私立東海大學資訊工程研究所 - 東海大學‧資訊工程學系

Inhalt des HandbuchesDarstellungsmittelDie folgenden typografischen Merkmale und Symbole werden verwendet,um verschiedene Typen von Aussagen zu kennzeichnen:besonders wichtig Fettschrift wird im Text zur Hervorhebung verwendet.„Dienstleistungen“ Meldungen des Programmes und Bezeichnungen undTexte der Programmoberfläche sind im Text in Anführungszeichengesetzt.Achtung,Hinweis,Beispiel,Achtung kennzeichnet eine wichtige Information, diebeachtet werden muss, um störungsfrei mit dem Programmarbeiten zu können.Hinweis kennzeichnet eine Information, die nur mittelbarmit einem beschriebenen Thema im Zusammenhangsteht, für die Arbeit mit dem Programm an anderer Stelleaber so wertvoll ist, dass sie erwähnt wird.Beispiel kennzeichnet ein Anwendungsbeispiel.• Aufzählungen, Übersichten und schrittweises Vorgehenwerden durch einen dicken Punkt gekennzeichnet.9

法 提 供 時 效 與 可 靠 性 的 保 證 。 網 路 多 媒 體 影 音 串 流 傳 輸 時 使 用 TCP雖 可 保 證 完 整 送 達 , 但 遇 上 要 求 時 效 性 的 即 時 影 音 時 ( 如 視 訊 電 話 ),重 傳 過 期 的 封 包 是 無 意 義 的 ; 若 使 用 UDP 的 封 包 傳 送 資 料 , 雖 然 有利 於 整 體 傳 送 速 率 , 但 由 於 缺 少 壅 塞 控 制 的 機 制 , 封 包 發 生 遺 失 的 機率 提 高 , 傳 輸 品 質 則 可 能 降 到 使 用 者 無 法 接 受 的 程 度 。在 影 像 傳 輸 上 ,MPEG(Moving Picture Expert Group) 是 國 際 性 的 組織 , 定 義 的 MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4 為 目 前 最 普 遍 的 壓 縮 技 術之 一 。 大 致 而 言 ,MPEG 由 連 續 的 畫 面 (Frame) 組 成 , 分 為I-Frame(Intraframe) 、 P-Frame(Unidirectional Prediction Frame) 與B-Frame (Bi-directional Prediction Frame), 其 中 ,I-Frame 是 每 個 畫 面群 組 的 第 一 張 , 為 P-Frame 與 B-Frame 的 參 考 , 若 要 提 升 傳 輸 品 質 ,則 頇 確 保 I-Frame 確 實 到 達 接 收 端 。在 目 前 的 研 究 中 ,Partial-Reliable TCP(PR-TCP)[1] 是 為 選 擇 性 保證 送 達 的 機 制 , 可 以 確 保 重 要 性 較 高 的 封 包 送 達 , 又 不 會 重 傳 遺 失 的不 重 要 封 包 以 節 省 網 路 頻 寬 的 消 耗 , 並 降 低 接 收 端 的 平 均 等 待 時 間 ,然 而 此 方 法 在 Basic PR-TCP 模 式 時 , 存 在 「 連 線 異 常 中 止 問 題 」。 當Basic PR-TCP 連 續 遺 失 三 個 ( 或 以 上 ) 的 Regular 封 包 時 , 連 線 會 發 生異 常 中 止 問 題 ( 參 看 第 二 章 第 五 節 ), 造 成 後 續 封 包 的 傳 輸 停 頓 。 為 解決 此 問 題 , 本 研 究 提 出 「ChenWengYang Partial Reliable TCP(CWY2

PR-TCP)」 以 解 決 此 問 題 。本 研 究 使 用 網 路 模 擬 工 具 NS2(Network Simulator 2[3][15]) 模 擬 實際 網 路 環 境 , 並 以 EvalVid[6] 多 媒 體 品 質 評 估 工 具 進 行 封 包 丟 棄 數 、PSNR、 有 效 接 收 封 包 數 方 面 分 析 , 比 較 Basic PR-TCP 與 CWYPR-TCP 的 結 果 , 並 得 到 CWY PR-TCP 效 能 上 有 較 佳 的 表 現 , 且 沒 有「 連 線 異 常 中 止 問 題 」。 本 研 究 在 第 二 章 介 紹 影 音 串 流 與 傳 輸 層 通 訊協 定 等 相 關 研 究 ; 第 三 章 為 本 研 究 提 出 的 CWY Partial Reliable TCP;第 四 章 為 實 驗 模 擬 , 使 用 NS2 與 EvalVid 工 具 進 行 分 析 ; 第 五 章 為 結論 與 未 來 研 究 方 向 。3

