具体实施方式

为解决背景技术中提出的问题，本发明基于异构无线网络终端提供了一种针对在线视频流点播的最小资费MPQUIC数据包优化方法和系统。为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现参照附图对本发明提出的方法和系统进一步详细说明。

图1展示了多路径传输控制协议(MPQUIC)的基本架构图。

步骤101：应用层将要经过网络发送的视频数据准备为数据块，放在缓存区中。并通知传输层数据块的边界大小。

步骤102：MPQUIC在发送端与接收端建立网络连接，建立时先通过一条路径建立连接，并通知接收方自己还有其它可以建立连接的链路。

步骤103：MPQUIC从套接字接收到应用传来的数据块后，将其分割为多个网络数据包进行传输。调度器将根据步骤102中建立的网络连接的属性，和调度器自身的优化策略决定将数据块中的数据包以何种顺序、何种分配方式下发到不同的传输路径当中。

步骤104：在各条子路径获取到数据包后，将直接进行发送。每条路径有自己的路径ID，来标识数据传输路径。每条路径记录自己的RTT、丢包率、数据包编号等信息。

步骤105：每条子路径的数据包，将交给传输层的UDP(User Datagram Protocol)协议进行传输。UDP是一种无连接的传输层协议。只负责发送数据包，而数据包的ACK应答、流量控制、拥塞管理等功能将由MPQUIC协议完成。

图2展示了在线视频流播放器进度池模型。在本模型中，将视频播放类比为一个下端不断消耗数据，上端不断注入新数据的进度池模型。

对于视频在线点播这一场景，一个完整的视频将被服务器方拆分为大小不同的视频块，每个视频块可以播放一段时间。这里我们将视频块称为数据块。在用户观看视频时，实际上是在不断地消耗数据块的过程。而网络则是不断缓冲数据块的过程。

步骤201：视频播放器不断通过网络接收新的数据内容，当能将其组装为一个完整的数据块时，表示本数据块缓存完成，可以被用来播放视频。

步骤202：用户观看视频时，消耗当前的数据块。当前正在使用的数据块被消耗完时，播放器立刻开始消耗下一个数据块。

因此，用户观看在线视频播放无卡顿的条件是：在当前视频块被消耗完前，必须缓存好下一个视频块。

图3展示了本发明的拥有异构无线网络终端的最小资费MPQUIC调度器(MinimalCharge MPQUIC Scheduler,MCMS)双子路径对传模型。

本发明首先分析了调度器对流量资费的影响情况，因为调度器决定了不同子路径的数据流量用度。假设WiFi的流量资费为cost_WiFi，而蜂窝网络的流量资费为cost_cellular。将每个数据块的传输过程定义为一轮传输。在每轮传输中，假设消耗WiFi的流量为flow_WiFi，而消耗蜂窝网络的流量为flow_cellular。可以推出，每轮进行数据传输的总费用为：

cost_total＝cost_WiFi×flow_WiFi+cost_cellular×flow_cellular (1)

一般而言，蜂窝网络的流量传输费用显著高于WiFi。由公式(1)可知，减少流量费用的基本思想就是：在满足数据传输的要求的前提下，尽量使用WiFi进行传输，减少蜂窝网络的数据流量用度。

步骤301：以配备WiFi和蜂窝网络接口的终端为例建立双子路径，假设MPQUIC协议已经建立好网络连接，Path A是WiFi网络接口建立的子路径，Path B是蜂窝数据接口建立的子路径。在上层准备好数据块后，并告知MCMS数据块的边界，数据块被MPQUIC分割为许多数据包。MCMS将Path A的起始发送指针放在数据块首部，按照数据包编号升序的顺序发送；将Path B的发送指针放在数据块尾部，按照数据包编号降序的顺序进行发送。可以看出，两条子路径的发送方向是相反的，这种传输方式称为“对向传输”。这种方式可以有效地在网络波动时保证数据传输的稳定性，将在步骤501和502中进一步说明。

步骤302：根据当前两条子路径的链路状态，MCMS将计算最佳的数据包分割点标记为T点。T点为由MCMS根据当前的网络状态计算得来的WiFi路径所能传输的数据包数量，将在步骤401到404中进一步说明。Path A发送其起始指针到T点的数据包。Path B发送剩余的数据包。根据公式(1)，其传输目标是尽可能多的利用WiFi传输数据，当WiFi不足以在有限的时间内传输当前的数据块时(图中表示为T点之后的数据包)，将无法完成的部分交由蜂窝网络进行传输。这样既保证了传输质量，又减少了流量传输的资费。

