王 蕊，周 慧，趙海茹，趙盛萍

玉溪師范學(xué)院，云南 玉溪 653100

0 引言

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，在視頻會(huì)議、人工智能、高清視頻、虛擬現(xiàn)實(shí)等各個(gè)領(lǐng)域都出現(xiàn)了大量的應(yīng)用。它們有嚴(yán)格的服務(wù)質(zhì)量（QoS）要求。目前，大多數(shù)數(shù)據(jù)傳輸都通過(guò)一條路徑。在大多數(shù)情況下，單個(gè)路徑不能完全支持這些新興的應(yīng)用程序。此外，在高損耗或延遲的情況下，單路徑傳輸?shù)男阅茱@著下降。為提高新興應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量，優(yōu)化現(xiàn)有的傳輸技術(shù)至關(guān)重要。終端設(shè)備之間多路徑的可用性不斷增加，為解決上述需求提供了機(jī)會(huì)。并發(fā)多徑傳輸（CMT）是一種很有前途的解決方案，它可以聚合多條路徑的帶寬。

1 多路徑傳輸協(xié)議的研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的傳輸協(xié)議，如TCP和UDP，不支持同時(shí)使用多條路徑。為了解決該問(wèn)題，IETF標(biāo)準(zhǔn)化了多路徑TCP（MPTCP）[1]和流控制傳輸協(xié)議（SCTP）。MRTP（Multipath RTP）是一種多路徑RTP（Multipath RTP），它定義了如何利用終端設(shè)備之間的多條路徑傳遞多媒體信息。杜恒[2]提出SCTP具有多流的特性，支持多宿主，在端到端之間可以有多個(gè)可用的IP地址。在SCTP的主版本中，多個(gè)路徑只被認(rèn)為是主路徑的備份。為了進(jìn)行擴(kuò)展，SCTP增加了CMT的特性。樊曉原[3]基于CMT-SCTP 協(xié)議對(duì)實(shí)時(shí)流媒體進(jìn)行傳輸，研究CMT-SCTP 傳輸協(xié)議在實(shí)時(shí)流媒體傳輸場(chǎng)景下的所遇到的嚴(yán)重亂序、當(dāng)前CMT-SCTP的重傳策略比較簡(jiǎn)單不適合于實(shí)時(shí)流媒體傳輸?shù)葐?wèn)題展開(kāi)了研究。MPTCP是面向連接的傳輸層協(xié)議，面向連接雖然可靠性好，但不可避免地增加了許多的開(kāi)銷(xiāo)和時(shí)延。SCTP很好地結(jié)合了TCP 和UDP在流媒體傳輸上的各自優(yōu)勢(shì)，能夠很好地支持流媒體的傳輸，但是SCTP不兼容現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用。綜上，雖然SCTP和MPTCP能夠提高端到端的傳輸速度，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸效率，但仍然不適用于流媒體數(shù)據(jù)的傳輸。

2 多路徑UDP協(xié)議

2.1 多路徑UDP框架

多路徑UDP的總體框架分為用戶層、編碼層、流處理層、多路徑UDP傳輸控制層和網(wǎng)絡(luò)層。多路徑UDP是一種基于會(huì)話的協(xié)議，為上層應(yīng)用程序在多個(gè)流上分發(fā)和傳輸數(shù)據(jù)提供了方便的工具。從協(xié)議棧架構(gòu)的角度來(lái)看，MPUDP作為應(yīng)用層和傳輸層之間的中間層。應(yīng)用程序通過(guò)常規(guī)的套接字API與多路徑UDP交互，多路徑UDP管理多個(gè)TCP/UDP流。

2.2 多路徑UDP實(shí)際部署存在的問(wèn)題

綜合分析傳輸層協(xié)議及并行多路徑傳輸技術(shù)的特點(diǎn)后發(fā)現(xiàn)，要實(shí)現(xiàn)多路徑UDP的實(shí)際部署需要解決如下問(wèn)題。

（1）不能有效地建立并行多路徑UDP。在多路徑并行傳輸技術(shù)中，若要實(shí)現(xiàn)并行多路徑的建立，發(fā)送端必須知道接收端是否支持多路徑，若支持則兩端必須交換雙方的地址信息以確認(rèn)對(duì)端可用的IP地址。而UDP是無(wú)連接的、不可靠的傳輸協(xié)議，它不能保證雙方的多路徑可用性信息和地址信息是否可靠地交付，有效建立并行多路徑的概率會(huì)大大降低。

