黃 勝 郝言明 姜良浩 鄭丹玲

(重慶郵電大學光通信與網(wǎng)絡重點實驗室 重慶 400065)

命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡中基于自適應轉發(fā)的擁塞控制機制

黃 勝 郝言明 姜良浩 鄭丹玲

(重慶郵電大學光通信與網(wǎng)絡重點實驗室 重慶 400065)

為了提高命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡NDN(Named Data Networking)中視頻數(shù)據(jù)的可靠傳輸，站在客戶端的角度，提出一種基于自適應轉發(fā)的擁塞控制機制AFCCP(Adaptive Forward Congestion Control Policy)。AFCCF以網(wǎng)絡丟包最小化為目標，為接口的選擇建立馬爾科夫模型，通過前一時間間隔鏈路的狀態(tài)，自適應地選擇最佳的轉發(fā)接口，減少興趣包向擁塞鏈路的轉發(fā)，降低網(wǎng)內的丟包數(shù)目，實現(xiàn)網(wǎng)絡擁塞控制。在此基礎上，AFCCF針對視頻數(shù)據(jù)內部屬性，考慮解碼端特點，在網(wǎng)絡發(fā)生丟包時，選擇性地對數(shù)據(jù)包丟棄，實現(xiàn)視頻內部重要數(shù)據(jù)的可靠傳輸。仿真結果表明，AFCCP在較低時延的條件下，實現(xiàn)網(wǎng)絡較小的丟包率，增加用戶接收數(shù)據(jù)包的數(shù)量，從而改善用戶獲取數(shù)據(jù)體驗。

命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡 自適應 丟包最小化 馬爾科夫 擁塞控制 可靠傳輸

0 引 言

隨著網(wǎng)絡的發(fā)展，通信方式的轉變，內容化是互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的方向；命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡NDN是一種以內容為中心的全新的互聯(lián)網(wǎng)體系架構[1-2]，在NDN中，數(shù)據(jù)的請求方式基于客戶端驅動，即用戶發(fā)送興趣包(Interest),進行名字路由獲取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)按照Interest請求路徑原路返回。NDN通過調節(jié)客戶端的發(fā)送速率實現(xiàn)網(wǎng)絡的控制傳輸。視頻業(yè)務是網(wǎng)絡的主流業(yè)務，丟包、時延對視頻傳輸有較大的影響，實現(xiàn)NDN中視頻數(shù)據(jù)的高效、可靠地傳輸具有重要意義[3]。

用戶的突發(fā)請求，網(wǎng)絡資源不足等原因，可能導致網(wǎng)絡發(fā)生擁塞。NDN中每個Interest包有唯一的Data包與之對應[2]，但Interest包的容量遠遠小于Data包的容量，鏈路帶寬被Data包占用[4]，本文通過Data包對鏈路帶寬的占用和接口發(fā)送Interest包的速率判斷網(wǎng)絡擁塞情況以及通過接口Data包隊列的占用比預測將發(fā)生丟失的Data包。NDN擁塞模型如圖1所示[4]，Interest包從對應轉發(fā)接口的輸出隊列Q1轉發(fā)至上游節(jié)點，Data包在節(jié)點轉發(fā)之前需要進入對應接口的輸出隊列Q2排隊，Data包等待轉發(fā)。在Data包傳輸過程中，鏈路帶寬被Data包占用。本文以接口發(fā)送Interest包速率大于上游鏈路允許可用帶寬作為網(wǎng)絡擁塞標識，通過接口Data包隊列的占用比預測將要發(fā)生丟失的Data包。針對上述NDN擁塞模型,文獻[4]提出基于顯式反饋擁塞控制算法。該策略通過主動統(tǒng)計網(wǎng)絡中間節(jié)點的接口隊列長度來檢測網(wǎng)絡擁塞水平，并顯式地反饋給客戶端?？蛻舳苏{整Interest包的發(fā)送速率，從而控制Data包的轉發(fā)速率，實現(xiàn)網(wǎng)絡擁塞控制。文獻[5]提出的CHoPCoP機制主要是通過ECN通告接收端發(fā)生擁塞的路徑。文獻[6]提出的ICP機制，該機制是客戶端通過RTT控制興趣包的發(fā)送速率，但對于NDN數(shù)據(jù)的多源性，RTT是變化的。文獻[7]提出的隨機丟棄興趣包，實現(xiàn)網(wǎng)絡擁塞控制，該機制主要是當網(wǎng)絡發(fā)生擁塞時，節(jié)點隨機丟棄興趣包，減少對應節(jié)點興趣包的發(fā)送速率。文獻[8]為基于流行度的擁塞控制機制，當網(wǎng)絡發(fā)生擁塞時，將不流行的數(shù)據(jù)所對應的興趣包丟棄，實現(xiàn)網(wǎng)絡的擁塞控制。