步骤303：冗余发送。步骤302中的T点将根据网络链路情况动态调整。但在无线异构网络中，其网络环境是多变且不稳定的。因此，本发明引入了“冗余发送”的方式。即在Path B传输到T点后，将继续发送到R点。T点到R点的数据也在Path A上进行发送，因此称为“冗余发送”。接收方收到T点到R点的数据时，不论是从哪条子路径上收到的，只会保留最初收到的数据，并丢弃冗余的数据。R点由MCMS根据当前的网络状态计算得来。“冗余发送”保证在网络条件不断变化时，数据块传输可以在规定时间内完成，以少量合理的冗余数据换取数据缓冲的稳定性，为用户提供良好的网络体验。将在步骤501和502中说明。

本发明的最小资费MPQUIC调度器调度方法采用两条路径Path A与Path B同时发送，Path A的资费低于Path B，Path A可以使用WIFI网络，Path B可以使用蜂窝网络。首先充分利用WIFI路径的传输能力，在本轮传输前对其能传输的数据包数量进行预测，向WIFI路径分配的发送量就为该路径预测的所能传输的数据包的量，再根据上一轮发送情况对分本轮发送量进行调整，如果上一轮WIFI路径发送时长超出预期，调小本轮WIFI路径发送量，如果上一轮WIFI路径发送时长短于预期，调大WIFI路径本轮发送量。将需发送的量中剩余的发送量分配给蜂窝网络路径，蜂窝网络路径同时做一些冗余发送，将在部分在WIFI路径上传输的数据包也在蜂窝网络路径上发送。

本发明注重于数据包调度对视频流点播这一实际场景下的流量资费与传输性能间的平衡优化，本发明的重点就在于根据网络链路属性，优化调度器的发送策略，减小用户的流量费用。得益于MPQUIC运行在用户态，针对具体的业务场景对该传输协议的定制化是方便可行的，而且不需要修改操作系统内核中的其他协议。图4是基于异构无线网络终端的最小资费MPQUIC调度器优化算法的详细说明。

步骤401：如图4(a)所示，它绘制了两个子路径传输的发送端视图。X轴是时间，Y轴是本轮传输的数据包编号。为了方便描述，假设时间从t＝0开始，数据包编号也从0开始。每轮传输开始时，Path A和Path B都将同时开始传输。在发送端，Path A将在t_sA完成本轮最后一个数据包的发送，Path B将在t_sB完成本轮最后一个数据包的发送。坐标图中两条实直线表示数据包发送过程，其斜率表示Path A和Path B两条路径的数据包发送速率，分别为设为V_A、V_B，发送速率根据MPQUIC的网络测量得来。根据步骤302，Path A发送其起始指针到T点的数据包。Path B发送剩余的数据包。

步骤402：图4(b)表示接收方视图。设Path A和Path B的单向传播时延(One WayDelay,OWD)分别为OWD_A和OWD_B。OWD由MPQUIC的网络测量得来，可由接收方将测量结果反馈给发送方。则接收方视图是将图4(a)中的两条实直线分别向右平移对应的OWD即可。

每轮传输前，MCMS调度器先对当前的网络状态进行评估。由步骤201和步骤202可知，从当前数据块开始消耗到消耗完成期间必须缓存好下一个数据块，才能保证播放的无卡顿，这一段时间设为tc，由应用层显式地告知MPQUIC。

根据公式(1)，为了尽量降低资费，应尽可能的利用WiFi传输数据；而为了视频缓存不卡顿，下一个视频块的缓存必须在tc时间内完成。可得Path A(WiFi)每轮的传输过程中，最大使用tc长度的时间。如果Path A在本轮传输处于完全工作状态时，其发送的数据包数为：

SEQ_T＝(tc-OWD_A)×V_A (2)

公式(2)计算出的SEQ_T的数值与图4(b)中Path A实直线的高度是相同的，其中SEQ_T＝T。当本轮传输任务的数据包总数SEQ_sum≤SEQ_T时，说明只使用Path A(WiFi)即可完成传输任务，不需要Path B(蜂窝网络)的帮忙。则SEQ_sum完全交由Path A传输即可。否则，说明Path A(WiFi)传输能力不足，无法满足本轮的传输任务，需要Path B(蜂窝网络)将Path A无法在tc时间内处理的数据包进行传输。下面也将着重讨论该情况。Path A本轮需要传输的任务量，即T点，为公式(2)所得。Path B需要传输的任务量为：SEQ_sum-SEQ_T。