第 二 章 文 獻 探 討寬 頻 應 用 發 展 迅 速 , 多 媒 體 網 路 的 服 務 品 質 要 求 越 來 越 高 , 以 影音 串 流 應 用 為 例 , 在 傳 輸 時 受 到 頻 寬 與 檔 案 壓 縮 處 理 等 因 素 , 造 成 播放 的 影 片 有 畫 面 不 流 暢 、 解 析 度 不 佳 等 問 題 , 而 在 多 媒 體 傳 輸 過 程 中 ,又 易 受 到 封 包 遺 失 或 延 遲 的 問 題 影 響 服 務 品 質 。 綜 合 以 上 , 若 要 提 升多 媒 體 傳 輸 品 質 , 需 盡 可 能 的 在 一 定 的 時 間 內 , 將 封 包 即 時 送 達 接 收端 。 本 章 節 首 先 對 串 流 技 術 與 檔 案 壓 縮 技 術 進 行 研 究 , 了 解 多 媒 體 網路 的 架 構 與 特 性 ; 再 對 多 媒 體 網 路 的 傳 輸 議 題 , 探 討 現 行 網 路 傳 輸 機制 如 :TCP、UDP, 以 找 出 更 佳 的 傳 輸 方 式 , 提 升 多 媒 體 網 路 服 務 品質 。第 一 節 串 流 介 紹因 應 網 際 網 路 時 代 的 趨 勢 , 目 前 知 名 的 軟 硬 體 公 司 都 不 斷 在 尋 找更 有 效 率 的 網 際 網 路 媒 體 傳 輸 方 法 , 並 推 出 相 關 的 串 流 產 品 , 如 :Microsoft(Windows Media Player)、RealNetworks(RealPlayer) 與 Apple(Quicktime)。 串 流 (streaming) 是 一 種 將 影 音 資 料 , 如 聲 音 、 視 訊 、 動畫 等 多 媒 體 , 於 網 路 上 連 續 傳 送 的 傳 輸 方 式 , 不 同 於 傳 統 觀 看 網 路 影音 資 料 必 頇 下 載 至 用 戶 設 備 後 才 可 播 放 , 串 流 技 術 讓 用 戶 端 (client)只 需 預 先 下 載 到 部 分 影 音 資 料 即 可 開 始 播 放 , 不 僅 節 省 了 使 用 者 在 等4

待 下 載 的 時 間 , 也 可 以 達 到 即 時 的 效 果 且 不 佔 硬 碟 空 間 , 常 見 的 串 流的 應 用 如 : 視 訊 會 議 、 線 上 教 學 、 隨 選 視 訊 、 與 即 時 線 上 轉 播 。影 音 串 流 的 運 作 包 含 :Video Producer、Video Server、Web Server、Internet 與 用 戶 端 (Client) 五 大 部 分 , 影 音 串 流 架 構 如 圖 2-1 所 示 。VideoProducer 是 多 媒 體 的 來 源 , 將 硬 體 裝 置 所 拍 攝 到 的 影 像 資 料 壓 縮 成 能在 網 路 上 傳 送 的 大 小 , 是 決 定 串 流 傳 輸 效 果 好 壞 的 因 素 之 一 。 所 得 到的 串 流 影 音 資 料 放 至 Video Server,Video Server 負 責 提 供 串 流 的 建 立 、管 理 與 傳 輸 的 服 務 ,Web Server 將 特 定 的 port 指 定 給 Video Server後 , 影 音 資 料 串 流 隨 即 送 出 , 且 利 用 相 關 的 通 訊 協 定 , 如 UDP 等 方式 , 與 用 戶 端 (Client) 端 建 立 串 流 傳 輸 , 用 戶 端 則 透 過 媒 體 播 放 器(media player) 接 收 影 音 封 包 , 進 行 解 壓 縮 及 播 放 的 動 作 , 如 此 一 來 ,用 戶 端 只 需 於 遠 端 連 結 Web Server, 即 可 觀 看 影 音 串 流 。5

圖 2-1 影 音 串 流 架 構國 內 的 電 信 服 務 廠 商 中 , 以 中 華 電 信 提 出 的 「 互 動 式 多 媒 體 隨 選服 務 」(Multimedia On Demand , MOD) 最 具 代 表 性 。MOD 使 用 現 有的 市 內 電 話 線 路 和 ADSL 或 光 纖 到 府 等 技 術 , 提 供 用 戶 透 過 電 視 螢 幕或 電 腦 享 受 高 速 上 網 和 互 動 式 多 媒 體 服 務 , 如 : 電 視 、 遊 戲 、 音 樂 、網 路 、 電 影 、 遠 距 教 學 、 視 訊 會 議 、 隨 選 視 訊 (Video On Demand , VOD)、電 子 商 務 等 服 務 。 MOD 使 用 ATM 寬 頻 網 路 架 構 , 每 個 頻 道 使 用 3至 4 Mbps 的 頻 寬 , 透 過 訊 號 的 壓 縮 和 解 壓 縮 , 提 供 DVD 等 級 的 影視 服 務 [2], 中 華 電 信 MOD 的 系 統 架 構 可 分 為 網 路 通 訊 協 定 及 其 網 路元 件 和 視 訊 伺 服 器 (Video Server)。MOD 提 供 的 功 能 模 組 則 可 區 分 為 :視 訊 伺 服 系 統 (Video Servers)、 視 訊 服 務 管 理 系 統 (Video ServerManager )、 入 口 伺 服 系 統 ( MOD Portal )、 應 用 服 務 伺 服 系 統6

(Application Servers)、MOD 系 統 服 務 管 理 元 件 (Service ManagementSystem,SMS)、 數 位 媒 體 安 全 系 統 (Digital Rights Management,DRM)[2], 分 別 提 供 數 位 內 容 的 管 理 分 配 、 網 路 管 理 與 監 控 等 功 能 。7

