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：MSSR-RTP（Multiple Stream Selective Retransmission-Realtime Transmission Protocol，多流選擇性重傳實時傳輸協議）應用層協議，然后利用這個協議建立了在Internet中傳輸H.264/AVC架構體系。在實際項目中成功應用，并顯示出其很好的網絡特性以及TCP友好特性。
關鍵詞 RTP/RTCP；多流；選擇性重傳
現有的Internet網的“盡力傳輸模式”并不能很好的滿足Qos的需求，大家都在不斷尋求解決方案，著名的Diffserv體系和Intserv體系都是在IP網絡中研究Qos提出的，但由于與現有網絡的兼容性以及兩者體系架構的復雜性，其到目前都沒能應用到實際Internet網絡中，在對網絡有特殊Qos需求的流媒體領域，如何在現有網絡體系中最大限度的解決延時，延遲抖動，丟包等問題一直是大家研究的熱點。目前的主流解決方案中：RTP/UDP架構在一定程度上解決問題，但其存在不足，針對它的不足，我提出了MSSR-RTP應用層協議，利用這個協議建立了MSSR-RTP/UDP的架構體系。
1 介紹
在Internet上的流媒體應用越來越廣泛，但現有的傳輸層UDP和TCP協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和現有的網絡體系架構有關。目前在流媒體領域的主流解決方案是：RTP/UDP[1]，即在UDP層上封裝RTP層，通過應用層來加強和改善多媒體數據在Internet傳輸上的性能。但目前這個方案仍有不足，我們以目前的主流視頻壓縮算法：H.264/AVC[2]為例：
a．RTP沒有分優先權的字段。
H.264/AVC有3種類型的幀（依據不同的軟件，其提供的幀類型可能更多）：I幀，進行幀內獨立編碼，可以看作參考幀；P幀，為前向預測幀，參考前面的I幀和P幀進行編碼，采用運動補償預測幀間誤差；B幀編碼依賴于前面的和后面的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量會受到嚴重影響。特別是I幀數據，通過實際項目的測試發現，I幀的丟失將使畫面出現花屏，并且出現動畫效果，畫面不夠流暢。同時，由于網絡資源限制，我們又不能把所有視頻數據同樣對待，必須對其分類，使得關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行重傳以減輕網絡負擔，但RTP機制并沒提供對信息分類的功能。在我提出的模型中，利用多流的特點，為每個流設置重傳時間，在重傳時間內的數據進行重傳，超過重傳時間的數據進行丟棄，通過這種方法達到對不同優先權的數據進行分類處理。
b．RTP無法滿足分片的需要。
由于視頻數據幀通常很大，如果不進行分片的話，分片和重組將給路由器和目的主機增加了額外的負擔。花費額外的精力去創建數據報分片和分片重組。由于這個原因，需要將分片保持為最小，這里通過將應用層的數據段限制在一個較小的范圍內實現。由于所有IP支持的數據鏈路協議的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．無法通過RTP/RTCP來提供擁塞控制和流量管理。
網絡資源的公平共享提出了要終端提供擁塞控制以防止網絡惡化。為了防止接收端被數據“淹沒”，也需要發送端提供流量管理的功能，但標準RTP機制沒有提供這種功能。
針對現有架構的不足，提出一種在RTP基礎上進行擴展的體系：MSSR-RTP/UDP。利用在終端增加多流技術，分片/重組功能，增加CWND/RWND變量對現有的不足進行改進。
2 體系架構
根據H.264/AVC和現有Internet的特點，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，它為網絡開發者提供的是I，P，B幀，我把每一幀作為一個發送對象，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，需要進行分片。分片后通過控制模塊添加MSSR-RTP頭信息，并把封裝后的數據放入緩存，在發送方，無論數據屬于哪個流，都放入同一個緩存中。最后由調度中心將數據調入傳輸層，然后發送到接收方，接收方通過重組分片，收集丟失數據，依據流的特性，將需要重傳的數據通過MSSR-RTCP回饋到發送方，進行數據重傳。如果一幀的每個分片都到達接收端，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。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流的。流順序號表示在一個流中的順序號，如果一個大的ADU分片，那不同片擁有相同的.