公式(2)所获得的SEQ_T实际上是一种理想化结果。V_A可根据发送方网卡上获取的数据得出。然而，异构无线网络不是一个稳定的网络，OWD_A的是经常变化的。在本发明中，OWD_A和OWD_B表示Path A和Path B实际的单向延迟，设MPQUIC预测的单向延迟为OWD'_A和OWD'_B。

在本轮传输中，如果预测的OWD'_A与真实的OWD_A不同，即预测的任务分割点与实际的任务分割点产生差距时，就会导致一些不良的结果。为此，本发明设计了基于反馈的T点调整算法，使T点的调整更加准确、快速。

步骤403：当预测的任务分割点T'比理想的任务分割点T小时。此时Path A未能充分的利用。如图4(c)，在接收方，会发现Path A在tc之前就停止了工作(t₂)，而Path B在本轮传输中有任务在传输，说明Path A未充分利用。该情况下，用户观看视频不会感受到卡顿。

Path A少工作的时间为t₂到tc，期间少传输的数据包为SEQ_T-SEQ_T'，即t₂到tc的虚线部分，其中SEQ_T'＝T'。Path B多工作的时间为t₁到t₃，期间多传输的数据包为SEQ_T-SEQ_T'，即t₁到t₃的加粗实线部分。此种情况下，接收方将通知发送方Path A少工作的时间，这里设为D。根据上述，D＝tc-t₂。在下一轮发送中Path A将多发送D×V_A的数据包。设修正后的PathA的数据包任务量为SEQ'_T，有：

SEQ'_T＝(tc-OWD'_A)×V_A+D×V_A (3a)

步骤404：当预测的任务分割点T”比理想的任务分割点T大时。此时MCMS给Path A分配的任务量过多，而Path B未能充分的利用。如图4(d)，在接收方，会发现Path A在tc之后仍未停止工作，直到t₆。而tc时，由Path A和Path B到达的数据包并不能组合成完整的数据块。消耗完当前数据块后，由于下一个数据块并未组装完成，用户观看视频时将会产生卡顿。

Path A多工作的时间为tc到t₆，期间多传输的数据包为SEQ_T”-SEQ_T，既到tc到t₆的加粗实线部分，其中SEQ_T”＝T”。Path B少工作的时间为t₄到t₅，期间少传输的数据包为SEQ_T”-SEQ_T，即t₄到t₅的虚线部分。此种情况下，接收方将通知发送方Path A多工作的时间，这里设为D。根据上述，D＝t₆-tc。在下一轮发送中Path A将少发送D×V_A的数据包。则修正后的Path A的数据包任务量为SEQ"_T，有：

SEQ"_T＝(tc-OWD'_A)×V_A-D×V_A (3b)

结合公式(3a)与公式(3b)，并使用代表修正后的数据包任务量，有

至此，可得出SEQ动态调整算法，每次调整将在下一轮传输生效。

但是，步骤404中的视频播放卡顿情况，应该是MCMS极力避免的。引入了“冗余发送”的概念后，本发明可以用少量的冗余数据传输来避免本轮传输所造成的播放卡顿。

引入“冗余发送”的目的是减少因本轮传输方式不当而造成的数据块缓存卡顿，提高用户体验。但冗余的量要小心控制，冗余的量太少导致播放卡顿，太多又会引起资费较高。冗余的数据将被放在Path B(蜂窝网络)，来弥补对Path A(WiFi)任务量预测错误时，对数据块缓冲造成的影响。借助于MCMS采用对向传输的天然优势，Path B的发送起点并不会因为引入冗余发送而需要调整。

步骤501，当预测的OWD'_A偏小时，会导致调度器误以为PathA比实际更强的发送能力，因此会给PathA更多的任务。然而PathA并没有这么强的发送能力，所以会造成PathA的部分数据包在限定时间tc之后到达，造成传输卡顿。

由公式(2)SEQ_T＝(tc-OWD_A)×V_A，当Path A的预测单向延迟为OWD'_A时，则对应的预测的发送包的数量为

但实际Path A的单向延迟并不是预测值OWD'_A，预测的单向延迟和实际的单向延迟之间的差距为δ，即OWD_A＝OWD'_A+δ，有

OWD′_A＝OWD_A-δ (5b)

将(5b)代入(5a)，有

即

公式(5c)与公式(2)相减得：其中V_A×δ就是步骤404中，Path A在本轮任务中，超过其传输能力的数据包，即图4(d)中的SEQ_T”-SEQ_T。因为这一部分数据包在tc之后才会到达接收方，因此会造成数据块缓存卡顿。所以Path B应“冗余发送”这一部分数据包，并根据实际情况调整δ的大小，因此δ也称为自适应冗余发送参数。当接收方可以从Path B获得这些数据包时，数据块缓存就可以在tc时间内完成。

