一種提高dash視頻傳輸效率的方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及動態自適應流媒體（DASH)的傳輸，特別是涉及一種提高DASH視頻傳 輸效率的方法。
【背景技術】
[0002] 隨著互聯網絡的普及，網絡帶寬的提升，⑶N(內容分發網絡，ContentDelivery Network)技術的成熟，用戶對視頻服務質量的高需求，DASH視頻得到了大規模發展。如何 保證DASH視頻在各種網絡條件下能夠高效快速的傳輸，提高用戶體驗和服務質量，就成為 網絡界多媒體DASH應用的重點問題。目前，現有的傳輸策略或者是算法如CUBIC，VEN0， RENO等都不能滿足用戶對DASH視頻傳輸效率的要求，尤其是在網絡條件較差的條件，如高 延遲網絡和高丟包率網。DASH視頻傳輸還有其他的特點，如以視頻塊（Segment)的形式非 連續傳輸，視頻塊的大小一般很小而且頻繁的啟動關閉TCP連接，現有TCP算法不能高效的 傳輸小文件，影響了DASH視頻的傳輸效率。

【發明內容】

[0003] 本發明的主要目的在于針對現有技術的不足，提供一種全新的適用于DASH視頻 傳輸的高效方法（TCP-DASH)。
[0004] 為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：
[0005] -種提高DASH視頻傳輸效率的方法，其特征在于，包括擁塞避免階段，在所述擁 塞避免階段，根據以下公式所確定的方式進行發送窗口大小的調節：
[0009] 公式（5)中，WindowSize為發送窗口大小，N是由公式（6)確定的參數，取當前 值，即下標為i時N的取值，包指數據包，即TCP傳輸協議傳輸的數據單元；公式（6)中， FileSize為傳輸文件傳輸剩余部分的大小，MSS為最大報文段長度，即收發雙方協商通信 時每一個報文段所能承載的最大數據長度，max表示取其中最大值，a為取0到1的參數， Queue為網絡隊列大小，由公式（4)確定，公式（4)中，巧為平均網絡往返時間，rtt_為最 小往返時間，WincknvSize為發送窗口的平均值。
[0010] 進一步地：
[0011] a的值取每個TCP會話中
的平均值，rtt_為最大往返時間。
[0012] 還包括在所述擁塞避免階段之前的慢啟動階段，在所述慢啟動階段，根據以下公 式所確定的方式動態調整初始化窗口：
[0013]
[0014] 其中，cwnd為初始化窗口大小，y為預先定義的變量，取值范圍是1. 5~2的開區 間，兩為平均網絡往返時間，MSS為最大報文段長度，max表示取其中最大值，S為傳輸文件 整體大小，S。為預先定義的文件大小變量。
[0015] S。取值為 25KB~40KB。
[0016] 本發明的有益效果：
[0017] 針對傳統TCP對于傳輸小文件效率不高，擁塞控制階段發送窗口大小的調整過于 保守，傳輸效率低，本發明采用動態調整初始化窗口提高傳輸效率，通過一種新的擁塞控制 策略，在擁塞控制的慢啟動和擁塞避免兩個階段都針對性的進行了改進，用以提升DASH視 頻的傳輸效率。經過對比試驗驗證，發現本發明的方法對于DASH視頻傳輸效率能達到20% 以上的性能提升。
【具體實施方式】
[0018] 以下對本發明的實施方式作詳細說明。應該強調的是，下述說明僅僅是示例性的， 而不是為了限制本發明的范圍及其應用。
[0019] 慢啟動階段
[0020] 在Linux操作系統中，內核版本在3.0以前，根據RFC3390,初始化窗口是與 MSS(MAXSegmentSize)相關，具體見公式（1)。傳統方法沒有考慮網絡狀態和傳輸文件 的大小。在慢啟動階段發送窗口是類指數增長的，為了計算平均的發送窗口大小，我們定 義變量Y，取值范圍是1.5~2的開區間，變量S為文件大小，巧為平均網絡往返時間， cwnd(congestonwindow，擁塞窗口大小，即初始化窗口大小）可以定義為公式（2)。