圖1 NDN擁塞模型

針對視頻數(shù)據(jù)實時性要求，以及視頻數(shù)據(jù)在客戶端解碼時需要參考重要幀的特性[9]，本文站在用戶獲取數(shù)據(jù)的角度，以最大化用戶接收數(shù)據(jù)包數(shù)量為目標，結合視頻數(shù)據(jù)內部特性，對視頻內部重要數(shù)據(jù)保護，實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)在NDN中的控制傳輸。在興趣包轉發(fā)的過程中避免向擁塞鏈路的轉發(fā)，自適應的選擇網(wǎng)絡性能最佳轉發(fā)接口，實現(xiàn)不同視頻流對應興趣包的自適應轉發(fā)，從而實現(xiàn)較小的網(wǎng)絡丟包；在數(shù)據(jù)包傳輸過程中發(fā)生丟包時，對重要NALU(Network Abstract Layer Unit)[9]進行保護，實現(xiàn)重要NALU的可靠傳輸。

1 基于自適應轉發(fā)擁塞控制的實現(xiàn)

本文的主要思想是以最小化網(wǎng)內丟包為目標，通過控制節(jié)點接口轉發(fā)興趣包的速率，自適應地選擇最佳鏈路進行興趣包的轉發(fā)。興趣包在轉發(fā)的過程中，根據(jù)馬爾科夫模型自適應地選擇接口實現(xiàn)興趣包的轉發(fā)，避免興趣包向擁塞鏈路的轉發(fā)，減少網(wǎng)內丟失數(shù)據(jù)包的數(shù)目。在數(shù)據(jù)包轉發(fā)的過程中，網(wǎng)絡發(fā)生擁塞，數(shù)據(jù)包轉發(fā)接口的隊列被占滿時，將導致數(shù)據(jù)包丟失。但本文對將要發(fā)生丟失數(shù)據(jù)包進行判斷，將視頻內部非重要或者非參考NALU所對應的數(shù)據(jù)包丟棄，對重要NALU進行保護，實現(xiàn)重要NALU的可靠傳輸。本文提出的控制傳輸機制，以客戶端獲取數(shù)據(jù)體驗為出發(fā)點，提高視頻數(shù)據(jù)在NDN中的傳輸效率，改善用戶獲取數(shù)據(jù)體驗。

1.1 模型的建立與分析

針對NDN中視頻數(shù)據(jù)的傳輸，本文在不采用重傳機制的條件下，以最大化客戶端接收數(shù)據(jù)包的數(shù)量為目標，實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的控制傳輸。從而將以最大化客戶端接收數(shù)據(jù)包的數(shù)量轉化成最小化網(wǎng)內丟包，目標函數(shù)如式(1)所示：

(1)

其中：M表示節(jié)點的個數(shù)，N表示節(jié)點通往上游的接口數(shù)目，ai(t)、bi(t)分別表示接口的發(fā)送和接收速度。

由目標函數(shù)可知，通過控制接口的發(fā)送速率和接收速率的差值實現(xiàn)最優(yōu)化，即控制興趣包向擁塞鏈路的轉發(fā)，實現(xiàn)興趣包最佳接口的自適應轉發(fā)。為興趣包選擇轉發(fā)接口建立馬爾科夫模型，將節(jié)點向上游轉發(fā)的不同接口作為不同的狀態(tài)，如圖2所示。