第 二 節 視 訊 多 媒 體 壓 縮 與 傳 輸 議 題由 前 一 章 節 得 知 , 影 音 串 流 傳 輸 時 必 頇 先 將 多 媒 體 資 料 進 行 壓 縮 ,以 提 升 傳 輸 效 率 。 以 一 張 解 析 度 200 章 節 得 知 的 彩 色 影 像 為 例 , 其 中含 有 40,000 個 像 素 (pixel), 每 個 像 素 由 紅 (R)、 藍 (B)、 綠 (G) 三 原 色 組成 , 每 個 顏 色 又 需 要 8 個 位 元 (bit) 記 錄 256 個 色 階 , 共 24bits, 因 此需 要 約 0.12Mbytes 的 容 量 記 錄 原 始 的 影 像 。 視 訊 是 由 一 張 張 連 續 的影 像 組 成 的 , 通 常 一 段 視 訊 每 秒 包 含 24 至 30 張 影 像 , 若 在 網 路 傳 輸上 述 影 像 組 成 的 視 訊 資 料 , 其 每 秒 的 資 料 量 至 少 為 0.12Mbytes 上 述影 像 組 成 的 視 訊 資 料 , 其 每 秒 的 , 資 料 量 大 幅 提 升 , 更 何 況 目 前 高 解析 度 (High Definition) 畫 質 的 影 像 , 所 需 要 的 儲 存 容 量 更 加 龐 大 , 傳 輸的 時 間 延 長 , 因 此 多 媒 體 的 資 料 壓 縮 是 很 重 要 的 議 題 。視 訊 序 列 由 畫 面 (Frame) 組 成 , 連 續 的 Frame 之 間 有 很 大 的 相 似 度 ,在 此 稱 之 為 時 間 重 複 (temporal redundancy), 而 在 同 一 張 畫 面 中 , 相 鄰的 像 素 值 比 較 接 近 的 特 性 , 稱 之 為 空 間 重 複 (spatial redundancy), 影像 壓 縮 的 目 的 就 是 要 將 相 似 重 複 的 資 訊 去 除 , 在 人 眼 無 法 察 覺 失 真 的情 況 下 , 將 視 訊 等 多 媒 體 資 料 有 效 的 儲 存 , 以 增 加 傳 輸 效 率 。在 現 行 的 壓 縮 編 碼 技 術 中 ,MPEG 為 最 普 遍 的 視 訊 壓 縮 的 標 準 之一 , 至 今 已 制 定 了 MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4 等 多 個 標 準 。MPEG編 碼 時 產 出 三 種 不 同 類 型 的 Frame:I-Frame、P-Frame、B-Frame。8

個 階 段 [5] [8]:(1) Slow Start: 由 於 TCP 傳 送 端 無 法 得 知 網 路 資 源 的 使 用 情 形 , 因 此新 建 立 的 TCP 連 線 需 逐 步 的 增 加 資 料 發 送 量 , 以 壅 塞 視 窗(congestion window, cwnd) 為 單 位 , 每 收 到 一 個 接 收 端 的 確 認 訊 息 ,cwnd 值 加 一 ( 如 圖 2-3), 在 slow start 的 階 段 ,cwnd 呈 現 指 數 成 長以 快 速 找 到 適 當 的 發 送 速 率 , 並 以 封 包 發 生 遺 失 時 的 cwnd 為 門 檻值 (slow start threshold, ssthresh)。senderreceivercwnd=1cwnd=2cwnd=4圖 2-3 Slow Start(2) Congestion Avoidance: 當 cwnd 值 大 於 門 檻 值 (ssthresh) 時 , 進 入Congestion Avoidance 的 階 段 , 此 時 傳 送 端 每 收 到 一 個 確 認 訊 息 時 ,11

表 2-1 TCP 與 UDP 比 較 表服 務 項 目通 訊 協 定TCPUDP連 線 服 務 連 接 導 向 非 連 接 導 向可 靠 性 服 務確 保 傳 送 的 資 料 無 誤不 重 傳 過 期 的 封 包 , 缺的 到 達 接 收 端 , 具 可 靠 乏 可 靠 性性其 他具 壅 塞 控 制 、 流 量 控 制 無應 用 E-mail 、 檔 案 傳 輸 、 網 路 電 話 、HTTP StreamingRTP Streaming在 現 行 的 串 流 技 術 中 , 有 一 類 的 技 術 是 利 用 標 準 的 網 頁 伺 服 器(Web server) 將 多 媒 體 資 料 送 到 使 用 者 的 播 放 器 上 播 放 。 因 為 標 準 的網 頁 伺 服 器 使 用 HTTP (Hyper Text Transfer Protocol) 通 訊 協 定 , 此 種 方式 又 稱 為 HTTP Streaming, 其 傳 輸 層 使 用 TCP 通 訊 協 定 , 一 旦 發 生 傳輸 資 料 遺 失 時 會 要 求 重 傳 , 再 者 TCP 壅 塞 控 制 機 制 調 整 傳 輸 速 度 , 造成 的 延 遲 抖 動 (jitter), 也 影 響 網 路 服 務 品 質 。 另 一 類 的 串 流 技 術 RTPStreaming 則 是 直 接 將 多 媒 體 資 料 送 到 使 用 者 的 播 放 器 上 播 放 , 使 用RTP(Real Time Protocol) 通 訊 協 定 , 其 傳 輸 層 使 用 UDP(User DataProtocol)。UDP 在 資 料 遞 送 方 面 , 比 TCP 快 速 且 有 效 率 , 可 避 免 延 遲13

