王 卉，占 敖，吳呈瑜，夏雨峰

（浙江理工大學 信息學院，杭州 310018）

0 引 言

隨著無線通信技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，流媒體直播應(yīng)用得到了迅速的推廣普及。與此同時，在極致的視覺體驗的背后，需要對海量的視頻數(shù)據(jù)進行快速、準確的傳輸，傳統(tǒng)的流媒體傳輸協(xié)議已經(jīng)滿足不了對于低延時、高畫質(zhì)的要求。

在傳統(tǒng)TCP協(xié)議的基礎(chǔ)上，文獻［1］提出了MP TCP（Multi－path TCP）協(xié)議，該協(xié)議通過擁塞控制、數(shù)據(jù)調(diào)度技術(shù)來實現(xiàn)系統(tǒng)高吞吐量傳輸?shù)囊?；文獻［2］提出了流控制傳輸協(xié)議（Stream Control Transmission Protocol，SCTP），其是一種在網(wǎng)絡(luò)連接之間同時傳輸多個數(shù)據(jù)流的協(xié)議，該協(xié)議的特點是安全性高并支持多數(shù)據(jù)流服務(wù)。

為了滿足無誤碼傳輸要求，MPTCP設(shè)計了數(shù)據(jù)調(diào)度，重傳等復雜機制，一方面增加了協(xié)議的復雜度，另一方面影響了系統(tǒng)帶寬，對于允許少量的丟包，要求高帶寬的音視頻數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)是不合適的。然而，UDP協(xié)議通過有限次的重傳機制保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膩G包率，相比MPTCP，能夠簡化系統(tǒng)傳輸機制，提升系統(tǒng)傳輸帶寬；文獻［3］提出了基于UDP的傳輸協(xié)議，在較小的網(wǎng)絡(luò)開銷下，繼承了UDP傳輸實時性的同時，保證了數(shù)據(jù)的可靠傳輸性。針對大數(shù)據(jù)量的信息傳輸，文獻［4］提出了一種既能滿足UDP高效性又能降低網(wǎng)絡(luò)丟包率和延時的協(xié)議，在提高可靠性的基礎(chǔ)上又滿足了實時性的需求。UDP協(xié)議在可靠性和實時性上已經(jīng)取得了較好的成果，但這些方案都是以單鏈路傳輸為背景，利用UDP協(xié)議將多鏈路協(xié)同通信運用在數(shù)據(jù)傳輸?shù)难芯扛且粋€全新的方向。

1 應(yīng)用場景

本文提出的MPUDP協(xié)議是一種基于UDP多鏈路協(xié)同通信的協(xié)議，實現(xiàn)多條路徑協(xié)作傳輸數(shù)據(jù)。在此過程中，通過真實數(shù)據(jù)訓練評估實時的信道狀態(tài)信息，對每條路數(shù)的數(shù)據(jù)傳輸進行管理，達到擴大系統(tǒng)傳輸帶寬的目的，其應(yīng)用模型如圖1所示。多個用戶端將視頻數(shù)據(jù)推流到聚合推流設(shè)備，緊接著發(fā)送端（聚合推流設(shè)備）與接收端（聚合服務(wù)器）建立多個信道的連接，MPUDP協(xié)議在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下對不同的信道分配不同的數(shù)據(jù)量，其異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)包括WiFi、4G、5G等多路網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。聚合服務(wù)器匯集多路數(shù)據(jù)，有序發(fā)送到用戶服務(wù)器，客戶端發(fā)出拉流請求，實現(xiàn)在線直播觀看的功能。

圖1 系統(tǒng)應(yīng)用模型Fig.1 System application scenarios

2 系統(tǒng)模型

MPUDP協(xié)議是面向連接的數(shù)據(jù)報協(xié)議，與傳統(tǒng)的UDP協(xié)議不同，MPUDP協(xié)議在兼容UDP協(xié)議的基礎(chǔ)上，支持以多路徑數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?，并根?jù)信道性能分配速率，實現(xiàn)信道的高效傳輸。MPUDP系統(tǒng)在發(fā)送端和接收端之間存在多條路徑，首先確立發(fā)送端和接收端的握手連接，然后發(fā)送真實數(shù)據(jù)進行信道訓練，來獲得信道狀態(tài)信息，并且根據(jù)信道信息進行速率分配。當接收端出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象，重傳機制保證可靠性。如果當信道連接過程中出現(xiàn)連接錯誤，需要將數(shù)據(jù)調(diào)度到其他信道繼續(xù)傳送，最后聚合多路數(shù)據(jù)后統(tǒng)一排序組合，得到最后的數(shù)據(jù)幀。由此可見，MPUDP的關(guān)鍵工作組件包括訓練機制、速率分配、數(shù)據(jù)調(diào)度、重傳機制，如圖2所示。通過這4種工作組件，設(shè)計出滿足負載均衡原則和可靠性原則的MPUDP協(xié)議。

