视频实时传输拥塞控制机制的研究

论文摘要

随着MPEG-4视频标准的出现,MPEG-4视频实时传输成为网络应用的热点之一。然而,目前Internet在流媒体应用方面的传输协议,仍然缺乏比较有效的拥塞控制机制,而拥塞控制机制对流媒体应用的健壮性和稳定性起着至关重要的作用。因此,研究适合MPEG-4视频实时传输的拥塞控制机制,成为传输领域内的一个重要课题。新机制的研究必须满足MPEG-4视频实时码流传输速率的平稳性,同时又能实现与TCP公平共享网络资源的友好性,故TCP友好拥塞控制机制成为了流量拥塞控制的研究重点。为此,本文开展了以下研究:首先,结合RTP/RTCP协议和MPEG-4视频编码技术,构建了基于RTP/RTCP的MPEG-4视频传输系统框架。在该框架中,根据UDP、TCP传输层协议的特点,将其分别作为RTP、RTCP协议的底层进行数据传输。其次,本文论述了TCP-Friendly拥塞控制算法的发展过程,比较和分析了近些年提出的TCP友好拥塞控制算法,深入研究了TCP友好算法中被公认较为优秀的TCP友好速率控制（TFRC）算法。在此基础上,提出将TFRC算法移植到传输框架的应用层,作为UDP协议之上的拥塞控制机制。通过研究发现,TFRC算法的控制机制与多媒体信息传输所要求的基本速率出现了冲突。针对此问题,本文在TFRC算法的基础上提出了有效速率的TFRC（ER-TFRC）改进算法。对实时性要求较高的视频传输中,TFRC算法很容易导致传输速率低于应用设置最低速率,造成实时数据传输无效性的问题。该算法给出了确定网络拥塞程度的“可容忍拥塞程度因子”β和判断网络状况的无反馈定时器标准,解决了TFRC在不同拥塞程度下,发送端采取最低速率保证视频正常播放的数据发送时间等问题,实现了对MPEG-4视频实时传输的拥塞控制。综上所述,通过对TFRC理论与实现的深入分析,提出了ER-TFRC算法。该算法在网络出现拥塞后,以降低TFRC暂时的TCP友好性,增加数据流的发送量,解决TFRC在不同拥塞程度下引起的视频数据传输无效问题,保证了视频实时播放。实验结果表明ER-TFRC算法达到了预期设计的要求,适合MPEG-4视频实时传输。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 背景与意义
• 1.2 研究现状
• 1.3 完成的研究工作
• 1.4 本论文的结构
• 第2章 基于RTP/RTCP 的MPEG-4 传输系统
• 2.1 MPEG-4 视频标准
• 2.1.1 MPEG-4 的编码技术
• 2.1.2 DMIF 传输模型
• 2.1.3 MPEG-4 传输文件格式
• 2.2 MPEG-4 视频传输系统框架
• 2.3 实时传输协议RTP/RTCP
• 2.3.1 RTP 协议
• 2.3.1.1 RTP 数据包的格式
• 2.3.1.2 RTP 主要功能
• 2.3.2 RTCP 协议
• 2.3.2.1 RTCP 包控制功能
• 2.3.2.2 RTCP 数据包的格式
• 2.4 小结
• 第3章 TCP-Friendly 拥塞控制算法
• 3.1 网络拥塞
• 3.1.1 网络拥塞的含义
• 3.1.2 拥塞产生的原因
• 3.2 TCP-Friendly 拥塞控制算法提出的背景
• 3.2.1 TCP 拥塞控制
• 3.2.1.1 慢启动和拥塞避免
• 3.2.1.2 快速重传和快速恢复
• 3.2.1.3 TCP 拥塞控制的不足
• 3.2.2 UDP 拥塞控制
• 3.3 典型的TCP-Friendly 拥塞控制算法
• 3.4 小结
• 第4章 TFRC 拥塞控制算法的分析与改进
• 4.1 TFRC 算法分析
• 4.1.1 TFRC 的数学模型
• 4.1.2 基于RTCP 报告包获取TFRC 模型参数
• 4.2 TFRC 算法实现分析
• 4.2.1 代码主要成员
• 4.2.2 拥塞控制机制的实现
• 4.3 TFRC 拥塞控制机制的改进
• 4.3.1 TFRC 算法存在的不足
• 4.3.2 TFRC 算法的改进
• 4.3.2.1 改进的基本流程
• 4.3.2.2 算法的实现
• 4.4 小结
• 第5章 MPEG4 视频传输系统的实验仿真
• 5.1 实验环境
• 5.1.1 NS2 工具简介
• 5.1.2 NS2 构件库
• 5.1.3 NS2 网络模拟过程
• 5.2 仿真拓扑结构及参数的设定
• 5.3 实验结果与分析
• 5.3.1 基于轻微拥塞的速率调整实现
• 5.3.2 基于严重拥塞的速率调整实现
• 5.4 小结
• 第6章 结束语
• 6.1 工作总结
• 6.2 今后工作的研究
• 参考文献
• 致谢
• 附录:攻读学位期间所发表的学术论文目录