爆炸之后，最近一些年又在經(jīng)受另一次流量爆發(fā)式增長。不過這次數(shù)據(jù)的內(nèi)容是在線視頻，約10%的視頻流用戶占去運營商80%～90%的網(wǎng)絡(luò)總帶寬。視頻不同于傳統(tǒng)計算機(jī)數(shù)據(jù)：視頻在處理過程中占用更多計算資源，在傳輸過程中則消耗更多網(wǎng)絡(luò)帶寬。因而，在線視頻服務(wù)屬資源密集型業(yè)務(wù)。此外，與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)相比，在線視頻服務(wù)持續(xù)時間長，實時性強。這些特點給互聯(lián)網(wǎng)及運營商帶來諸多挑戰(zhàn)。所幸它的另外一些特點亦可被用來減緩此類壓力。諸如，視頻媒體可以被壓縮以節(jié)省傳輸帶寬需求而不影響受眾的視覺感受。[1-2]

然而，在視頻流量日益增多的當(dāng)下，運營商面臨諸多挑戰(zhàn)。

(1)擁塞網(wǎng)絡(luò)

在線視頻流帶寬需求量大且時變，又持續(xù)時間長，極易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞。既影響視頻受眾，同時帶給其他用戶糟糕的用網(wǎng)體驗：網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)慢、速度低。因此會影響用戶黏性。

(2)增加運營成本

流量大幅增加意味著網(wǎng)建及運營成本上升。

(3)加大最后一公里壓力

訪問網(wǎng)絡(luò)易成為瓶頸，特別是無線網(wǎng)/移動網(wǎng)，由于易受外部環(huán)境影響以及信號干擾、衰減和其他用戶負(fù)載分布的影響，造成實際可用帶寬波動。

(4)擴(kuò)展帶寬并不總能解決問題

網(wǎng)絡(luò)擁塞的發(fā)生在時間和地點上是隨機(jī)的。特別是在無線/移動互聯(lián)網(wǎng)中的峰值負(fù)載期間，鏈路可用帶寬和用戶帶寬需求的波動往往造成后者超出前者，即網(wǎng)絡(luò)帶寬供不應(yīng)求。加上一些應(yīng)用(包括P2P和流媒體)對帶寬極其貪婪，有多少閑置帶寬都會被它們吞食掉。

1 現(xiàn)行互聯(lián)網(wǎng)擁塞控制機(jī)制

網(wǎng)絡(luò)流量管理和擁塞控制技術(shù)是互聯(lián)網(wǎng)不可或缺的重要組成部分。運營商借助流量管理工具和擁塞控制技術(shù)確保向用戶提供高質(zhì)量服務(wù)，保證網(wǎng)絡(luò)可靠運行。網(wǎng)絡(luò)的擁塞控制機(jī)制主要分布在二個層級上實現(xiàn)，即在網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部節(jié)點(如路由器，交換機(jī)，基站和網(wǎng)關(guān)等)和用戶端設(shè)備中(即操作系統(tǒng))實現(xiàn)。其中QoS機(jī)制嵌入在路由器/交換機(jī)中，而TCP及其流量與擁塞控制技術(shù)則是終端機(jī)操作系統(tǒng)的重要組成部分[3-4]。

QoS機(jī)制主要由排隊算法和調(diào)度算法實現(xiàn)。其中排隊算法決定數(shù)據(jù)包排隊優(yōu)先級以及排隊擁擠時如何選擇丟棄。而排隊算法則決定著如何在不同數(shù)據(jù)包之間分配帶寬資源以及誰先誰后發(fā)送。它們的設(shè)計目標(biāo)是讓不同業(yè)務(wù)類型和服務(wù)之間共享帶寬等網(wǎng)絡(luò)資源，同時保障實時性強等高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。業(yè)務(wù)按服務(wù)質(zhì)量需求和實時性要求進(jìn)行分類，其中調(diào)度器采用典型的加權(quán)輪叫算法，每個隊列被輪番查詢并接受預(yù)設(shè)的服務(wù)份額。