圖2 接口狀態(tài)

節(jié)點node存在3個轉發(fā)至上游鏈路的接口，分別為face_1，face_2，face_3，三個接口分別對應狀態(tài)1、狀態(tài)2、狀態(tài)3。當前時刻興趣包選擇哪個接口向上游鏈路轉發(fā)只與前一時刻鏈路的狀態(tài)有關。接口的狀態(tài)轉移概率矩陣P：

其中：N表示節(jié)點轉發(fā)至上游鏈路的接口數(shù)，pij表示由接口i轉發(fā)興趣包轉換成接口j的轉移概率。

1.2 興趣包自適應選擇接口轉發(fā)的實現(xiàn)

為實現(xiàn)興趣包的自適應轉發(fā)，避免興趣包向擁塞鏈路的轉發(fā)，在最小化丟包的條件下實現(xiàn)網(wǎng)絡的控制傳輸。該機制的實現(xiàn)需要為數(shù)據(jù)包添加一個字段，即接口上游鏈路最大允許發(fā)送速率。數(shù)據(jù)包被轉發(fā)至第一個節(jié)點時，將該接口的發(fā)送速率添加到該字段。在數(shù)據(jù)包轉發(fā)的過程中，如果接口允許的最大發(fā)送速率小于攜帶的發(fā)送速率，則更新數(shù)據(jù)包攜帶的發(fā)送速率，否則將攜帶的發(fā)送速率記錄在節(jié)點對應的接口內，其中接口最大允許發(fā)送速度的更新時間為Δ(t)。用f(t)表示當前時刻接口的狀態(tài)，當接口發(fā)送興趣包的速率大于當前時間段上游鏈路中瓶頸帶寬最大允許的發(fā)送速率時f(t)=0，否則f(t)=1，如式(2)所示：

(2)

其中：vs(t)表示對應接口當前時間的發(fā)送速率，vi(t)表示由該節(jié)點對應的接口通往上游鏈路中在時間t時最大的允許發(fā)送速度，vi(t)如式(3)、式(4)所示：

(3)

(4)

其中:Δt表示更新統(tǒng)計接口最大允許發(fā)送速度的時間間隔，B表示鏈路帶寬，vrd(t)表示接口接收數(shù)據(jù)包的速度，sizei表示興趣包的大小，sized表示數(shù)據(jù)包的大小。

由于NDN網(wǎng)內節(jié)點固有的緩存特性，在興趣包的轉發(fā)過程中，請求可以在中間節(jié)點被響應，所以距離服務端遠(跳數(shù)多)的轉發(fā)路徑并不代表獲取數(shù)據(jù)需要的時間大于距離服務器近的轉發(fā)路徑。本文在選擇接口轉發(fā)時，統(tǒng)計前一時刻同一視頻文件在不同接口轉發(fā)的往返時延，針對不同的視頻流，選擇該視頻流往返時延最小的轉發(fā)接口。在節(jié)點對應的接口上統(tǒng)計不同視頻流請求數(shù)據(jù)的平均往返時延為RTTf，當一段視頻流第一次選擇某一接口進行興趣包的轉發(fā)時，將RTTf=RTTavg，RTTavg為不同接口對應所有視頻流的平均往返時延，計算公式如下：

(5)

(6)

其中：STfi、ATfi分別表示接口的發(fā)送和接收fi的時間，num表示接口周期內收到每個視頻流內部數(shù)據(jù)包個數(shù)，NUM表示接口周期內接不同視頻流數(shù)目。

在興趣包轉發(fā)的過程中，統(tǒng)計接口對應上游鏈路帶寬的承受能力為Bable(t)(分母表示在時間段內帶寬的消耗強度，分子表示當前時刻可用帶寬)：

(7)