流順序號。ADU長度是表示此分片對應的ADU的長度。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協同工作的協議。MSSR-RTCP定期發送供控制模塊使用的發送端或則接收端的統計報告。包括發送分組數、丟失分組數、間隔到達的抖動等。對于每個正在發送的RTP分組，發送方會創建并傳送RTCP發送方報告分組，在本體系中，與標準的RTCP一致。對于每個正在接收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，前者用于在發送端進行流量控制，后者用于進行重傳。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，對于某些延遲超過設定的時間的幀并不需要重傳，這是由流媒體自身特點決定，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，會首先進行分片處理，然后由控制模塊加上MSSR-RTP報頭，由調度策略進行數據發送，發送的數據依據其所在流的重傳時間決定發送后是否放入緩存。如果重傳時間不為0，發送后將緩存，如果重傳時間為0，則發送后就丟棄。緩存的數據依據MSSR-RTCP回饋進行重傳和移除。其數據傳輸示意圖如下：
圖5 數據傳輸
服務器端通過函數SR_CREATE創建端口，然后調用函數SR_LISTEN進行偵聽，客戶端一旦需要接收數據，通過調用函數SR_CONNECT與服務器端建立連接，連接建立后將使用兩個端口，一個端口用于傳輸帶有MSSR-RTP頭的視頻數據，另一個用于傳輸MSSR-RTCP控制信息。
數據發送規則如下：
a. 如果發送出去未被確認的數據已經達到或者超過CWND的時候，數據發送者不能再傳送任何數據到網絡中。
b. 當RWND為0的時候，數據發送者不能再傳送任何數據到網絡中。當未被確認的數據未超過CWND的時候，數據發送者必須保證有一個包在網絡中未被確認。
c. 當選擇發送數據的時候，重發的數據要比新數據優先。
通過以上的數據發送規則，能夠進行擁塞控制與流量控制，滿足對網絡資源公平共享的原則，同時也能防止大量視頻數據“淹沒”接收端。
重傳規則如下：
a. 超時重傳。
b. 接收端通過MSSR-RTCP回饋指示重傳。
超時重傳的原理與TCP中采用的方法一樣，RTT的時間計算采用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的網絡特點，我們只對I幀數據進行數據重傳，并且依據實際項目對實時性的不同要求設置流中重傳時間大小。
使用MSSR-RTP，接收端通過到達包的MSSR-RTP頭部信息來判斷包的丟失。通過順序號，如果沒發生數據丟失，則順序號必定是連續的。如果不連續，則說明發生丟失。對于需要重傳的流中，由于需要時間信息來決定是否需要重傳，因此必須要知道丟失的分片的時間信息，由于I幀數據量大，通常化分成幾十上百個片，所以可以通過發現在同一個I幀中其他分片（它們擁有相同的流順序號）來找出丟失分片的時間信息。
a. 一個幀中的分片的丟失判斷：通過在流中重組ADU的時候來檢測，如果發現順序號不連續，則說明有分片丟失。這時候的重傳策略由這個幀所在的流決定。時間信息通過缺失此順序號但有相同流順序號的那些分片提供。
b. 一個幀中的開始分片的丟失判斷：通過在流中重組ADU的時候來檢測。這時通過重組ADU發現找不到偏移量為0的分片知道有開始分片丟失。這時候的重傳策略由這個幀所在的流決定。時間信息通過缺失此順序號的但有相同流順序號那些分片提供。
c. 一個幀中的結尾分片的丟失判斷：在重組ADU時，通過發現ADU長度和重組后長度不相等，但順序號是連續的，則說明一個幀中的結尾分片的丟失，時間信息通過在同一個ADU的其它分片（即：有相同流順序號的那些分片）提供。這時候的重傳策略由這個幀所在的流決定。
d. 一個幀中的所有分片丟失判斷：在重組ADU時，通過發現不連續的流順序號說明有一個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I幀代價昂貴。
4 結論語
此體系架構已經應用在為重慶某集團開發的“重大危險源實時視頻監控系統”中，通過實際測試，發現其有很好的網絡適應性以及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
【基于多流的重傳策略論文】相關文章：
關于營銷策略基于知識的論文06-12
論文：淺談基于IP網絡的Qos策略研究06-23
論文基于水利質量問題成因及處理策略06-25
基于營銷新形勢的電話營銷策略研究論文04-12
基于權力話語理論下的翻譯策略研究論文04-15
基于多單片機的串口擴展設計論文04-21
基于生態視角下微博營銷策略的展望論文06-26