現 象 , 但 由 於 UDP 缺 乏 可 靠 性 傳 輸 的 機 制 , 常 因 為 過 多 的 資 料 遺 失 ,降 低 網 路 服 務 品 質 。 以 中 華 電 信 的 MOD 系 統 為 例 , 大 部 分 的 服 務 都是 採 用 定 時 發 送 封 包 給 用 戶 , 不 需 經 過 確 認 是 否 有 收 到 封 包 或 是 遺 失 ,只 要 定 時 傳 送 封 包 即 可 , 因 此 大 部 分 的 服 務 都 是 走 UDP 協 定 [4]。 只有 需 要 確 認 的 部 分 才 是 走 TCP 協 定 [4], 例 如 播 放 控 制 指 令 的 暫 停 、 快轉 、 倒 退 等 。然 而 , 一 旦 網 路 資 源 不 足 而 發 生 壅 塞 情 形 時 , 封 包 遺 失 將 影 響 多媒 體 網 路 傳 輸 品 質 , 在 第 二 節 中 得 知 , 影 音 串 流 壓 縮 編 碼 的 過 程 裡 ,不 同 的 Frame 具 有 不 同 的 重 要 性 , 其 中 I-Frame 的 重 要 性 比 P-Frame與 B-Frame 還 高 , 在 現 行 的 研 究 中 ,Basic Partial Reliable TCP[1] 使 用選 擇 性 重 傳 的 機 制 , 可 依 照 應 用 程 式 的 需 求 對 重 要 的 封 包 ( 如 :I-Frame)提 供 遞 送 服 務 的 保 證 , 以 達 到 節 省 網 路 資 源 消 耗 並 提 升 服 務 品 質 的 目標 , 下 一 小 節 介 紹 Basic Partial Reliable TCP 的 相 關 研 究 。14

表 2-2 不 同 保 護 等 級 遺 失 處 理 機 制保 護 等 級 傳 送 端 接 收 端Regular do not retransmit do not waitCertifiedif (RL!=0){retransmit ;RL --;};Wait untilmessageis receivedRegistered retransmit waitBasic PR-TCP 的 壅 塞 控 制 分 為 三 個 狀 態 : Slow Start(SS) 、Congestion Avoidance(CA) 與Fast Selective Retransmit and FastRecovery(FF)。 在 SS 狀 態 時 cwnd < ssthresh,cwnd 大 小 以 加 倍 的 方式 增 加 速 率 , 直 到 遺 失 的 產 生 ; 當 cwnd ≥ ssthresh, 進 入 CA 狀 態 ,執 行 cwnd 線 性 成 長 的 機 制 ; 當 封 包 遺 失 時 , 進 入 FF 狀 態 , 降 低 傳送 速 度 , 重 傳 指 定 的 封 包 。Basic PR-TCP 壅 塞 控 制 機 制 在 FF 階 段 若是 非 Regular 的 封 包 遺 失 時 ,cwnd 值 會 減 半 再 以 線 性 方 式 成 長 , 這 是與 TCP 不 同 的 地 方 。 藉 由 Basic PR-TCP 的 壅 塞 控 制 , 可 有 效 的 根 據網 路 的 狀 況 調 節 傳 送 速 度 , 不 致 加 重 網 路 壅 塞 狀 況 ,Basic PR-TCP的 state diagram 可 參 照 圖 2-4, 並 以 虛 擬 碼 表 示 如 下 :16

BEGIN Procedure of ACKarrivalIF packet loss THENNewcwnd=(1/2)*cwndIF Pt=Regular THENcwnd=Newcwnd+1ELSEIF Pt=Certified THENcwnd=Newcwnd+1;IF RL=0 THENtransmission stop;ELSERL-- ,retransmit packetELSEretransmit lost packet;ELSEupdate cwnd;remove ack;transmit next packet;END ACKarrivalTimeoutnew ACKSSnew ACKTimeoutcwnd>=ssthreshTimeoutnon-Regular packet lossCA3 duplicate ACK / packet lossFFnew ACK / Regular packet loss/Certified RL=0圖 2-4 Basic PR-TCP 的 state diagram17

第 五 節 連 線 異 常 中 止 問 題Basic PR-TCP 提 供 具 彈 性 的 封 包 重 傳 機 制 , 當 網 路 負 載 低 時 BasicPR-TCP 能 增 進 網 路 的 效 能 並 提 升 傳 輸 品 質 ; 然 而 , 一 旦 網 路 負 載 升高 造 成 封 包 遺 失 率 過 高 時 , 將 發 生 連 線 異 常 中 止 的 現 象 , 隨 後 的 封 包無 法 收 到 。 本 研 究 將 此 現 象 稱 為 連 線 異 常 中 止 問 題 , 以 下 對 此 問 題 的發 生 原 因 進 行 分 析 :表 2-3 封 包 順 序封 包 編 號 1 2 3 4 5保 護 等 級 r a a a r表 2-4 接 收 端 保 護 等 級封 包 編 號 1 2 3 4 5保 護 等 級 r xxxr(a)(a)假 設 傳 送 端 現 有 5 個 封 包 等 待 傳 輸 , 其 保 護 等 級 如 表 2-3 所 示 (r代 表 為 保 護 等 級 為 Registered;a 代 表 Regular)。 在 傳 輸 過 程 中 , 以 上封 包 因 網 路 壅 塞 發 生 遺 失 , 由 於 第 1 與 第 5 個 封 包 保 護 等 級 為Registered, 在 等 待 回 應 時 間 內 未 收 到 接 收 端 的 確 認 訊 息 , 故 自 動 重傳 ; 而 第 2、3、4 個 封 包 為 Regular, 並 無 重 傳 的 機 制 。 接 收 端 由 第18