其中：B(t)=B-vrd(t),B表示鏈路帶寬，vrd(t)接口接收數(shù)據(jù)包的速度。

設置中間函數(shù)如下：

(8)

其中：α、φ分別表示接口獲取數(shù)據(jù)包的往返時延和帶寬承受能力的權重因子，m(?)表示每個接口?的中間函數(shù)。

對每個節(jié)點的N個向上游鏈路轉發(fā)的接口進行歸一化：

(9)

根據(jù)馬爾科夫模型，興趣包在轉發(fā)的過程中選擇最佳的轉發(fā)接口，避免興趣包向擁塞鏈路的轉發(fā)，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡的控制傳輸，其中轉移概率pij為：

(10)

興趣包在轉發(fā)的過程中，每個節(jié)點對應的接口以時間間隔Δt統(tǒng)計更新信息，比如接口當前時間的最大允許發(fā)送速率，對應的平均往返時延等。興趣包在轉發(fā)的過程中，根據(jù)馬爾科夫模型選擇網(wǎng)絡性能最佳的接口進行興趣包的轉發(fā)。在興趣包轉發(fā)的過程中，查看對應的視頻流的條目是否存在FIB中，如果存在，直接按照選定的轉發(fā)接口進行轉發(fā)，如果選擇轉發(fā)的接口不在FIB，則先將選擇的接口添加至FIB中，從而實現(xiàn)興趣包的轉發(fā)；如果對應的興趣包條目不存在FIB中，則需要將興趣包的名字前綴以及已選擇的接口添加到FIB中，從而實現(xiàn)在本地的轉發(fā)。數(shù)據(jù)包在轉發(fā)的過程中，數(shù)據(jù)包攜帶上游鏈路的最大允許的發(fā)送速率，節(jié)點對應的接口記錄對應上游鏈路的最大允許發(fā)送速率，通過比較接口當前的發(fā)送速率與接口對應上游鏈路的最大允許發(fā)送速率的值更新接口的狀態(tài)。

興趣包自適應轉發(fā)的算法實現(xiàn)：

Interest forward

1: the face will compute the max allowed send speed of the upstream link in △t

2: the forward face will sign the max allowed speed of the upstream link and update carried send speed of Data;

3: statistics the face information, such as RTT

4: Interest choose forward face by Markov

5: if the Fib entry exist FIB then forward the Interest by selected optimal face;

6: else append(prefix ,face)to FIB and forward Interest.

1.3 重要數(shù)據(jù)包可靠傳輸?shù)膶崿F(xiàn)

在數(shù)據(jù)包轉發(fā)的過程中，當網(wǎng)絡發(fā)生擁塞導致數(shù)據(jù)包丟失時，則將視頻內部非重要或者非參考NALU所對應的數(shù)據(jù)包丟棄。對于視頻數(shù)據(jù)的傳輸，需要對視頻編碼后才可以進行傳輸，采用HEVC(High Effective Video Code)壓縮后的視頻碼流由NALU組成。NALU具有不同的類型，NALU頭部包含其類型信息，壓縮后的視頻碼流之間存在參考和依賴關系。在解碼端，普通的NALU需要參考重要類型的NALU(參數(shù)集NALU，I幀對應的NALU)才能正確的解碼。本文在對視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，考慮視頻數(shù)據(jù)內部重要性的不同，在網(wǎng)絡發(fā)生丟包時，對重要數(shù)據(jù)進行保護，改善用戶獲取數(shù)據(jù)體驗，為數(shù)據(jù)包添加重要標識位，如圖3所示。網(wǎng)絡發(fā)生丟包判斷，當Pqueue=1時，數(shù)據(jù)包在轉發(fā)的過程中出現(xiàn)丟包。當數(shù)據(jù)包到達，若Pqueue<1，正常轉發(fā)；否則，判斷到達的數(shù)據(jù)包是否攜帶有重要標志位，如果沒有直接丟棄；若有，判斷隊列尾部中等待轉發(fā)的數(shù)據(jù)包是否為重要數(shù)據(jù)包，如果不是，則將對尾數(shù)據(jù)刪除，轉發(fā)到達的數(shù)據(jù)包，如果是重要數(shù)據(jù)包，則重新判斷隊列中其他數(shù)據(jù)。

