移動流媒體并行多路傳輸機制研究

曾 歷,黃虹霞,劉 麗

(江西科技學院,江西 南昌 330000)

0 引言

隨著智能終端(如手機、筆記本電腦)、移動通信技術和無線網絡的發展,越來越多的用戶選擇使用不同的移動終端上網。隨著網絡的不斷普及,近5年,我國網民規模發展得越來越龐大,根據第44次、46次、48次、50次以及52次《中國互聯網絡發展狀況統計報告》顯示,截至2019年6月,我國網民規模為8.54億人;截至2020年6月,我國網民規模為9.4億人;截至2021年6月,我國網民規模為10.11億人;截至2022年6月,我國網民規模為10.51億人;截至2023年6月,我國網民規模為10.79億人。中國近5年網民規模如圖1所示,我國網民規模不斷增長,并在未來還將保持增長的趨勢。我國已形成了全球規模最大、應用滲透最強的數字化社會。

圖1 中國近5年網民規模

近幾年,我國網民的網絡使用方式呈現多樣化的形式,人們可以利用移動終端播放短視頻、進行網絡支付、網絡購物、網絡直播等操作。由于移動終端相較于個人電腦終端在出行過程中有著非常便捷的優勢,因此在眾多網絡接入方式中以移動互聯網接入為主。中國近5年移動互聯網接入流量如圖2所示,2018—2022年,移動互聯網接入流量呈現快速增長的趨勢。尤其在2020—2022年增長迅速,在此期間,我國用戶受疫情影響,處于居家辦公和學習狀態,移動互聯網接入流量劇增。

圖2 中國近5年移動互聯網接入流量

第50次《中國互聯網發展狀況統計報告》數據顯示,2022年上半年我國移動互聯網接入流量為1 241億GB,2023年上半年移動互聯網接入流量為1 423億GB,同比增長14.6%。

移動互聯網服務一般包括2個層面含義:內容服務和傳輸服務。內容服務可理解為向終端用戶提供的某種具體的數據資源(如視頻、語音等);而傳輸服務一般為終端用戶在獲取和管理數據資源過程中網絡所能提供的傳輸能力(如帶寬、時延和抖動等)。在內容服務方面,隨著無線終端(如筆記本電腦、手機等)智能化和計算能力的不斷提高,人們使用視頻和語音等對流量要求較大的流媒體服務的需求增長迅速。

1 移動流媒體現狀

隨著移動智能手機、車載智能終端、智能電視、筆記本電腦、平板電腦、可穿戴設備等移動終端的出現,人們的生活、學習以及娛樂方式呈現多樣化的形式,同時人們對移動服務的要求也越來越高[1]。自2018年以來,隨著人們的生活節奏越來越快,為了適應人們快節奏的生活,市場上迅速推出了抖音、小紅書、快手等娛樂App,這一類App以內容涵蓋面廣、短視頻形式播放等優勢,使得用戶量劇增,也導致流量的使用量隨之增長。隨著科技的發展,虛擬現實(Virtual Reality, VR)與增強現實(Augmented Reality, AR)等技術應用嶄露頭角,這類應用在使用過程中能夠讓人感覺身臨其境,改變了人們的認知,但VR與AR等設備對網速的要求也特別高。比如VR在實時渲染過程中,需要高速的網絡傳輸來保證用戶能夠順暢地體驗虛擬世界。如果在傳輸過程中網絡傳輸速率不夠快,就會出現卡頓的情況,反之則可以縮短加載時間,使用戶的體驗感更好。

然而,各種應用在使用過程中,由于數據的大量傳輸,極有可能在傳輸過程中發生傳輸延遲、鏈路中斷、數據丟包、網絡擁塞等情況。

2 多路徑傳輸技術

無線移動網絡因其可移動、聯網方便、建網靈活等特性,未來將會得到迅猛發展和廣泛部署。但是無線移動網絡仍然存在較多缺陷,比如移動節點是移動的,并且帶寬資源相對較少,無線鏈路會出現隨機丟包現象。因此,如何增加無線網絡帶寬資源、提高網絡傳輸速率是當今國內外學者的研究重點。

目前,我國使用較多的網絡傳輸協議為TCP和UDP。TCP是一種面向鏈接的協議,具有可靠、穩定的優點。UDP是一種面向消息的協議,具有傳輸速度快的優點。這2種協議都是使用單一的傳輸路徑進行數據通信。當用戶傳輸大量數據時,使用TCP或UDP這一類單一傳輸路徑的協議,容易出現網絡擁塞、延遲、丟包等情況[2]。

多路徑傳輸技術結合了TCP協議與UDP協議的優勢,是一種對現有網絡設備和應用接口具有高度耦合的、可通過多條路徑傳輸數據的協議。該協議數據傳輸的性能較高,極大地提高了無線資源利用率。

數據傳輸時,一旦發生丟包現象,其他預先到達接收端的數據將會被緩存在接收緩沖區中。由于一些丟失數據幀的重傳時間可能會導致其他先期到達接收端的數據幀不能在有效播放時間內被提交至應用層而失效,從而嚴重影響用戶對流媒體服務的體驗[3]。因此,在并發多路徑傳輸機制的支持下,MPTCP協議能夠為用戶在使用移動流媒體傳輸數據時提供高質量的服務,增加用戶的體驗感。

如圖3所示為終端A與終端B在進行網絡傳輸的場景,可以看出終端A與終端B通過MPTCP協議建立連接,MPTCP協議分為2層,分別是子流層和連接層,連接層提供標準的TCP接口,主要為上層應用層服務,子流層則是與多個IP子通道對應綁定,實現多路徑傳輸。由此可見,多路徑數據傳輸能夠提高異構網絡的移動數據發布效率,提高移動運營商、移動設備制造商和內容提供商的服務質量,滿足日益增長的移動用戶的視頻需求,并將取代傳統基于單一路徑的傳輸協議,成為未來移動互聯網傳輸層核心協議。