根据本发明的一个实施例，δ由下式确定：

N为上一轮传输中，统计Path A的单项延迟情况的次数，为每一次的统计值，为N次统计值的平均值。δ由Path A上一轮传输中链路的网络波动性决定。当Path A的网络波动性比较小，传输稳定时，δ的数值较小，Path B冗余发送的量会较小；而当Path A的网络波动性比较大，传输不稳定时，δ的数值较大，Path B冗余发送的量会较大。这与我们的直观感受是相同的，当WiFi网络波动时，蜂窝网络会承担更多的传输任务，保障数据块按时缓存完成；当WiFi网络稳定时，蜂窝网络会承担较少的传输任务，降低资费。R点到T”点为“冗余发送”部分。

步骤502：而对于步骤403中的情况，数据块缓存可以在tc时间内完成。但调度器无法预测本轮传输时预测的T点是偏大还是偏小。为了保证数据块的按时缓存完成，不论在何种情况下，MCMS都将会根据自适应冗余发送参数δ，在Path B上增加“冗余发送”。R点到T'点为“冗余发送”部分。

步骤501和步骤502中，Path B冗余发送的任务量为：

下述步骤10-50示出了本发明的发送量在两条路径上的分配的流程：

10从应用层接收本轮要发送的数据块和传输时长tc，将数据块分为SEQ_sum个数据包；

20预测WIFI路径的传输能力对应的发送量为

30对根据上一轮WIFI路径传输时间，对本轮传输分配的发送量进行调整，如果上一轮WIFI路径传输时间小于tc，则增加本轮WIFI路径发送量，如果上一轮WIFI路径传输时间大于tc，则减少本轮WIFI路径发送量，WIFI路径调整后的发送量为

40向蜂窝网络路径分配的发送量为剩余的发送量和冗余发送量：

SEQ_sum-[(t_c-OWD'_A)×V_A±D×V_A]+V_A×δ

50在完成本轮传输后，记录下WIFI路径完成传输的时间与tc的差D。

图6示出了本发明的MCMS的系统结构图，该系统包括发送方和接收方，发送方的输入为来自应用层的数据块，由数据包分割模块分割为数据包后进入发送区模块发送给接收方。发送区的发送由以下三个模块控制：任务修改模块、冗余发送模块、和链路参数计算与预测模块。接收方的接收区接收发送方发送的数据块，数据包合并模块将接收的数据包合并为数据块，再交给接收方的应用层，由链路参数计量与反馈模块对数据块接收过程中的参数进行测量与统计，并反馈给发送方。具体如下：

步骤601：应用层产生待传输的数据块，交由MPQUIC。

步骤602：MPQUIC对数据块进行分割，分割为数据包，以供在网络中传输。

步骤603：“任务修正模块”负责根据上一轮传输的反馈结果，调整本轮传输中，两条子路径的任务分配量。由公式(4)计算得出。

步骤604：“冗余发送模块”根据链路参数的历史统计情况，计算本轮中Path B“冗余发送”的任务量。由公式(7)得出。

步骤605：根据“链路参数计算与预测模块”、“任务修正模块”和“冗余发送模块”得出两条子路径本轮的任务发送量，如下：

可计算出本轮传输所用的流量费用为：

步骤606：接收方分别从Path A和Path B接收到数据包，并进行合并。

步骤607：合并时，如果发生以下情况将进行记录：

(1)检测到Path A在tc之前完成传输，说明WiFi链路利用不充分，此时“链路参数计量与反馈模块”记录Path A提前完成的时间D。

(2)检测到在tc之后，Path A仍有本轮的数据到达，说明WiFi分配的任务量过多，此时“链路参数计量与反馈模块”记录Path A在tc之后继续进行本轮传输的时间D。

步骤608：“链路参数计量与反馈模块”还将根据数据包的时间戳，记录当前两条链路的实际OWD。实际OWD与任务修正参数D将保存在向数据发送方传输的ACK数据包中，进行反馈。

步骤609：数据包合并好后，交付上层应用。本轮传输完成，立刻开始下一轮传输。

综上所述，本发明将流量资费这一参数引入到MPQUIC的数据包调度器中，根据MPQUIC的各条子路径的最新状态参数与临近的历史信息，对数据包调度这一过程进行优化，提出了针对有限时间内数据块传输这一场景下的基于链路统计信息动态调节任务分配与根据网络波动引入适量冗余的全新的调度器算法。应用本发明中的调度器，可以使每次数据块的传输既能按时到达，又能尽量降低流量资费，从而减少用户使用数据块时感受到的卡顿，提升用户体验。

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