圖2 MPUDP的系統(tǒng)模型Fig.2 MPUDP system model

負載均衡原則：

（1）利用訓練機制在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中實時監(jiān)測鏈路性能；

（2）利用速率分配原則，根據(jù)訓練結(jié)果動態(tài)調(diào)整鏈路的數(shù)據(jù)占比，減少不同信道對系統(tǒng)實時性的影響。

可靠性原則：

（1）利用數(shù)據(jù)調(diào)度在信道連接中斷時切換數(shù)據(jù)傳輸?shù)男诺溃?/p>

（2）利用重傳機制從根源上降低丟包率。

3 協(xié)議設(shè)計

本文設(shè)計MPUDP協(xié)議主要目標是解決由某條鏈路負載過大等原因引起的鏈路性能等問題，然而協(xié)議能否具有可靠性和低延時的特性，主要取決于以下4種工作組件，分別為訓練機制、速率分配、數(shù)據(jù)調(diào)度、重傳機制。

3.1 協(xié)議的系統(tǒng)變量

MPUDP協(xié)議定義了一系列的數(shù)據(jù)包和字段，為了說明設(shè)計思路，將用到的數(shù)據(jù)包和重要字段加以說明，見表1。

表1 數(shù)據(jù)包含義描述Tab.1 Packet meaning description

其中，訓練數(shù)據(jù)包的幀結(jié)構(gòu)見表2，Channel_Length：信道發(fā)送數(shù)據(jù)長度；Frame_Length：發(fā)送幀長數(shù)據(jù)，表示一幀數(shù)據(jù)包括多少個數(shù)據(jù)信號S，最大值為2 047，如果出現(xiàn)2 047，則丟棄數(shù)據(jù)包；Sequence：添加數(shù)據(jù)序列，保證為：0、1、…，Channel_Length。

表2 訓練信號包結(jié)構(gòu)Tab.2 Structure of training signal package

其中，訓練數(shù)據(jù)回復包的幀結(jié)構(gòu)見表3。

表3 訓練回復包結(jié)構(gòu)Tab.3 Structure of training reply package

Loss_Len：丟包數(shù)量；Num_Loss：丟包序列號，每兩個Byte表示一個序列號；SeqV：接收數(shù)據(jù)排序值。

3.2 工作機制

4種工作機制原理設(shè)計及功能顯示各不相同。

3.2.1 訓練機制

MPUDP算法協(xié)議的基礎(chǔ)就是訓練機制，訓練機制的目的是檢測各鏈路的信道性能。

首次發(fā)送訓練信號，該信號為確定的模擬信號，利用已知信號對未知信道進行快捷的信道質(zhì)量評估。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，訓練序列為實際的媒體數(shù)據(jù)，利用邊發(fā)送媒體數(shù)據(jù)邊訓練信道的機制來提升實時信道傳輸性能。發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)給接收端，接收端返回接收時間、丟包率和數(shù)據(jù)順序到發(fā)送端，發(fā)送端根據(jù)接收完畢時間和發(fā)送時間計算得到，按照信道的丟包率和數(shù)據(jù)順序以及往返時延三要素判斷信道性能，并將信道分為5個等級，信道性能從好到差依次為C、C、C、C、C，見表4。

表4 信道等級分類標準Tab.4 Standard of channel classification

其中，表示數(shù)據(jù)長度；為判定的加權(quán)因子；、為規(guī)定完成數(shù)據(jù)的時間差（）；、為特定丟包率數(shù)值（）。當按序接收時，則表示為式（1）：

按照表4的分類標準對信道性能分類，依據(jù)訓練結(jié)果對不同等級的信道進行數(shù)據(jù)包分配，為下一步速率分配提供基礎(chǔ)。

3.2.2 速率分配

MPUDP算法協(xié)議的核心就是速率分配策略，利用對多路徑鏈路傳輸?shù)男诺佬阅苓M行速率分配，實現(xiàn)鏈路之間數(shù)據(jù)傳輸量的“動態(tài)”平衡。發(fā)送端采用多鏈路開發(fā)，優(yōu)化通信流程，隨時嘗試在多條路徑之間保持負載均衡。

