多接口环境下实时流媒体并行传输的研究

王蕊，周慧，赵海茹，赵盛萍

(玉溪师范学院，云南玉溪，653100)

0 引言

近年来，随着计算机网络技术的发展，数据业务呈爆炸式增长。实时流媒体业务、社交网络、云计算、移动应用等需要消费高带宽的应用层出不穷，特别是实时流媒体业务，根据中国互联网络信息中心(CNNIC)于2021年2月发布的中国互联网络发展状况统计报告显示[1]：截至2020年12月，视频和语音等对流量要求较大的实时流媒体服务增长迅速，我国网络视频用户规模达9.27亿，较2020年3月增长7633万，占网民整体的93.7%。其中短视频用户规模为8.73亿，较2020年3月增长1.00亿，占网民整体的88.3%。实时流媒体技术必然对经济、对人们的日常工作以及生活产生深远的影响。

虽然现有技术能满足人们对网络视频业务的基本需求，但是有限的带宽成为了高质量实时流媒体传输的瓶颈。而利用终端的多个网路接口，实现终端之间的多路径并行传输，将网路资源有效聚合，可以解决目前网路带宽不足的情况。图1给出了一个简单的基于多路传输的示例，移动终端可以通过多条可用路径，同时与媒体服务器进行通信。

图1 多接口环境下多路数据传输场景

1 相关研究

目前传输层多路并行传输协议主要有由流控制传输协议SCTP扩展而来的CMT-SCTP和多路径传输控制协议MPTCP。

SCTP被首先提出[2]。SCTP并不支持多路并行传输，但支持多宿主的特性，能在端到端建立多条连接。2004年由特拉华大学的PLE实验室（Protocol Engineering Laboratory，PEL）提出了对SCTP的扩展CMT-SCTP[3]，以支持多路径并行传输。CMT-SCTP结合了TCP 和UDP在实时流媒体传输上的优势，具有选择性有序传输和分流的特性，但是CMT-SCTP不兼容现有网络和应用，因此并没有被大规模地部署商用。

2011年1月，IETF相继公布了MPTCP相关RFC文档[4]。MPTCP是对TCP的扩展，目的是以资源共享的方式，把数据流分发到多条子流上以提高网络资源利用率。MPTCP是面向连接的传输层协议，可靠性好，并且与现有的TCP协议兼容，MPTCP使用多路并行传输能够很好的实现带宽聚合。但是使用MPTCP传输实时流媒体也存在TCP协议的传输数据平滑性不够好、包重传机制增加数据包的延迟抖动和乱序等问题。

在2011年，法国LIP6实验室首先提出了并行多路径UDP（Multipath UDP，MPUDP），但是近年来国内外基于MPUDP的研究成果凤毛麟角，即使有MPUDP方面的研究，也并未针对实时流媒体传输做出优化。

2 多路径TCP概述

2.1 多路径TCP协议

IETF组织于1999年提出并且制定了MPTCP标准。MPTCP作为标准TCP的扩展协议，可用支持传输层端到端的多路径并行传输。MPTCP在功能上可分为路径管理、包调度、子流接口和拥塞控制四个方面。把以上这些功能组合在一起，路径管理发现主机之间的多条路径；包调度接着接收发往网络应用的数据流，并进行必要的操作（如：在片段发送至子流之前，把数据分割为连接级的片段并且添加连接级的序列号）；子流添加自己的序列号，再把片段传递至网络；接收子流重排序数据（如有必要），并把它传递包调度模块，执行连接级重新排序；最后把数据传送到应用层。拥塞控制作为包调度的一部分，控制报文段的发送速率。

2.2 多路径TCP传输实时流媒体的不足

MPTCP是标准TCP的扩展，本身就具有相应的流量控制、拥塞控制和差错控制机制，并且能够保证传输的TCP友好性；更重要是MPTCP为多路并行传输的方式，对于端到端的传输速率、带宽和吞吐量上都有很大提高，更适合于实时流媒体的传输。不过，使用MPTCP协议用于实时流媒传输仍然存在和TCP协议一样的不足：

