基于自适应流媒体应用的TCP拥塞控制机制优化研究

摘要

随着互联网视频流量的快速增长，流媒体传输技术也日新月异，从传统的RTP/UDP流媒体传输模式到HTTP/TCP传输模式，各大视频服务提供商都在为获取更多用户不断提出新的流媒体传输技术。 HAS(HTTP Adaptive Streaming)是近年来最为流行的流媒体传输技术，它在服务器端存储不同码率的视频分片，客户端播放器根据网络状况来请求合适的码率分片，从而可以在不同质量的视频之间进行无缝切换。然而正是由于分片传输，造成TCP形成一种ON-OFF的流传输模式，这种传输模式会使得TCP流产生突发。同时在多个HAS用户共享链路带宽时会产生码率频繁切换等问题，使得用户获得较差的观影体验。TCP拥塞控制机制是决定HAS流传输性能的最重要因素之一，但是当前的TCP拥塞控制算法都不能很好地适应HAS流的传输模式，同时在具有较高噪声和误码率的链路上也无法很好地区分随机丢包和拥塞丢包。为此，本文针对TCP拥塞控制算法的优化展开研究，主要工作有： （1）基于TCP-Vegas提出了TCP-HAS拥塞控制算法。TCP-HAS在自适应流媒体传输发生空闲后选择最接近当前流所占带宽值的码率，根据码率计算出最小窗口值，同时将慢启动门限值设置为当前窗口值，进入拥塞避免阶段。这种做法不但能够防止传统TCP拥塞控制算法在空闲超时后将拥塞窗口降为最低，也能够防止慢启动快速增窗到带宽时延积产生的突发，使得TCP拥塞窗口维持在一个相对稳定的值，客户端播放器会结合上一分片的吞吐量请求一个不高但相对稳定的码率分片，从而降低码率频繁波动。对TCP-HAS的参数做了优化，本文改变了TCP-Vegas在拥塞避免阶段采用恒定参数调节窗口的做法，基于相邻两次发送速率的变化来动态调节参数，可以更好的适应网络环境变化。 （2）对TCP快速重传和快速恢复算法作了优化。本文在Linux内核中实现了NCL机制，NCL通过设置新的重传定时器和拥塞响应定时器来将重传与降窗逻辑相分离，重传定时器用于重传超时的数据包，而拥塞响应定时器会根据重传数据包的RTT来判断是否真的发生拥塞丢包，从而过滤虚假拥塞丢包，减小随机丢包对窗口造成的不良影响。当网络中被确认数据包的速率和发送数据包的速率达到相等时，快速恢复算法PRR+会停止降窗操作。 （3）通过分析DASH视频分片时长、大小以及HTTP连接模式等因素对TCP-HAS QoS和QoE的影响，提出了在使用TCP-HAS传输时各个因素的最佳选择。

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