1 個 封 包 標 頭 裡 的 Npt 可 以 推 算 出 第 2 個 封 包 是 Regular, 由 第 5 個封 包 標 頭 裡 的 Bpt 可 以 推 出 第 4 個 封 包 是 Regular, 如 此 一 來 接 收 端中 得 到 的 保 護 等 級 訊 息 如 表 2-4 所 示 (x 代 表 未 知 的 保 護 等 級 )。由 表 2-5 發 現 由 於 第 3 個 封 包 保 護 等 級 為 Regular 並 無 重 傳 機 制 ,且 又 因 第 2、4 個 封 包 不 重 傳 , 故 第 3 個 封 包 也 無 法 從 第 2 個 封 包 的Npt、 第 4 個 封 包 的 Bpt 得 知 其 等 級 。 因 此 , 接 收 端 永 不 可 能 知 道 第3 個 封 包 的 等 級 , 接 收 端 的 視 窗 (window) 左 端 停 在 第 3 個 封 包 , 無 法前 進 。 換 言 之 , 每 當 遇 上 連 續 三 個 ( 或 以 上 ) 的 Regular 封 包 遺 失 , 連線 將 發 生 異 常 中 止 , 導 致 停 頓 的 現 象 降 低 網 路 服 務 品 質 , 此 連 線 異 常中 止 現 象 可 參 照 第 四 章 實 驗 一 。19

第 三 章 CWY Partial Reliable TCP本 研 究 基 於 影 音 串 流 傳 輸 的 環 境 下 , 對 Basic PR-TCP 的 連 線 異 常中 止 問 題 提 出 解 決 方 法 , 即 是 ChenWengYang Partial Reliable TCP。第 一 節 CWY Partial Reliable TCPCWY Partial Reliable TCP( 以 下 簡 稱 CWY PR-TCP) 基 於 BasicPR-TCP 架 構 做 修 改 , 可 以 解 決 連 線 異 常 中 止 問 題 。CWY PR-TCP 定義 兩 種 封 包 保 護 等 級 :Regular 與 Registered。Regular 是 一 般 性 的 封包 , 不 提 供 遞 送 保 證 , 而 Registered 是 重 要 的 封 包 , 提 供 遞 送 保 證 ( 參考 表 3-1), 並 於 封 包 標 頭 中 新 增 欄 位 VideoID, 用 以 紀 錄 Frame 的 編號 , 提 供 給 接 收 端 參 考 封 包 順 序 。表 3- 1 CWY PR-TCP 封 包 遺 失 處 理 機 制保 護 等 級 傳 送 端 接 收 端Regular 不 使 用 重 傳 機 制 不 等 待Registered 使 用 重 傳 機 制 等 待 接 收 正 確 的 封 包20

填 入 VideoIDYESTCP是 否 為Registered 封 包NOUDPYES送 出是 否 為Registered 封 包傳 送 端接 收 端NO進 行 TCP 處 理進 行 UDP 處 理依 VideoID 順 序 播 放圖 3-1 CWY PR-TCP 整 體 流 程 圖CWY PR-TCP 之 流 程 圖 如 圖 3-1 所 示 , 當 傳 送 端 由 上 層 收 到 影 音封 包 時 , 首 先 依 照 Frame 順 序 將 VideoID 填 入 封 包 標 頭 欄 位 , 接 著 檢查 封 包 的 保 護 等 級 , 若 保 護 等 級 是 Registered, 則 以 TCP 方 式 傳 送 ;若 為 Regular, 則 以 UDP 方 式 傳 送 , 其 中 只 有 Register 封 包 採 用 壅 塞控 制 機 制 。 當 接 收 端 接 收 到 封 包 後 , 首 先 根 據 封 包 的 保 護 等 級 進 行 壅塞 控 制 與 封 包 遺 失 處 理 機 制 , 再 將 封 包 以 VideoID 順 序 於 接 收 端 播放 。21