（2）因?yàn)閬y序引起的較高主動(dòng)丟包率。現(xiàn)有流媒體傳輸過(guò)程中，UDP協(xié)議使用盡力而為的交付方式，即不保證可靠交付。在基于并行多路徑的流媒體傳輸技術(shù)中，因?yàn)槎鄺l路徑性能的差異，UDP協(xié)議發(fā)送端所發(fā)送的每個(gè)數(shù)據(jù)包可能不按照原先發(fā)送的順序到達(dá)接收端，有可能早發(fā)送的數(shù)據(jù)包較后到達(dá)接收端。并且，多路徑并行UDP傳輸本來(lái)就是通過(guò)不同的路徑傳送，因此，出現(xiàn)亂序的可能性更大。若對(duì)未按序到達(dá)的數(shù)據(jù)報(bào)采用直接丟棄的方式，這將會(huì)因主動(dòng)丟包率較大而造成流媒體傳輸質(zhì)量降低。

（3）嚴(yán)格的排序不能保證流媒體傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。與單徑傳輸不同，在多徑傳輸過(guò)程中，包在多條路徑上進(jìn)行傳輸，包由于在不同性能的路徑上進(jìn)行傳輸，因此引起亂序可能性更大。若對(duì)到達(dá)接收端的數(shù)據(jù)在緩存區(qū)進(jìn)行嚴(yán)格的排序，在流媒體數(shù)據(jù)不能按序到達(dá)的情況下，緩存區(qū)不能向應(yīng)用層及時(shí)遞交數(shù)據(jù)，流媒體的實(shí)時(shí)性不能得到保證。

綜上所述，解決如何有效建立多路徑UDP、傳輸過(guò)程中較高的主動(dòng)丟包率、嚴(yán)格排序造成實(shí)時(shí)性降低等問(wèn)題可以有效地增大網(wǎng)絡(luò)吞吐量、減少亂序及降低丟包率，并通過(guò)多路徑傳輸提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率。這正好與流媒體傳輸技術(shù)朝著大流量、高服務(wù)質(zhì)量方向發(fā)展相一致，具有極強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

2.3 多路徑UDP關(guān)鍵技術(shù)

為解決以上問(wèn)題，筆者提出了以下關(guān)鍵技術(shù)促進(jìn)多路徑UDP的實(shí)際部署。在傳輸過(guò)程中，發(fā)送方為每個(gè)路徑分配一個(gè)流。原始應(yīng)用程序數(shù)據(jù)分布在多個(gè)流中。當(dāng)?shù)竭_(dá)目的地時(shí)，這些數(shù)據(jù)包結(jié)合起來(lái)重建原始消息。多路徑UDP的關(guān)鍵技術(shù)如下所述。

（1）路徑建立。使用并行多路徑UDP 技術(shù)傳輸流媒體，首先要研究的內(nèi)容就是在初始化過(guò)程中，怎樣有效建立路徑，能夠?qū)啥耸欠裰С植⑿卸嗦窂?UDP 傳輸、動(dòng)態(tài)的添加可用的 IP 地址刪除不可用的 IP 地址等信息進(jìn)行可靠的交互。流媒體傳輸對(duì)實(shí)時(shí)性要求高，但是可以允許一定的丟包率。對(duì)于 UDP 協(xié)議來(lái)說(shuō)，它的特點(diǎn)是不可靠、啟動(dòng)時(shí)間短、時(shí)延小。并行多路徑 UDP 技術(shù)對(duì)多條 UDP 路徑實(shí)現(xiàn)帶寬聚合，提高整體的傳送速率、吞吐量，更符合流媒體傳輸?shù)奶攸c(diǎn)。然而，基于UDP 協(xié)議的并行多路徑傳輸也是不可靠的，如果發(fā)生丟包的現(xiàn)象，也沒(méi)辦法通知發(fā)送端重新發(fā)送包。因此，如果在初始化的過(guò)程中，使用 UDP協(xié)議發(fā)送包含支持并行多路徑 UDP 傳輸、交互兩端的 IP 地址等重要信息顯然是不夠有效的。

基于上述問(wèn)題，文章提出了一種有效建立并行多路徑UDP的策略，即對(duì)含有是否支持多路徑 UDP 傳輸、動(dòng)態(tài)的添加、刪除 IP 地址等重要信息的包，建立一條可靠的 TCP連接發(fā)送，而其他流媒體大數(shù)據(jù)使用實(shí)時(shí)性高，有一定丟包率的 UDP 協(xié)議發(fā)送。初始化時(shí)，首先在此路徑上建立一條可靠的TCP連接，然后發(fā)送端和接收端基于該TCP進(jìn)行三次握手，在SYN，SYN／ACK的交換過(guò)程中，增加雙方協(xié)商是否采用多路徑UDP協(xié)議。如果雙方都支持并同意采用多路徑UDP協(xié)議，則完成多路徑初始化。雙方再通過(guò)該TCP連接交換可用的地址信息，任意一方可以采用一對(duì)當(dāng)前沒(méi)有使用的地址來(lái)新建一個(gè)UDP子流，以此實(shí)現(xiàn)多路徑UDP并行傳輸。路徑管理示意圖如圖1所示。