網(wǎng)絡(luò)中間結(jié)點的QoS機(jī)制有其局限性，即每個結(jié)點自行判斷，自作主張，沒有端到端的關(guān)于網(wǎng)絡(luò)擁塞度的全局觀。TCP的擁塞控制機(jī)制則與其形成互補，防止互聯(lián)網(wǎng)因不堪所負(fù)而癱瘓。當(dāng)它檢測到擁塞現(xiàn)象時(如丟包或重發(fā))，它會觸發(fā)“緩慢啟動”機(jī)制，迅速減少TCP通道傳輸率。

現(xiàn)行擁塞控制方案的缺陷如下。

(1)QoS機(jī)制的局限性

網(wǎng)絡(luò)結(jié)點中的QoS機(jī)制就像互聯(lián)網(wǎng)尋徑一樣是每跳獨立的，即每個結(jié)點僅僅根據(jù)自身的即時擁塞度決定其丟包行為。另外，來自延遲敏感業(yè)務(wù)流的數(shù)據(jù)包總被賦予更高優(yōu)先級。這一調(diào)度策略在高優(yōu)先級業(yè)務(wù)流量屬非主流業(yè)務(wù)時方能公平合理運作，但當(dāng)視頻媒體居主導(dǎo)地位時，少數(shù)重用戶消耗大量帶寬，成為網(wǎng)絡(luò)擁塞、低速的主要根源，特別是導(dǎo)致互聯(lián)網(wǎng)的公平性難以維持。

(2)TCP擁塞控制機(jī)制的缺陷

TCP擁塞控制策略必然導(dǎo)致TCP管道利用率呈鋸齒狀，嚴(yán)重影響資源利用率和系統(tǒng)效率。這是由其自身機(jī)制決定的，主要是由于周而復(fù)始的“緩慢啟動”過程所至-即擁塞時的緊縮(發(fā)送)窗口，漸行擴(kuò)大窗口，終因發(fā)送過渡而擁塞，從而引發(fā)下一輪發(fā)送窗口的緊縮-擴(kuò)大周期。

(3)TCP榮譽制度(Honor System)的弱點

TCP的榮譽制度是一種自我管理和自我約束的安排。盡管TCP的擁塞控制機(jī)制對互聯(lián)網(wǎng)的可靠運行扮演著重要角色，但它的有效性取決于TCP的榮譽制度，即假定每個應(yīng)用程序都會自我約束，不貪婪網(wǎng)絡(luò)資源?，F(xiàn)實中的確有些應(yīng)用充分挖掘TCP的特性而占盡其榮譽系統(tǒng)的先機(jī)。

2 面向視頻的流量控制及優(yōu)化的特點

由上述的分析不難看出，不論是QoS機(jī)制造成的丟包，還是TCP窗口機(jī)制所導(dǎo)致的管道效率“鋸齒狀”，都是因為網(wǎng)絡(luò)負(fù)載達(dá)到一定飽和度而引起的。而TCP的榮譽制度缺陷則容易致使網(wǎng)絡(luò)承載飽和失控。顯而易見，問題的關(guān)鍵在于能否以及如何有效控制網(wǎng)絡(luò)流量[5-7]。

如果說TCP是通過窗口機(jī)制從微觀上進(jìn)行流量控制，那么本項目研究的面向視頻的流量控制則是粗放的、宏觀的，并滿足以下條件。

(1)能夠有效控制網(wǎng)絡(luò)主流業(yè)務(wù)的帶寬需求

如前分析所知，視頻業(yè)務(wù)已經(jīng)占據(jù)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的50%以上，并依然呈現(xiàn)不斷增長的勢頭，特別是在移動互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。正是視頻業(yè)務(wù)在互聯(lián)中占有如此高的份額，從根本上奠定了面向視頻的流量控制技術(shù)的有效性。

(2)大范圍強力度

流量控制方案能夠在較大范圍內(nèi)調(diào)控視頻媒體的帶寬需求，從而滿足視頻信號帶寬需求的波動性。此外，它對視頻媒體帶寬需求的調(diào)控力度可強可弱，其調(diào)控強度體現(xiàn)在兩個方面：一是指調(diào)整幅度，可以將視頻媒體的帶寬消耗減少70%或更多；一是指調(diào)控速度可快可慢。