第 二 節 CWY PR-TCP 與 Basic PR-TCP 的 比 較在 Basic PR-TCP 中 , 所 有 的 封 包 均 使 用 sequence number 作 編 號 ,當 發 生 連 線 異 常 中 止 問 題 時 , 接 收 端 無 法 判 斷 當 前 封 包 的 保 護 等 級 且無 法 接 收 到 該 sequence number 的 封 包 導 致 視 窗 停 止 滑 動 , 網 路 連 線停 頓 。CWY PR-TCP 以 「 混 合 TCP 與 UDP」 方 式 ,Registered 封 包選 擇 使 用 TCP 傳 輸 , 有 sequence number;Regular 選 擇 使 用 UDP 傳輸 , 沒 有 sequence number; 在 接 收 依 據 上 CWY PR-TCP 使 用 自 定 義的 VideoID, 接 收 端 依 據 VideoID 順 序 播 放 影 片 , 逾 時 的 封 包 則 自 動忽 略 , 此 項 機 制 與 Basic PR-TCP 相 比 , 一 旦 遇 上 連 續 三 個 ( 或 以 上 )封 包 遺 失 時 ,CWY PR-TCP 的 接 收 端 不 需 得 知 封 包 保 護 等 級 , 因 此不 會 有 連 線 異 常 中 止 問 題 。Basic PR-TCP 與 CWY PR-TCP 兩 者 差 異的 比 較 如 表 3-2 所 示 。22

表 3- 2 Basic PR-TCP 與 CWY PR-TCP 之 比 較 表傳 輸 方 法Basic PR-TCPCWY PR-TCP項 目傳 輸 方 式 TCP TCP 與 UDP接 收 端 接 收 依 據 sequence number VideoID接 收 端 是 否 需 要 得 知前 後 封 包 的 保 護 等 級連 續 3 個 以 上 Regular封 包 遺 失需 要無 法 偵 測 Regular封 包 遺 失不 需 要可 自 動 忽 略 Regular封 包 遺 失23

第 四 章 模 擬 實 驗 與 分 析本 章 節 對 Basic PR-TCP 的 連 線 異 常 中 止 問 題 進 行 模 擬 並 與 CWYPR-TCP 做 比 較 , 觀 察 網 路 效 能 服 務 品 質 的 影 響 。第 一 節 模 擬 環 境本 研 究 使 用 NS2(Network Simulator 2)[3][15] 與 EvalVid[6][7][13]模 擬 傳 輸 影 音 串 流 的 環 境 , 以 觀 察 網 路 服 務 的 品 質 。NS2 是 一 套 用 來模 擬 網 路 運 作 的 軟 體 。 內 建 了 現 行 網 際 網 路 通 訊 協 定 (TCP、UDP 等 )環 境 , 可 依 據 需 要 的 網 路 狀 況 , 製 作 各 種 拓 撲 , 並 設 定 相 關 參 數 提 供使 用 者 進 行 分 析 。EvalVid 則 為 一 套 多 媒 體 評 估 工 具 , 並 以 視 覺 化 的方 式 提 供 使 用 者 比 較 影 像 傳 輸 品 質 之 優 劣 。 其 架 構 如 圖 4-1 所 示 , 影像 原 始 資 料 格 式 為 YUV, 首 先 使 用 EvalVid 轉 碼 工 具 將 其 轉 成 MP4格 式 後 執 行 影 像 分 析 程 式 (mp4trace), 將 MP4 每 一 個 Frame 的 相 關 資訊 擷 取 出 來 , 生 成 traffic trace 檔 。traffic trace 檔 紀 錄 了 影 像 中 所 有Frame 的 播 放 時 間 、 大 小 與 順 序 。NS2 匯 入 該 檔 案 並 進 行 網 路 模 擬 後 ,會 生 成 傳 送 端 與 接 收 端 的 traffic trace files, 紀 錄 了 兩 端 影 音 封 包 傳 送與 接 收 時 的 封 包 ID、 大 小 與 時 間 。影 像 修 補 模 組 將 traffic trace files 與 傳 送 端 、 接 收 端 的 traffic tracefiles 比 對 , 重 建 MP4 影 片 , 此 影 片 為 網 路 模 擬 下 生 成 的 結 果 。 影 像修 補 模 組 將 影 片 轉 回 YUV 格 式 後 , 對 照 原 影 片 與 重 建 影 片 , 便 可 分24

析 獲 得 重 建 影 片 的 PSNR 值 ; 本 實 驗 使 用 的 模 擬 影 片 為 foreman 1 。source編 碼 影 像 傳 輸NS2 影 像 解 碼 使 用 者trace分 析 記 錄 檔traceReconstructed erroneous videoResult影 像 修 補Source VideoPSNRMOS 模 組圖 4-1 EvalVid 架 構 圖1來 源 http://trace.eas.asu.edu/yuv/index.html25

第 二 節 Basic PR-TCP 連 線 異 常 中 止 問 題使 用 Basic PR-TCP 或 UDP 於 一 網 路 壅 塞 環 境 下 進 行 模 擬 實 驗 ( 圖4-2 為 網 路 拓 樸 ; 表 4-1 為 環 境 參 數 ), 觀 察 連 線 異 常 中 止 問 題 的 影 響 ,其 中 UDP 為 對 照 組 。圖 4-2 拓 樸 環 境表 4- 1 環 境 參 數傳 輸 通 訊 協 定UDP、Basic PR-TCP傳 輸 頻 寬 設 定 S-R1、R3-D :10Mbps, Delay 1msQueue: 10BottleneckR1-R2-R3:5Mbps, Delay 1msQueue: 10封 包 等 級 設 定I-Frame 為 Registered, 其 他 為 Regular原 始 影 片 foreman 應 傳 送 659 個 封 包 , 由 圖 4-3 發 現 , 在 0.6 至 1秒 間 , 由 於 Frame 36-38 遺 失 ,Basic PR-TCP 連 線 中 止 傳 送 , 而 此 三個 封 包 的 保 護 等 級 為 Regular。 在 PSNR 值 表 現 方 面 , 如 圖 4-4 所 示 ,因 為 連 線 異 常 中 止 問 題 ,Basic PR-TCP 的 PSNR 為 15, 比 使 用 UDP26

