SQP擁塞控制算法實(shí)現(xiàn)和對比實(shí)驗(yàn)

SQP擁塞控制算法介紹

一種為低延遲強(qiáng)交互視頻流設(shè)計(jì)的擁塞控制算法尿赚, google paper:https://arxiv.org/pdf/2207.11857.pdf

在交互視頻應(yīng)用場景煎谍,需要傳輸高碼率的視頻率,并且保持極低的端到端時(shí)延鹃锈,比如AR流和云游戲,SQP就是為這種場景而設(shè)計(jì)的擁塞控制算法。SQP采用基于幀的整形數(shù)據(jù)包來采樣網(wǎng)絡(luò)帶寬,并用自適應(yīng)的單向采樣時(shí)延測量方法從網(wǎng)絡(luò)隊(duì)列中恢復(fù),從而維持極低的隊(duì)列時(shí)延蔬将。SQP快速適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)帶寬變化,確保高帶寬利用率和低幀時(shí)延央星,并且當(dāng)存在競爭流時(shí)也能在保證可接受的時(shí)延內(nèi)擁有合理的帶寬份額霞怀。SQP有不錯(cuò)的公平性,網(wǎng)絡(luò)上有影子緩存時(shí)也工作得挺好莉给。

低延時(shí)交互流媒體應(yīng)用生成固定幀率的裸幀毙石。視頻碼率由ABR(Adaptive bitrate algorithm 碼率自適應(yīng)算法)算法決定,而ABR算法又是由CCA(Congestion control algorithm颓遏,擁塞控制算法)產(chǎn)生的信號來決定徐矩, 從而管理幀時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)擁塞州泊、帶寬利用率丧蘸。壓縮的幀通過網(wǎng)絡(luò)傳輸,然后在客戶端設(shè)備上解碼和顯示。

低時(shí)延視頻流架構(gòu):


低時(shí)延視頻流

SQP內(nèi)部架構(gòu):


SQP內(nèi)部框架

我是為低時(shí)延交互流媒體應(yīng)用設(shè)計(jì)的擁塞控制算法力喷, 比如云游戲刽漂,云VR等應(yīng)用。 這一套擁塞控制算法的目標(biāo)是: 1. 提供實(shí)時(shí)的帶寬估計(jì)弟孟,以確保盡可能大的帶寬利用率和盡可能低的端到端幀時(shí)延贝咙;2. 與其它基于網(wǎng)絡(luò)列隊(duì)的擁塞控制算法共存時(shí),也可以提供有競爭力的吞吐量拂募。

SQP算法實(shí)現(xiàn)

Feeback: 包級別的網(wǎng)絡(luò)反饋 + 幀級別的網(wǎng)絡(luò)反饋

#include "sqp_feedback_adaptor.h"

#include <algorithm>
#include <cstdlib>

#include "common/logger.h"
#include "common_time.h"
namespace BCC {
#define HISTORY_CACHE_MS 60000
#define SRTT_FACTOR 0.6

SQPFeedbackAdaptor::SQPFeedbackAdaptor() {
    int i;

    for (i = 0; i < FEEDBACK_RTT_WIN_SIZE; ++i) {
        rtts_[i] = -1;
    }

    min_feedback_rtt_ = 10;
    num_ = 0;
    index_ = 0;
    hist_ = new SQPSenderHistory(HISTORY_CACHE_MS);
}

SQPFeedbackAdaptor::~SQPFeedbackAdaptor() {
    if (hist_) {
        delete hist_;
        hist_ = nullptr;
    }

    for (auto const& pair : frame_map_) {
        delete pair.second;
    }
    frame_map_.clear();
}

void SQPFeedbackAdaptor::AddPacket(uint16_t seq, size_t size) {
    PacketFeedBackItem packet;
    packet.arrival_ts = -1;
    packet.create_ts = packet.send_ts = GET_SYS_MS();
    packet.payload_size = size;
    packet.sequence_number = seq;
    hist_->Add(&packet);
}