發(fā)送訓練信號后，若信道被判定為同一等級的情況，按信道數(shù)量等額分配數(shù)據(jù)包；若信道判定為不同信道性能等級，采用差額速率分配數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐掏铝俊．斪畈钚诺辣慌卸?span id="syggg00" class="emphasis_italic">C標準時，傳輸系統(tǒng)停止該信道的數(shù)據(jù)傳輸；當最差信道被判定為C標準時，信道性能歸一化速率v表示為式（2）：

x表示等級為C的信道數(shù)量，以此類推；x、x、x分別表示等級為C、C、C的信道數(shù)量；表示的是各類信道等級的權(quán)重。當最差信道被判定為C標準時，信道性能歸一化速率v表示為式（3）：

若最差信道性能降為C標準，則信道性能歸一化速率v表示為式（4）：

在訓練的過程中，當出現(xiàn)未達要求的信道在訓練時通過了信道訓練要求，即達到C、C標準時，增加10%的速率在該信道傳輸，并在下一次的訓練中，加入該信道協(xié)作調(diào)整最差信道，達到信道性能，實現(xiàn)閉環(huán)提升的功能。

3.2.3 數(shù)據(jù)調(diào)度

在數(shù)據(jù)傳輸過程中鏈路發(fā)送端處在訓練信號、數(shù)據(jù)信號和發(fā)送數(shù)據(jù)＋訓練信號過程中，鏈路出現(xiàn)中斷情況時，進一步影響鏈路的可靠性和傳輸速率。

為保證鏈路數(shù)據(jù)的傳輸速率，需要在鏈路中啟用數(shù)據(jù)調(diào)度的工作機制，將發(fā)送在異常鏈路的數(shù)據(jù)分發(fā)到其他鏈路中。具體實現(xiàn)：發(fā)送過程中當出現(xiàn)數(shù)據(jù)幀鏈路錯誤，MPUDP協(xié)議將未傳輸數(shù)據(jù)包分配到其他良好信道上傳送，其速率分配遵循上述的速率分配原則。例如：數(shù)據(jù)傳輸時有3個并行信道，分別為C、C和C，在信道傳輸過程中，信道C發(fā)生錯誤，數(shù)據(jù)調(diào)度將其數(shù)據(jù)速率分配到其他信道中。在信道沒有發(fā)生錯誤的情況下，各信道按照式（5）原則：

其中，V表示信道C的分配速率；V表示信道C的分配速率；V表示信道C的分配速率。

當信道C連接斷開，信道C和C歸一化傳輸速率為公式（6）：

此時，C、C兩信道幫助斷開信道C成功發(fā)送該數(shù)據(jù)幀。以該方法為核心，數(shù)據(jù)調(diào)度可以避免斷開鏈路的丟包率，從而加強信道傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

3.2.4 重傳機制

在數(shù)據(jù)傳輸階段，如果信道出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，該機制能夠有效減少丟包率，提高數(shù)據(jù)可靠性。

在信道連接過程中，與TCP協(xié)議握手機制類似，MPUDP協(xié)議通過3次握手的機制建立連接，區(qū)別在于MPUDP協(xié)議收發(fā)兩端需要確認雙方的IP地址及端口號。在發(fā)送數(shù)據(jù)過程中，發(fā)送端將每包數(shù)據(jù)連續(xù)編號，接收端建立緩沖區(qū)，對接收數(shù)據(jù)包重新進行序號排列。如果接收端檢測到?jīng)]有丟包，則按照數(shù)據(jù)序號全部移出緩存區(qū)；如果接收端檢測到丟包，接收端將未接收到的數(shù)據(jù)包信息（即丟包數(shù)量Loss_Len和丟包序列號Num_Loss數(shù)據(jù)包）反饋給發(fā)送端，發(fā)送端重新發(fā)送指定的數(shù)據(jù)信息，并保持丟包數(shù)據(jù)始終在原本信道上進行重傳，最大重傳次數(shù)為3次，超過重傳次數(shù)，停止該幀信息傳輸，進入下一幀數(shù)據(jù)傳輸，即允許適當?shù)膩G包率來改善系統(tǒng)吞吐量，此重傳機制適用于海量數(shù)據(jù)傳輸，如：音視頻傳輸系統(tǒng)。