圖1 多路徑UDP路徑管理示意圖

（2）數(shù)據(jù)調(diào)度。建立并行多路徑UDP容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)亂序問(wèn)題，原因在于即使是每條路徑同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)候，到達(dá)接收端時(shí)也不是同時(shí)到達(dá)。并且UDP協(xié)議本身也會(huì)因?yàn)閿?shù)據(jù)在經(jīng)過(guò)中間路徑的傳送時(shí)會(huì)根據(jù)各個(gè)數(shù)據(jù)傳送的路徑不同或者其他原因而造成這些數(shù)據(jù)到達(dá)的順序不同。傳統(tǒng)的輪詢方式的資源調(diào)度，即當(dāng)應(yīng)用層發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，分組被依次分配給每條路徑進(jìn)行傳輸。 輪詢方式的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、直接。但是它沒(méi)有考慮不同路徑在帶寬、延遲和丟包率等方面的差異，并沒(méi)有解決亂序問(wèn)題。因此，通過(guò)一種有效的資源調(diào)度的方法，能夠使數(shù)據(jù)在接收端大致按序進(jìn)行，減少不按序丟棄的數(shù)據(jù)，并且保障流媒體傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。因此，在充分考慮流媒體傳輸?shù)蜁r(shí)延和高帶寬的要求下，研究并設(shè)計(jì)一種盡量保證數(shù)據(jù)按序傳輸?shù)馁Y源調(diào)度算法。首先設(shè)計(jì)一種UDP路徑的帶寬和前向傳輸時(shí)延測(cè)量策略。再綜合考慮各子流間的帶寬和前向時(shí)延，用相關(guān)性因子給子流分類(lèi)，使得同一集合內(nèi)的子流傳輸時(shí)延差相對(duì)較小。然后在邏輯集合內(nèi)采用最快路徑優(yōu)先算法（FSF算法），集合間采集合間計(jì)算發(fā)送起始序列號(hào)，使多子流上的數(shù)據(jù)盡可能按原順序到達(dá)接收端，以此減輕因時(shí)延差異導(dǎo)致的數(shù)據(jù)亂序。

（3）數(shù)據(jù)排序?，F(xiàn)有的并行多路徑傳輸?shù)呐判虿呗灾校诿嫦蜻B接的可靠特性，都是嚴(yán)格排序的。面向連接的嚴(yán)格排序策略是每條可靠路徑數(shù)據(jù)包傳輸完成后進(jìn)行排序，然后在總的接收端再開(kāi)辟大量的緩存進(jìn)行排序。在排序過(guò)程中，如果個(gè)別包時(shí)延較大，則要等待它到達(dá)排序；如果有包丟失，則通知發(fā)送端重新發(fā)送。該策略的優(yōu)勢(shì)是可靠性強(qiáng)、內(nèi)容基本不會(huì)發(fā)生差錯(cuò)，但是實(shí)時(shí)性較弱。對(duì)于文件、郵件類(lèi)型的數(shù)據(jù)傳輸比較合適?？紤]到流媒體數(shù)據(jù)量大允許丟包并且實(shí)時(shí)性要求高的特點(diǎn)，本文采用一種不嚴(yán)格按序的數(shù)據(jù)排序策略。由于UDP數(shù)據(jù)報(bào)本身不具有序列號(hào)，為了實(shí)現(xiàn)接收端數(shù)據(jù)的排序，首先在發(fā)送端給UDP數(shù)據(jù)報(bào)選項(xiàng)字段中加入連接級(jí)序列號(hào)。接收端根據(jù)連接級(jí)序號(hào)，對(duì)到達(dá)接收緩存的數(shù)據(jù)進(jìn)行排序。當(dāng)緩存中的數(shù)據(jù)到達(dá)一定數(shù)量便遞交應(yīng)用層，對(duì)于未按序到達(dá)的數(shù)據(jù)，接收端采取丟棄的策略。

3 結(jié)束語(yǔ)

文章提出了基于多路徑UDP進(jìn)行流媒體數(shù)據(jù)的傳輸。相比SCTP和多路徑TCP傳輸協(xié)議，多路徑UDP結(jié)合UDP與并行多路徑傳輸技術(shù)的特性，可進(jìn)一步提升流媒體傳輸實(shí)時(shí)性需求。為實(shí)現(xiàn)多路徑UDP協(xié)議，文章還設(shè)計(jì)了協(xié)議的框架及關(guān)鍵技術(shù)，下一步將采用NS3仿真工具驗(yàn)證所提關(guān)鍵技術(shù)算法的有效性。