(3)與QoS機(jī)制互補

流量調(diào)控機(jī)制在宏觀上調(diào)節(jié)流經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的視頻業(yè)務(wù)流量，從而調(diào)節(jié)流經(jīng)各個網(wǎng)絡(luò)結(jié)點的流量，進(jìn)而影響數(shù)據(jù)包在每個結(jié)點的丟包率和延遲。與運作在微觀層面的QoS機(jī)制形成互補。

(4)與TCP擁塞控制方案互補

流量調(diào)控機(jī)制在兩個方面彌補了TCP擁塞控制方案的不足：一是調(diào)節(jié)TCP管道流量使其避免進(jìn)入飽和或擁塞狀態(tài)，進(jìn)而消除其固有的發(fā)送窗口“緊縮-擴(kuò)大”周期，從而提高TCP管道利用率；一是本流量調(diào)控機(jī)制可以有效抑制視頻應(yīng)用濫用TCP的榮譽制度，避免其無節(jié)制吞食互聯(lián)網(wǎng)可用帶寬。

3 面向視頻的流量控制及優(yōu)化的研究

一般來講，一個網(wǎng)絡(luò)或其局部區(qū)域的吞吐率會隨著進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)或區(qū)域的負(fù)載增加而增加，直到其瓶頸裝置的資源利用率達(dá)到峰值，此時，吞吐率也將達(dá)到最大值。吞吐率一旦達(dá)到峰值，系統(tǒng)即處于飽和態(tài)。由此開始，系統(tǒng)內(nèi)隊列會開始積累，排隊現(xiàn)象終究會反映在系統(tǒng)性能的下降，如對用戶請求反映遲緩[3,8]。

這一現(xiàn)象可以用利特爾法則(Little’s Law)來描述：

Q=X×R

(1)

Q表示在系統(tǒng)中數(shù)據(jù)包個數(shù)或負(fù)載，X代表系統(tǒng)吞吐率，R是系統(tǒng)響應(yīng)時間。如圖1所示，X隨著負(fù)載Q的增加而增加。由于在系統(tǒng)內(nèi)某種程度的競爭存在，R也會隨之略有增加。當(dāng)負(fù)載Q增加到某個區(qū)位，X將達(dá)到吞吐率最大值。此時，Q的繼續(xù)增加將導(dǎo)致響應(yīng)時間R同比增長。

圖1 系統(tǒng)性能隨負(fù)載強度的變化率

在圖1中，Q*代表負(fù)載臨界點或飽和點，在此之后系統(tǒng)進(jìn)入飽和期。在飽和期系統(tǒng)性能開始下降，典型的表現(xiàn)為系統(tǒng)響應(yīng)時間持續(xù)延長，丟包率持續(xù)增加，而系統(tǒng)吞吐率不增或下降。

很明顯，為了保證網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量，應(yīng)當(dāng)讓系統(tǒng)狀態(tài)保持在優(yōu)質(zhì)區(qū)或非飽和區(qū)。通常的做法是發(fā)現(xiàn)瓶頸點或鏈，并對瓶頸設(shè)施進(jìn)行擴(kuò)容。擴(kuò)容不僅意味著增加網(wǎng)建成本，且有時并非是最佳或有效的方法。譬如，網(wǎng)絡(luò)流量持續(xù)或爆發(fā)式增長，如近年來視頻流應(yīng)用所導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)流量增長模式，或者瓶頸現(xiàn)象只發(fā)生在短暫的峰值期或高峰時段。另一方面，瓶頸點隨機(jī)形成、隨機(jī)分布，尤其在無線或移動網(wǎng)中。

那么除了擴(kuò)容以外，有沒有更簡便有效的方法能夠把系統(tǒng)狀態(tài)“定格”在飽和點以下呢？圖1所展示的性能-負(fù)載一般規(guī)律啟發(fā)：可適當(dāng)動態(tài)調(diào)整視頻流的帶寬需求，從而把系統(tǒng)總負(fù)載維持在飽和點以下。如上所述，本研究方法可對主體網(wǎng)絡(luò)流量(視頻媒體)做大范圍強力度調(diào)整，充分保證了這一方法的有效性和靈活性[2]。

本研究方法有效調(diào)控網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的能力也可以通過利用率法則，從另一個角度予以展示：

U=X×D

(2)