圖3 基于MPTCP協議的多路徑傳輸場景

3 移動流媒體并行多路徑傳輸機制

我國移動端規模正在不斷擴大,在這種趨勢的主導下,如何利用先進的傳輸技術提高網絡數據傳輸的質量、增強移動用戶的體驗感成為未來移動流媒體發展的目標。

3.1 移動流媒體數據傳輸方式

移動流媒體主要以2種數據流的方式進行傳輸。

(1)順序流方式。該數據流方式是按順序下載,即邊下載邊播放,這種數據傳輸方式不具有交互性?；陧樞蛄鞣绞讲シ诺膬热葜饕远桃曨l播放為主,為了保證數據傳輸質量,視頻必須提前下載好。

(2)實時流方式。移動用戶在下載視頻時能夠實時播放,并提供盒式錄像機(Video Cassette Recorder, VCR)功能(實時錄像,邊錄邊看),具備交互性?；趯崟r流方式的網絡傳輸可以實時傳送數據,非常適合現場直播,并且用戶在觀看視頻時可隨時快進或后退[4]。

3.2 移動流媒體多路徑并行數據傳輸步驟

MPTCP協議可以支持同時使用多個可用接口在多條接入鏈路和帶寬聚合上進行并行傳輸[5]。以下是基于MPTCP協議的移動流媒體多路徑并行數據傳輸步驟。

(1)MPTCP發送端與接收端建立連接。如圖4所示,移動設備與多媒體服務器在建立連接的過程中需要經過3次握手建立連接。首先,發送端需發送一個帶有MP-CAPABLE選項和隨機秘鑰KEY的報文段至接收端。其次,接收端收到消息后回復發送端一個MP-CAPABLE選項和隨機秘鑰KEY報文段SYN+ACK。最后,發送端發送一個帶有MP-CAPABLE選項和隨機秘鑰的ACK至接收端,此時MPTCP發送端與接收端便建立了連接。

圖4 MPTCP建立第一條子流連接

(2)端點與端點之間經由多條路徑彼此相連。如圖5所示,MPTCP發送端與接收端在進行網絡傳輸時,移動設備為了實現多個接口接入,需要新增子流的連接,實現多條路徑利用多個接口進行網絡傳輸。

圖5 MPTCP建立新增子流連接

(3)移動設備聚合多條路徑的帶寬,從服務器下載媒體內容。利用多條路徑進行網絡傳輸,可實現媒體內容高速下載。

(4)斷開連接。MPTCP協議關閉與建立連接時的方式相同,需要經過3次握手實現。如圖6所示,首先,發送端發送SHUTDOW指令給接收端,接收端收到相關指令后返回一個SHUTDOW-ACK指令向發送端確認,最后發送端收到關閉指令后就發送SHUTDOWN-COMPLETE給接收端,3次握手完成即實現斷開連接。

圖6 MPTCP斷開連接

4 主要優勢

4.1 融合MPTCP的移動流媒體的優勢

基于MPTCP協議的移動流媒體并行傳輸機制相較于傳統的TCP協議具有以下優點。

(1)吞吐量大。傳統的TCP協議在數據傳輸過程中僅支持一條路徑進行傳輸,因此單位時間內只能成功地傳送少量的數據。然而MPTCP協議支持多條路徑進行數據傳輸,從而使得網絡的吞吐量得到極大提高。

(2)實時播放。由于傳統的TCP與UDP協議支持完全可靠的傳輸,因此在進行數據傳輸時,只有當數據包完全傳輸完才能進行視頻播放,而MPTCP協議是一種支持部分可靠的協議,可邊下載邊播放,增強了用戶的體驗感[6]。

(3)高速率下載。隨著5G網絡的普及,人們只需花3 s時間便可下載一部1 GB的視頻。融合MPTCP的移動流媒體在此背景下可實現高速率視頻下載。

4.2 基于MPTCP的流媒體傳輸機制

融合MPTCP的移動流媒體是通過建立多條子通道對數據進行傳輸,每條子流有自己獨立的擁塞窗口,這樣能夠大大提高網絡吞吐量[7]。一方面滿足了人們獲取海量數據的需求,另一方面也極大地方便了人們的生活、工作和娛樂。如圖7所示,人們通過使用不同的移動終端進行通信與娛樂。在數據傳輸過程中,當網絡傳輸速率較低時,MPTCP可發揮其優勢,進行多條路徑傳輸。從圖7可看出,移動用戶在使用移動終端下載視頻時,可以通過路徑A與路徑B同時進行網絡傳輸,有效地解決了網絡傳輸卡頓、延遲等問題。這種支持MPTCP的多路徑通信特性傳輸機制具有高帶寬、良好的性能、較強的魯棒性等特點,被認為是較有發展前景的傳輸技術之一[8]。

圖7 基于MPTCP的流媒體傳輸場景

5 結語

本文通過分析近5年我國網民規模、移動互聯網接入流量得出,我國主要以移動互聯網接入流量為主。具體闡述了人們利用單一傳輸機制進行流媒體傳輸時所面臨的各種問題,提出了一種移動流媒體并行多路傳輸機制,該協議具有多路徑傳輸特性,能夠極大地改善網絡傳輸性能,提高網絡帶寬與吞吐量?？紤]到MPTCP主要是以發送端感知消息,而接收端不具有主動性,為了進一步驗證MPTCP協議的有效性,課題組下一步將在NS3平臺搭建融合接收端的MPTCP環境,擬實現單向延遲關鍵技術,為MPTCP在移動流媒體行業提供更高質量的服務。