（1）TCP的发送速率乘性减小的特性使得在传输实时流媒体过程中速率陡降，大大影响实时流媒体传输的平滑性。

（2）包重传机制增加数据包的延迟抖动和乱序的可能，增加了网络开销，降低了实时流媒体的播放质量。

（3）并行多路径传输流媒体，并行传输大量数据，如果不能有效控制，接收端缓存会造成大量的溢出。

3 多路径UDP的体系结构与关键技术

3.1 多路径UDP的体系结构

考虑到现存的互联网体系结构及新的互联网传输的需求。提出了一个基于Tng（下一代传输层）思想的多路径UDP体系结构,多路径UDP与UDP协议体系结构的对比如图2所示，该结构通过对现有互联网体系结构的兼容及扩展，能够有效支持多路径UDP传输实时流媒体的高性能目标。由图2可以看出多路径UDP通过保留UDP的语义方式保证了对应用层的兼容性，通过单条的UDP子流保证了面向网络层的兼容性。

图2 多路径UDP与UDP体系结构对比

3.2 多路径UDP的关键技术

多路径UDP为了有效地处理下层的多个UDP子流，必须实现以下关键技术:

（1）路径管理。使用主机间存在的多个IP地址，为主机发送可选地址信号，实现子流的新建、添加和删除。在设计路径管理机制时，如果多条路径同时传输时，有一条路径性能较差，时延较大，则会引起严重乱序。因此，使用多条路径全部进行传输不如使用较少的性能优的路径进行传输。

（2）数据调度。一个GOP中只有一个I 帧，I帧含有重建图像的恢复信息，所占的信息量比较大，直接关系到是否整个GOP 帧的恢复。P帧是采用运动补偿的方法传输它与前面I帧或是P帧的差值及运动矢量(预测误差)，只有通过I帧中的预测值和预测误差求和之后才能构建P帧。B帧是通过前面I帧或是P帧和后面的P帧来进行重建，因此他们之间的优先级I≥P≥B。在传输的过程，对这三类的不同帧数据应该采用不同可靠性质的传输方式。因此，可提出一种基于实时流媒体编码帧优先级的数据调度策略，旨在保证关键帧的可靠到达，提高实时流媒体的解码有效性，满足实时视频数据的时延敏感性和数据相关性。研究内容主要包括：1）测量路径的带宽和RTT；2）评估子路径的拥塞状态；3）综合考虑编码帧的优先级和相关性，对实时流媒体数据序列中不同帧采取不同的传输策略

（3）接收端缓存排序。对到达接收端的数据进行合理排序并递交至应用层。多路径UDP为基于UDP并行多路径传输技术，对于传统的UDP技术“尽力而为”的特性，数据到达传输层后直接递交至应用层，由应用层来完成数据的排序任务，该策略的有优势是可提高实时流媒体传输的实时性，但对于多路径实时流媒体传输，如果继续沿用单路径UDP的传输策略，将会影响实时流媒体传输的实时性，因为将大量乱序的实时流媒体数据的排序任务交由应用来完成，增大了应用层缓存的压力，主动丢包，从而影响实时流媒体业务的服务质量。考虑到并行多路径实时流媒体数据量大、允许丢包并且实时性要求高的特点，提出了一种新的排序策略，该策略能在减小接收端应用层缓存乱序的同时，最好地满足实时流媒体数据传输的实时性需求。

4 结语

本文提出了用于流媒体传输的两种多路径传输协议。多路径TCP和多路径UDP均能利用多路径传输优势提高流媒体传输的带宽和可靠性。但通过进一步分析可知，多路径TCP由于是面向连接的传输层协议，面向连接虽然可靠性好，但不可避免地增加了许多的开销和时延，如确认、流量控制及连接管理等机制，大大降低了传输效率。基于多路径TCP存在的问题，我们进一步提出了网络开销较少的多路径UDP协议，并对其系统框架及关键技术进行介绍。为了进一步验证多路径UDP的有效性，下一步在NS3上搭建多路径UDP环境及实现相关关键技术算法，评估多路径UDP协议用于流媒体传输时网络的性能。