[0021]
[0022]
[0023] 考慮到真實網絡條件下的測量結果，我們定義文件大小變量S。，S。的大小可隨著 網絡條件的變化微調，當傳輸文件大小大于S。時，將初始化窗口大小設置為10*MSS，當文件 大小小于S。時，我們采用動態計算的初始化窗口大小，如公式（3)。
[0024]
[0025] 擁塞避免階段
[0026] 在擁塞避免階段，傳統的TCP傳輸策略過于保守，不能有效利用網絡帶寬資源。目 前算法中，發生擁塞時，發送窗口減半，當一個網絡往返時間后，如果收到了所有的確認信 息ACK，則將發送窗口增加一。我們要調整的核心就是通過對網絡擁塞的估計，動態的調整 減少發送窗口大小的比例，增加發送窗口增加的量，而不是固定在一個值上。首先，對網絡 擁塞進行估計，而估計的方式就是估算當前網絡中數據包的個數，定義網絡隊列Queue，平 均網絡往返時間巧，最小往返時間rtt_，發送窗口的平均值WindowSizc，則Queue的定 義如公式（4)。接下來定義變量N，發送窗口大小的調節如公式（5)所示。
[0029] 調整N的策略如公式（6)所示。我們考慮了傳輸文件剩余部分的大小，用FileSize 表示，a是一個0到1的參數。a的值可以簡單地取每個TCP會話中
的平均 值，以保證公平原則。根據實驗測試，發現吞吐量和公平性都能得到保證。
[0030]
[0031] 公式（5)中，WindowSize為發送窗口大小，N是由公式（6)確定的參數，取當前 值，即下標為i時N的取值，包指數據包，即TCP傳輸協議傳輸的數據單元；公式（6)中， FileSize為傳輸文件傳輸剩余部分的大小，MSS為最大報文段長度，即收發雙方協商通信 時每一個報文段所能承載的最大數據長度，max表示取其中最大值，a為取0到1的參數， Queue為網絡隊列大小，由公式（4)確定。根據公式（6)，當當前網絡隊列小于估計值時，認 為網絡條件較好，而且沒有充分利用網絡信道資源，可以加大發送數據包；當網絡隊列等于 估計值時，可以認為數據包的發送和接收處于平衡狀態，所以維持參數值不變，即當前值等 于相鄰歷史記錄值；當網絡隊列大于估計值時，認為發生網絡擁塞，為了避免更多的丟包和 擁塞，減少參數N的取值。
[0032] 根據公式（5)和（6)可以得到N的期望，如公式（7)所示。
[0033]
(7)
[0034] 將a建議取值代入，得到公式8，
[0035]
(S)
[0036] 可以得出，網絡越穩定，即rtt的值變化越小，E[N]的值趨近于1，當rtt的值變化 越劇烈，E[N]的值其實也比較接近于1，但考慮到每次調整的時候N的變化非常大，因此能 夠有效利用網絡帶寬，即當網絡條件非常好的時候，發送的窗口比較大，當檢測到網絡擁塞 的時候，就快速調整發送窗口，保證不會淹沒網絡。
[0037] 對比試驗
[0038] 根據前文提出的擁塞避免階段的算法改進，我們將進行實際環境中的對比試驗， 兩臺服務器位于相同機房，具有相同配置。在調度策略下，兩臺服務器獲得相同分布的用戶 請求。因此，可以認為兩臺服務器除擁塞控制算法以外，具有完成一致的內部和外部配置。 對擁塞控制算法的對比具有公平性。
[0039] *113. 105. 154. 21:測試服務器，使用新的針對小文件，無線、長距離等較差的網絡 的改進擁塞控制。
[0040] ? 113. 105. 154. 14:對比服務器，使用原始CUBIC作為擁塞控制算法。
[0041] 根據下載速度的加權平均，我們定義了算法性能度量。如公式（9)和（10)，其中M 和N是采樣點個數，并根據上述公式，定義了性能提升公式（11)。