以上4種工作組件設(shè)計成一種兼具可靠性和數(shù)據(jù)傳輸效率的MPUDP協(xié)議，并在系統(tǒng)的發(fā)送和接收的過程也充分利用了上述4種工作組件。

3.3 協(xié)議的實現(xiàn)

MPUDP協(xié)議是一種提供可靠機制、面向連接的數(shù)據(jù)流傳輸協(xié)議。MPUDP的協(xié)議算法設(shè)計見表5，MPUDP的4種工作機制建立起多路徑傳輸以及如何實現(xiàn)數(shù)據(jù)包的合理分配的過程。發(fā)送端分別發(fā)送數(shù)據(jù)請求包，訓練信號和數(shù)據(jù)信號，接收端對多條發(fā)送結(jié)果進行反饋，并不斷通過訓練情況實時提升信道傳輸速率。

表5 MPUDP的協(xié)議算法設(shè)計Tab.5 Protocol design of MPUDP

4 仿真實驗與分析

實驗仿真環(huán)境的搭建為：實驗室有線路由器與交換機通過網(wǎng)線相連，無線路由器與有線路由器通過網(wǎng)線相連，有線路由器可對無線路由器設(shè)置不同的傳輸帶寬，兩客戶端與無線路由器進行無線信道連接，服務(wù)端電腦與有線路由器通過光纖連接。為評估設(shè)計系統(tǒng)的可靠性與高效性，需利用仿真環(huán)境實現(xiàn)基于MPUDP協(xié)議在多種情況下的網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶嶒灧抡?。為研究多鏈路協(xié)同傳輸，在兩條傳輸鏈路中分別采用UDP和MPUDP傳輸協(xié)議，兩臺電腦作為客戶端A、B分別使用UDP、MPUDP協(xié)議協(xié)同傳輸同一份大文件，客戶端C作為接收端，接收兩客戶端發(fā)送過來的文件。

UDP協(xié)議是傳統(tǒng)流媒體服務(wù)器協(xié)議；MPTCP協(xié)議表示多鏈路數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議；MPUDP是本文設(shè)計的多路徑協(xié)作傳輸協(xié)議，3種通信協(xié)議對實時鏈路帶寬的吞吐量，如圖3所示。MPUDP協(xié)議在進行數(shù)據(jù)傳輸時，與UDP、MPTCP協(xié)議相對比，吞吐量在不同丟包率情形下都有不同程度的提高。在丟包率為0%的情況下，MPUDP協(xié)議由于自身的協(xié)作特性，在滿足要求的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的吞吐量；MPTCP協(xié)議由于協(xié)議高精準度的要求，必須滿足0%的丟包率，但由于協(xié)議特性缺少自適應(yīng)的算法，在吞吐量上不敵MPUDP協(xié)議；在丟包率為0%的情況下，UDP協(xié)議的吞吐量最低，而隨著丟包率要求的降低，UDP和MPUDP協(xié)議的吞吐量也在穩(wěn)步提升。

圖3 模擬信道在不同算法協(xié)議下的吞吐量Fig.3 Throughput of analog channel under different algorithm protocols

MPUDP協(xié)議和UDP協(xié)議在不同丟包率要求下的吞吐量如圖4所示，在MPUDP協(xié)議中，運用了多鏈路協(xié)作運輸，這相比于UDP的單信道傳輸在信道傳輸速率上有了近鏈路數(shù)目倍的提高。

圖4 模擬信道在不同丟包率情況下的吞吐量Fig.4 Throughput of analog channel under different packet loss rate

5 結(jié)束語

本文分別對MPUDP訓練機制、速率分配、重傳機制、數(shù)據(jù)調(diào)度進行了設(shè)計及優(yōu)化。通過訓練獲得每條鏈路信道傳輸帶寬進行數(shù)據(jù)分配傳輸，達到多條鏈路協(xié)作傳輸視頻的能力。在允許少量丟包的情況下，改善系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸帶寬，適用于音視頻傳輸?shù)膽?yīng)用場景。實驗仿真表明：在丟包率較小的情形下，MPUDP協(xié)議相較于UDP協(xié)議在模擬信道的吞吐量上都有了近鏈路數(shù)目倍的增長。