void SQPFeedbackAdaptor::AddFrame(uint32_t frame_idx, size_t packet_size, bool first_packet, bool last_packet) {
    FrameFeedBackItem* frame_ptr;
    int64_t now_ts = GET_SYS_MS();
    if (frame_map_.find(frame_idx) != frame_map_.end()) {
        frame_ptr = frame_map_[frame_idx];
    }
    else {
        frame_ptr = new FrameFeedBackItem();
        frame_ptr->frame_index = frame_idx;
        frame_map_[frame_idx] = frame_ptr;
    }

    frame_ptr->frame_size += packet_size;
    if (first_packet) {
        frame_ptr->send_start_ts = now_ts;
    } 

    if (last_packet) {
        frame_ptr->send_end_ts = now_ts;
        hist_->AddFrame(frame_ptr);
        delete frame_ptr;
        frame_map_.erase(frame_idx);
    }
}

int SQPFeedbackAdaptor::OnFeedback(BCC_SQP::FeedBackMsgItem* msg) {
    int32_t i = 0, feedback_rtt = 0;
    int64_t now_ts = GET_SYS_MS();
    int64_t delta_ts = 0;
    feedback_rtt = -1;
    num_ = 0;

    for (i = 0; i < msg->samples_num; i++) {
        //根據(jù)反饋的SEQ獲取對應(yīng)的報(bào)文發(fā)送信息庭猩,計(jì)算反饋RTT,更新報(bào)文到達(dá)時(shí)刻
        if (hist_->Get(msg->samples[i].seq, &packets_[num_], 1) == 0) {
            //計(jì)算反饋RTT
            if (packets_[num_].send_ts > 0) {
                feedback_rtt = (std::max)(now_ts - packets_[num_].send_ts, (int64_t)feedback_rtt);
                rtts_[index_++ % FEEDBACK_RTT_WIN_SIZE] = feedback_rtt;
                srtt_ = SRTT_FACTOR * srtt_ + (1 - SRTT_FACTOR) * feedback_rtt;
            }

            //更新到達(dá)的值
            packets_[num_].arrival_ts = msg->samples[i].ts;
            delta_ts = packets_[num_].arrival_ts - packets_[num_].send_ts;
            if (new_min_one_way_delay_ == 0 || new_min_one_way_delay_ > delta_ts) {
                new_min_one_way_delay_ = delta_ts;
            }
            num_++;

            //更新時(shí)間窗內(nèi)的最小one way delay的值
            if (now_ts - last_one_way_delay_update_ts_ > srtt_ * 2) {
                last_one_way_delay_update_ts_ = now_ts;
                min_one_way_delay_ = new_min_one_way_delay_;
                new_min_one_way_delay_ = 0;
            }

        }
    }

    frame_num_ = 0;
    for (i = 0; i < msg->frame_samples_num; i++) {
        //根據(jù)反饋的SEQ獲取對應(yīng)的報(bào)文發(fā)送信息,計(jì)算反饋RTT,更新報(bào)文到達(dá)時(shí)刻
        if (hist_->GetFrame(msg->frame_samples[i].frame_index, &frames_[frame_num_], 1) == 0) {
            //更新到達(dá)的值
            frames_[frame_num_].arrival_start_ts = msg->frame_samples[i].arrival_start_ts;
            frames_[frame_num_].arrival_end_ts = msg->frame_samples[i].arrival_end_ts;

            if (max_frame_size_ < frames_[frame_num_].frame_size) {
                max_frame_size_ = frames_[frame_num_].frame_size;
            }
            frame_num_++;
        }
    }

    //更新報(bào)文與反饋的rtt最小值
    if (feedback_rtt > 0) {
        min_feedback_rtt_ = rtts_[0];

        for (i = 1; i < FEEDBACK_RTT_WIN_SIZE; i++) {
            if (min_feedback_rtt_ > rtts_[i] && rtts_[i] > 0) {
                min_feedback_rtt_ = rtts_[i];
                LOGD("[bcc][feedback] min feed back rtt update {}", min_feedback_rtt_);
            }
        }
    }

    //進(jìn)行按到達(dá)時(shí)間的先后順序進(jìn)行排序
    FeedbackQsort();
    FrameFeedbackQsort();
    return num_;
}
}  // namespace BCC

帶寬估計(jì)和發(fā)送速率控制:

#include "sqp_congestion_control.h"
#include "common/logger.h"

namespace BCC {
        SQPCongestionControl::SQPCongestionControl(uint32_t min_bitrate, uint32_t max_bitrate) {
                min_bitrate_ = min_bitrate;
                max_bitrate_ = max_bitrate;
                bandwidth_ = min_bitrate_;
        }
    SQPCongestionControl::~SQPCongestionControl() {

        }

        void SQPCongestionControl::UpdateBandwidthEstimator(uint32_t frame_size, uint32_t max_frame_size, int64_t frame_send_start_ts,
                int64_t frame_send_end_ts, int64_t frame_recv_start_ts, int64_t frame_recv_end_ts, int32_t one_way_delay) {

                double bandwidth_sample = 0.0f;
                double gama = ((double)max_frame_size) / frame_size;
                if (frame_recv_end_ts == frame_send_start_ts && frame_recv_end_ts == frame_recv_start_ts) {
                        return;
                }
                bandwidth_sample = frame_size * 8 * gama * 1000 / (frame_recv_end_ts - frame_send_start_ts - one_way_delay + (frame_recv_end_ts - frame_recv_start_ts) * (gama - 1));
                bandwidth_sample *= T_;
                if (bandwidth_ <= 0) {
                        bandwidth_ = bandwidth_sample;
                }
                else {
                        bandwidth_ = bandwidth_ + delta_ * (r_ * (bandwidth_sample / bandwidth_ - 1) - (bandwidth_ / bandwidth_sample - 1));
                }

        
        }

        uint32_t SQPCongestionControl::ComputePacingRate() {
                return (uint32_t)(bandwidth_ * m_);
                return 0;
        }

}; 

對比實(shí)驗(yàn):

  1. 采用panthoen實(shí)驗(yàn)平臺

    1. 安裝panthoen: 以下三個(gè)主要組件

    2. Local 和 remote兩種網(wǎng)絡(luò)模式

  2. 編譯llama-sqp生成sender和receiver, 拷貝到panthoen/third_party/llama_sqp下

修改配置:

  • 生成src/wrappers/llama_sqp.py:
#!/usr/bin/env python

'''REMOVE ME: Example file to add a new congestion control scheme.

Use Python 2.7 and conform to PEP8.
Use snake_case as file name and make this file executable.
'''

from os import path
from subprocess import check_call

import arg_parser
import context

def main():
    # use 'arg_parser' to ensure a common test interface
    args = arg_parser.receiver_first()  # or 'arg_parser.sender_first()'

    # paths to the sender and receiver executables, etc.
    cc_repo = path.join(context.third_party_dir, 'llama_sqp')
    send_src = path.join(cc_repo, 'transport_sender')
    recv_src = path.join(cc_repo, 'transport_receiver')

    # [optional] dependencies of Debian packages
    if args.option == 'deps':
        print 'example_dep_1 example_dep_2'
        return

    # [optional] persistent setup that only needs to be run once
    if args.option == 'setup':
        # avoid running as root here
        return

    # [optional] non-persistent setup that should be performed on every reboot
    if args.option == 'setup_after_reboot':
        # avoid running as root here
        return

    # [required] run the first side on port 'args.port'
    if args.option == 'receiver':
        cmd = [recv_src, args.port]
        check_call(cmd)
        return

    # [required] run the other side to connect to the first side on 'args.ip'
    if args.option == 'sender':
        cmd = [send_src, args.ip, args.port]
        check_call(cmd)
        return

if __name__ == '__main__':
    main()
  • 配置src/config.yml添加llama_sqp

  • 運(yùn)行實(shí)驗(yàn):

src/experiments/setup.py --install-deps --schemes "bbr copa cubic vivace llama_bcc llama_sqp"
src/experiments/setup.py --schemes "bbr copa cubic vivace llama_bcc llama_sqp"
src/experiments/test.py local --schemes "bbr copa cubic vivace llama_bcc llama_sqp"
src/analysis/analyze.py --data-dir src/experiments/data/

實(shí)驗(yàn)報(bào)告:

  1. 本地網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn):


    算法對比

    算法對比

Llama-SQP時(shí)延最低陈症,但吞吐量只有72.3%蔼水,遠(yuǎn)沒有利用好帶寬, 待改進(jìn)录肯。

以下是詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù):


SQP詳細(xì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
  1. 遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)
最后編輯于
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