ID連 線 時 的 PSNR34.8 降 低 50%。影片圖 4-3 UDP 與 Basic PR-TCP 封 包 傳 送 時 間 圖圖 4-4 PSNR 值 比 較27

第 三 節 效 能 與 傳 輸 品 質 比 較圖 4-5 網 路 拓 樸表 4-2 環 境 參 數傳 輸 通 訊 協 定UDP、Basic PR-TCP、CWY PR-TCP傳 輸 頻 寬 設 定 S-R1、R3-D :10Mbps, Delay 1msQueue: 3BottleneckR1-R2-R3:5Mbps, Delay 1msQueue: 3封 包 等 級 設 定I-Frame 為 Registered, 其 餘 為Regular此 實 驗 使 用 Basic PR-TCP、UDP 或 CWY PR-TCP 架 構 模 擬 影 音串 流 傳 輸 , 其 目 標 有 二 個 :(1) 觀 察 連 線 異 常 中 止 問 題 ;(2) 比 較 CWYPR-TCP 與 PR-TCP 的 傳 輸 品 質 。 圖 4-5 與 表 4-2 為 此 實 驗 的 網 路 拓樸 與 環 境 參 數 。28

由 圖 4-6 的 實 驗 結 果 得 知 Basic PR-TCP 因 為 連 線 異 常 中 止 問 題 ,只 收 到 22 個 封 包 ;UDP 與 CWY PR-TCP 皆 成 功 傳 輸 了 657 個 封 包 ,CWY PR-TCP 解 決 了 連 線 異 常 中 止 的 問 題 , 接 收 了 591 個 封 包 , 遠高 於 UDP(405 個 封 包 ); 圖 4-7 為 沒 有 使 用 網 路 傳 輸 的 原 始 畫 面 , 由圖 4-8、4-9、4-10、4-11 所 示 ,CWY PR-TCP 在 PSNR 值 與 畫 質 有較 佳 的 表 現 ; 其 中 , 圖 4-10 中 Basic PR-TCP 因 為 連 線 異 常 中 止 問 題 ,造 成 畫 面 停 格 , 在 此 次 實 驗 ,CWY PR-TCP 提 供 多 媒 體 網 路 較 佳 的服 務 品 質 。圖 4-6 封 包 接 收 與 丟 棄 數 比 較 圖29

圖 4-7 原 始 畫 面 (foreman)圖 4-8 PSNR 值 比 較30

圖 4-9 使 用 UDP 傳 輸 影 像圖 4-10 Basic PR-TCP 傳 送 影 像 結 果31

圖 4-11 CWY PR-TCP 傳 送 影 像 結 果32

第 四 節 背 景 干 擾 實 驗本 實 驗 目 的 為 測 試 Basic PR-TCP、UDP 或 CWY PR-TCP 在 不 同 背景 傳 輸 量 的 干 擾 下 , 其 傳 輸 效 能 之 差 異 ;UDP 與 Basic PR-TCP 為 對照 組 , 網 路 拓 樸 與 環 境 參 數 如 圖 4-12 與 表 4-3 所 示 。圖 4-12 網 路 拓 樸表 4-3 環 境 參 數傳 輸 通 訊 協 定UDP、Basic PR-TCP、CWY PR-TCP傳 輸 頻 寬 設 定 S-R1、R3-D :10Mbps, Delay 1msQueue: 3BottleneckR1-R2-R3:1Mbps, Delay 1msQueue: 3封 包 等 級 設 定背 景 傳 輸 干 擾I-Frame 為 Registered 其 他 為 RegularR1-R2-R3:200、400、600、800kbps33

亦 為 14 左 右 , 遠 低 於 CWY PR-TCP 的 傳 輸 方 式 , 如 圖 4-15 顯 示 。綜 合 以 上 ,CWY PR-TCP 在 背 景 傳 輸 干 擾 環 境 下 , 可 提 供 多 媒 體 網路 較 佳 的 服 務 品 質 。700600500400CWY PR-TCPBasic PR-TCPUDP30020010000.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8圖 4-13 封 包 Drop 數 的 比 較 圖 (X:Burst Mbps、Y: 封 包 數 )600500400300200100CWY PR-TCPBasic PR-TCPUDP00.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8圖 4-14 Good Throughput 比 較 圖 (X:Burst Mbps、Y: 封 包 數 )35

343128252219CWY PR-TCPBasic PR-TCPUDP1613100.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8圖 4-15 PSNR 的 比 較 圖 (X:Burst Mbps、Y:PSNR 值 )36