[0045] 在大數據下，統計規律占有絕對地位，隨機因素的影響將不復存在，改進算法將展 示穩定的性能提升。以五個不同測試區域的實驗測試為例，時間覆蓋了十三天。第一測試 區域從1號到12號，共12天的數據。測試結果顯示，除了 4號一天，改進算法的性能比默 認算法性能稍低外，所有時間點的性能都是改進算法更優。在2號，性能提升居然超過了 160 %，這是極其顯著的性能提升，必然會極大的提升DASH視頻塊的傳輸效率，改善DASH用 戶的體驗質量。第一測試區域的測試結果給出了 7號到13號的性能表現，其中所有采樣點 的性能都要明顯優于傳統TCP擁塞控制算法，性能提升比都在20%以上，有利于說明改進 算法的有效性。第三測試區域和第五測試區域的測試結果都顯現了改進算法性能的穩步提 升。第四測試區域性能提升最穩定。改進算法和默認算法變化趨勢基本一致，說明了網絡 條件變化能夠顯著影響用戶的下載速度。默認擁塞控制算法不能充分利用網絡資源，尤其 是網絡條件較差的情況下，改進算法性能一直優于傳統TCP擁塞控制算法，說明了不論什 么狀態下的網絡條件，相比較默認算法，改進算法都能更有效的利用網絡資源，提高用戶的 平均吞吐率，提高下載速度。通過分析日志中下載速度，所有測試地區的性能提升都超過了 20%，這個結果是非常有說服力的，時間跨度大，數據采樣點多，大數據下規律穩定收斂，從 實際測量中證實了改進算法的高效性。
[0046] 以上內容是結合具體/優選的實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認 定本發明的具體實施只局限于這些說明。對于本發明所屬技術領域的普通技術人員來說， 在不脫離本發明構思的前提下，其還可以對這些已描述的實施方式做出若干替代或變型， 而這些替代或變型方式都應當視為屬于本發明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種提高DASH視頻傳輸效率的方法，其特征在于，包括擁塞避免階段，在所述擁塞 避免階段，根據以下公式所確定的方式進行發送窗口大小的調節：公式（5)中，WindowSize為發送窗口大小，N是由公式（6)確定的參數，取當前值，SP下 標為i時N的取值，包指數據包，S卩TCP傳輸協議傳輸的數據單元；公式（6)中，FileSize為 傳輸文件傳輸剩余部分的大小，MSS為最大報文段長度，即收發雙方協商通信時每一個報文 段所能承載的最大數據長度，max表示取其中最大值，a為取0到1的參數，Queue為網絡 隊列大小，由公式（4)確定，公式（4)中，r//為平均網絡往返時間，rtt_為最小往返時間， _Wiad._§i:ze_為發送窗口的平均值。2. 根據權利要求1所述的提高DASH視頻傳輸效率的方法，其特征在于，a的值取每個3. 根據權利要求1或2所述的提高DASH視頻傳輸效率的方法，其特征在于，還包括在 所述擁塞避免階段之前的慢啟動階段，在所述慢啟動階段，根據以下公式所確定的方式動 態調整初始化窗口：其中，cwnd為初始化窗口大小，y為預先定義的變量，取值范圍是1. 5~2的開區間， 5為平均網絡往返時間，MSS為最大報文段長度，max表示取其中最大值，S為傳輸文件整 體大小，S。為預先定義的文件大小變量。4. 根據權利要求1或2或3所述的提高DASH視頻傳輸效率的方法，其特征在于，S。取 值為25KB~40KB。
【專利摘要】本發明公開了一種提高DASH視頻傳輸效率的方法,針對傳統TCP對于傳輸小文件效率不高，擁塞控制階段發送窗口大小的調整過于保守，傳輸效率低，本發明采用動態調整初始化窗口提高傳輸效率，以一種新的擁塞控制策略，在擁塞控制的慢啟動和擁塞避免兩個階段都針對性的進行了改進，用以提升DASH視頻的傳輸效率。經過對比試驗驗證，發現本發明的方法可獲得20％以上的性能提升。
【IPC分類】H04L12/841, H04L12/813, H04L12/801, H04N21/647, H04L29/06, H04L12/807
【公開號】CN105049956
【申請號】CN201510264392
【發明人】袁春, 李志杰, 王智
【申請人】清華大學深圳研究生院
【公開日】2015年11月11日
【申請日】2015年5月21日