Pqueue=Qcountdata/Queuelength

(11)

其中：Qcountdata表示接口隊列中排隊等待轉發(fā)的數(shù)據(jù)包的數(shù)量，Queuelength表示接口隊列的總長度。

圖3 數(shù)據(jù)包格式

重要NALU數(shù)據(jù)包保護的算法實現(xiàn)：

Forward Data;

1: if P_queue<1 then forward Data;

2: else if Data carry important sign

3: if another Data in queue’s tail of the face is not important;then drop the Data and forward the arrived Data;

4: else find not important Data and drop it;

5: else drop the arrived Data;

2 仿真結果

本文提出的控制傳輸機制在Linux操作系統(tǒng)下，基于NS3的ndnSIM的仿真平臺下進行性能的測試[10]。每個用戶對視頻序列進行均勻請求，每個視頻文件由500塊組成，每個節(jié)點的隊列長度設置為20。拓撲結構如圖4所示。

圖4 拓撲結構

由于本文針對視頻數(shù)據(jù)傳輸進行研究，為了滿足視頻數(shù)據(jù)的實時性[11]，本文對于丟包的數(shù)據(jù)不采用重傳機制。該測試的對比算法為NDN中轉發(fā)策略中的最優(yōu)路由機制(BestRoute)，興趣包整流機制，(Random-Drop)即網(wǎng)絡發(fā)生擁塞時，隨機丟棄興趣包，并分別在不同的發(fā)送速率和不同的瓶頸帶寬的環(huán)境下對算法進行測試，本文測試的性能指標如下所示：

? 丟包率：表示發(fā)送興趣包的總量與接收數(shù)據(jù)包的總量的差值與客戶端興趣包發(fā)送的總次數(shù)的比值。

? 平均時延：指用戶發(fā)送興趣包至接收到對應數(shù)據(jù)包所需要的時間。

? 重要NALU丟失率：表示客戶端發(fā)送重要NALU的興趣包總量與接收NALU數(shù)據(jù)包總量的差值與客戶端發(fā)送興趣包的總數(shù)。

? 客戶端平均接收數(shù)據(jù)包的總數(shù)量：表示在視頻數(shù)據(jù)請求完畢，平均每個用戶接收到數(shù)據(jù)包的數(shù)量。

不同發(fā)送速率的測試中，網(wǎng)內瓶頸帶寬為2 Mbit/s，不同帶寬的測試中，發(fā)送速率為300個/秒。

圖5和圖6分別表示不同發(fā)送速率和不同帶寬下的網(wǎng)內丟包率。圖5表示，隨著用戶的發(fā)送速率增加，網(wǎng)內擁塞加劇，丟包數(shù)目增加，圖6表示隨著帶寬的增加，網(wǎng)內丟包數(shù)目減少。相比于對比算法，本文提出的AFCCP在轉發(fā)的過程中自適應地選擇接口轉發(fā)，避免了向擁塞鏈路的轉發(fā)，減少網(wǎng)內丟包數(shù)目。

圖5 丟包率VS發(fā)送速率

圖6 丟包率VS瓶頸帶寬

圖7和圖8分別表示不同發(fā)送速率和帶寬的條件下，用戶的平均訪問時延。圖7表示由于發(fā)送速率增加，雖然丟包數(shù)目增加，但由于網(wǎng)絡擁塞的增加，平均時延隨著發(fā)送速率的增加而增加。圖8表示隨著帶寬的增加，相同條件下網(wǎng)內擁塞減緩，用戶的平均時延減少。但相比于對比算法，本文提出的AFCCP在轉發(fā)的過程減緩網(wǎng)絡擁塞，并且在轉發(fā)的過程中考慮鏈路時延小的接口轉發(fā)，所以具有較小的時延。