U表示某網(wǎng)絡(luò)實體的利用率，X是它的吞吐率，D則是該實體的服務(wù)需求。如果一個數(shù)據(jù)通道有若干個網(wǎng)絡(luò)實體(如網(wǎng)絡(luò)結(jié)點)構(gòu)成，那么該數(shù)據(jù)通道的最大吞吐率則受限于服務(wù)需求最大(或服務(wù)能力最弱)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(如無線或移動網(wǎng)中的基站)。

例如，如果我們測得的某數(shù)據(jù)通道的吞吐率為200 Mb/sec,沿途4個結(jié)點的平均利用率分別為：

U1=40%

U2=30%

U3=8%

U4=80%

它們的服務(wù)需求則分別為：

D1=0.4/200 Mb/sec=0.002 sec/Mb

D2=0.3/200 Mb/sec=0.001 5 sec/Mb

D3=0.08/200 Mb/sec=0.000 4 sec/Mb

D4=0.8/200 Mb/sec=0.004 sec/Mb

在此例中，結(jié)點4服務(wù)需求最大(即服務(wù)能力最弱)。所以，結(jié)點4是該通道的瓶頸點。可以利用這一結(jié)果來預(yù)測數(shù)據(jù)通道的最大吞吐率：

Xmax=1/Dmax=1/D4=250 Mb/sec

可見，為了提高通道容量，首先應(yīng)當(dāng)擴(kuò)容結(jié)點4。如果采用限流的辦法，則應(yīng)該抑制流經(jīng)結(jié)點4的視頻流量，使得總流量與結(jié)點4的容量保持相當(dāng)。

4 結(jié) 論

網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)正逐漸改變?nèi)藗兊囊暵犃?xí)慣，目前已經(jīng)成為中國網(wǎng)民上線時間最長的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。移動寬帶技術(shù)突飛猛進(jìn)，正在促使越來越多的人從PC端轉(zhuǎn)移到移動端觀看視頻。在中國，隨著5G的到來，資費將會更加親民，從而加速移動視頻呈井噴式發(fā)展。

本研究充分利用了視頻媒體的如下特點。

(1)視頻媒體具有極大彈性：視頻內(nèi)容可以在視頻源被壓縮，到了接收端再經(jīng)解壓縮而還原。視頻內(nèi)容可以壓縮為不同的碼率，并可以不同的速率傳輸。

(2)就感覺質(zhì)量而言，受眾對不同的壓縮率和傳輸率并不敏感。

(3)人們在線觀看視頻的時長遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他數(shù)據(jù)服務(wù)，如語音服務(wù)或文件下載。網(wǎng)絡(luò)視頻較其它服務(wù)消耗更多帶寬。

(4)視頻媒體已經(jīng)成為互聯(lián)網(wǎng)的主導(dǎo)流量，占比超過50%，并且依然呈現(xiàn)高速增長勢頭。

本研究結(jié)果可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)整體或局部的即時狀況，有效控制視頻流量的總占比或絕對量。它可以降低視頻媒體的帶寬消耗至70%或更多。如此強有力的帶寬資源掌控能力足以游刃有余地將網(wǎng)絡(luò)運行狀態(tài)始終保持在優(yōu)質(zhì)服務(wù)態(tài)(或非飽和態(tài))。在此狀態(tài)下，無論網(wǎng)絡(luò)中間結(jié)點或端到端性能，都將會得到大副提升。連路和TCP管道利用率均會保持在高水平上。

簡言之，研究超強的視頻帶寬需求調(diào)節(jié)能力能夠使網(wǎng)絡(luò)總流量或流經(jīng)瓶頸點/或是區(qū)域的流量維持在一個適當(dāng)?shù)乃缴?，使網(wǎng)絡(luò)處于優(yōu)質(zhì)服務(wù)態(tài)，從而確保了網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量和公平性，同時使網(wǎng)絡(luò)高效運行，網(wǎng)絡(luò)資源得到充分發(fā)揮。換個角度看，它是通過抑制過多的(視頻)流量進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)避免把網(wǎng)絡(luò)帶如飽和態(tài)，在保證網(wǎng)絡(luò)高質(zhì)高效運行的同時，也節(jié)約了帶寬，減少了運營成本。另一方面，即使在峰值期網(wǎng)絡(luò)流量暫時超出設(shè)計容量也不至于影響服務(wù)質(zhì)量，從而延長設(shè)備更新周期。