第 五 章 結 論 與 建 議本 研 究 以 影 音 串 流 環 境 為 例 , 探 討 如 何 提 升 多 媒 體 網 路 的 服 務 品質 。 現 行 的 傳 輸 層 通 訊 方 法 中 ,Basic PR-TCP 提 供 具 有 彈 性 的 選 擇 性重 傳 機 制 , 將 封 包 分 成 了 不 同 的 保 護 等 級 , 以 確 保 重 要 的 封 包 保 證 送達 ; 然 而 ,Basic PR-TCP 存 在 連 線 中 止 異 常 問 題 , 當 有 連 續 三 個 ( 或以 上 ) 的 Regular 封 包 遺 失 時 , 連 線 會 發 生 異 常 , 造 成 後 續 封 包 的 傳 輸停 頓 。 本 研 究 為 了 解 決 此 問 題 提 出 了 「CWY PR-TCP」。CWY PR-TCP 以 選 擇 性 重 傳 的 方 式 , 對 重 要 的 封 包 進 行 保 護 , 確保 重 要 的 封 包 如 I-Frame 到 達 接 收 端 , 大 幅 提 升 多 媒 體 網 路 應 用 的 服務 品 質 ; 在 CWY PR-TCP 架 構 上 , 與 Basic PR-TCP 相 比 減 少 了 額 外的 封 包 標 頭 欄 位 , 只 使 用 了 VideoID 進 行 影 音 封 包 的 編 號 , 降 低 處 理封 包 時 的 overhead, 也 增 進 傳 輸 的 效 能 , 使 得 觀 看 影 音 串 流 時 不 再 受到 連 線 異 常 中 止 問 題 的 影 響 , 而 出 現 畫 面 停 頓 的 狀 況 。TCP 原 是 基 於 有 線 網 路 的 環 境 設 計 的 , 在 有 線 網 路 的 環 境 下 , 位元 錯 誤 率 (bit error rate, BER) 可 視 為 忽 略 , 而 壅 塞 控 制 是 影 響 網 路 效 能的 主 要 因 素 [12], 然 而 目 前 網 路 環 境 已 進 步 到 無 線 網 路 與 有 線 網 路 混合 的 異 質 型 架 構 (heterogeneous network), 使 用 影 音 應 用 的 服 務 也 更 加普 遍 , 原 始 的 TCP/IP 架 構 面 臨 新 的 挑 戰 ,TCP 的 效 能 勢 必 會 受 到 影響 。 因 此 未 來 研 究 上 , 建 議 朝 向 無 線 網 路 環 境 發 展 , 觀 察 在 不 同 的 網37

路 環 境 ,TCP 效 能 的 變 化 , 或 朝 向 不 同 的 TCP 版 本 下 , 壅 塞 控 制 對整 體 網 路 效 能 的 影 響 。 並 對 實 驗 中 的 環 境 參 數 如 :GOP 中 各 種 畫 面的 比 例 問 題 、 佇 列 大 小 、 頻 寬 等 因 素 建 立 數 學 模 型 , 以 得 到 更 佳 的 多媒 體 網 路 服 務 品 質 。38

參 考 文 獻[1] 吳 明 翰 ,” 選 擇 性 保 證 封 包 到 達 之 通 訊 協 定 設 計 ”, 政 治 大 學 資 訊科 學 系 碩 士 論 文 ,2007。[2] 周 素 素 ,” 改 善 中 華 電 信 MOD 之 網 路 效 能 ”, 中 興 大 學 資 訊 科 學系 碩 士 論 文 ,2004。[3] 柯 志 亨 等 , 計 算 機 網 路 實 驗 , 學 貫 行 銷 股 份 有 限 公 司 ,2007。[4] 孫 雅 玟 等 , 網 路 媒 體 資 訊 與 OSI 七 層 應 用 -- 以 MOD 示 範 , 來 源 :http://life.iiietc.ncu.edu.tw/xms/content/show.php?id=9623, 上 網 日 期 :2010/07/18。[5] Allman, M., Paxson ,V. and Stevens, W., ”TCP Congestion Control,”IETF RFC 2581, April 1999.[6] Ke, Chih-Heng, ”How to evaluate MPEG video transmission usingthe NS2 simulator? , ” retrieved from:http://hpds.ee.ncku.edu.tw/~smallko/ns2/Evalvid_in_NS2.html, date :2009/11/08[7] Klaue, J., Rathke, B. and Wolisz, A.,“EvalVid - A Framework forVideo Transmission and Quality Evaluation,” Proc. of the 13thInternational Conference on Modeling Techniques and Tools forComputer Performance Evaluation, pp. 255-272, Sep. 2003.[8] Kurose, J.F. and Ross, K.W. Computer Networking, 3th ed.,Addison-Wesley Longman, 2005.39

[9] MPEG Home Page, retrieved: http://www.chiariglione.org/mpeg/,date : 2009/12/23.[10] Postel, J., “User Datagram Protocol,” IETF RFC 768, 1981.[11] Postel, J., “Transmission Control Protocol,” IETF RFC 793, 1981.[12] Tian, Y., Xu, K., and Ansari, N. “TCP in Wireless Environments:Problems and Solutions” IEEE Radio Communications, Vol. 43 Issue3, pp. 27-32, March 2005.[13] Yu, C.Y., Ke, C.H., Shieh,C.K. and Chilamkurti, N., “MyEvalvid-NT- A Simulation Tool-set for Video Transmission and QualityEvaluation,” TENCON 2006, pp. 1-4, Nov. 2006.[14] ”Telecommunication Standardization Sector(ITU-T), ” retrieved from:http://www.itu.int/ITU-T/, date : 2009/11/08.[15] ”The Network Simulator,” retrieved from :http://www.isi.edu/nsnam/ns, date: 2009/11/08.40