圖7 平均時延VS發(fā)送速率

圖9和圖10分別表示不同發(fā)送速率和帶寬下的重要NALU的丟包率。由于本文提出的AFCCP在數(shù)據(jù)包發(fā)生丟失時對重要NALU進行保護，從而實現(xiàn)重要NALU數(shù)據(jù)包能夠可靠傳輸至客戶端。在對比算法中，重要NALU的丟包具有隨機性，但隨著發(fā)送速率的增加，整體呈上升的趨勢，隨著帶寬的增加，重要NALU的丟包率整體呈下降趨勢。

圖9 重要NALU的丟包率VS發(fā)送速率

圖10 重要NALU的丟包率VS瓶頸帶寬

圖11和圖12分別表示不同發(fā)送速度和帶寬條件下，網(wǎng)內每個用戶平均接收數(shù)據(jù)包的數(shù)量。圖11表示隨著用戶訪問速率的增加，網(wǎng)內擁塞加劇，用戶接收數(shù)據(jù)包的數(shù)量逐漸減少。圖12表示隨著帶寬的增加，用戶平均接收數(shù)據(jù)包的數(shù)量逐漸增加，相比于對比算法，本文提出的AFCCP有效地避免擁塞鏈路，選擇最佳的鏈路進行轉發(fā)，從而在相同的條件，用戶的平均接收的數(shù)據(jù)包的數(shù)量最多。

圖11 客戶端接收數(shù)據(jù)包數(shù)量VS發(fā)送速率

圖12 客戶端接收數(shù)據(jù)包數(shù)量VS瓶頸帶寬

3 結 語

本文針對命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡中視頻數(shù)據(jù)的傳輸提出基于擁塞控制的傳輸機制，本文提出的AFCCP以用戶為出發(fā)點，將網(wǎng)絡的丟包數(shù)據(jù)降低至最少，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。本文為興趣包轉發(fā)的過程中接口的選擇建立馬爾科夫模型，自適應選擇最佳鏈路進行興趣包的傳輸。AFCCP在網(wǎng)絡擁塞發(fā)生丟包時，對視頻內部重要NALU數(shù)據(jù)進行保護，實現(xiàn)重要NALU可靠傳輸。AFCCP在較小訪問時延的條件下，實現(xiàn)較小的網(wǎng)內丟包，增加用戶接收數(shù)據(jù)包的數(shù)量，改善用戶獲取數(shù)據(jù)體驗。

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CONGESTIONCONTROLMECHANISMBASEDONADAPTIVEFORWARDINGOVERNAMINGDATANETWORKING

Huang Sheng Hao Yanming Jiang Lianghao Zheng Danling

(KeyLabofOpticalCommunicationandNetwork,ChongqingUniversityofPostsandTelecommunication,Chongqing400065,China)

To improve the reliable transmission of video data in the named data network, this paper proposes an Adaptive Forward Congestion Control Policy (AFCCP) from the client’s point of view. AFCCF aims at minimizing network packet loss and establishes a Markov model for the selection of interfaces. AFCCF adaptively selects the best forwarding interface through the state of the previous time interval link and to reduce the forwarding of interest packets to the congested link. Reducing the number of packet loss in the network to realize network congestion control. On the basis of this, AFCCF aims at the internal properties of video data, consider the characteristics of the decoding side when network occurs packet loss, AFCCP will selectively discard packet, to achieve reliable transmission for the important data within the video. The simulator results show that AFCCP achieves a low packet loss rate at low latency and increases the number of packets

by the user, thus improving the user’s access to data experience.

NDN Adaptive Packet loss minimization Markov Congestion control Reliable transmission

2017-01-04。國家自然科學基金項目(61371096)。黃勝，教授，主研領域：命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的高效傳輸，高效視頻編碼，信道編碼，圖像處理。郝言明，碩士生。姜良浩，碩士生。鄭丹玲，講師。

TP393

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2017.12.035