AI4Network团队发布多路径流媒体传输加速器“星云”
近年来，随着实时流媒体等应用种类和数量的增多，流媒体应用对网络带宽、传输稳定性、用户体验的需求不断提升，仅仅依靠TCP协议难以满足高清流媒体传输的个性化服务质量需求。此外，随着网络接入技术的不断发展，终端设备具备WiFi、4G、5G等多种入网手段，流媒体传输性能受制于底层单路径、单一网络传输协议所提供的网络服务，难以在复杂多变的的动态网络环境下提供高质量可靠传输。
为此，AI4Network团队自主研发了多路径流媒体传输加速器原型系统——“星云”，该系统可广泛部署于普通端系统设备，仅需配备多张无线网卡(Wifi/4G/5G等)，即可提供高清流媒体、实时流媒体等应用所需的多路径带宽聚合性能和用户体验优化,无额外硬件开销，便捷易用。系统内置TCP/QUIC/MPTCP/MPQUIC等多种网络传输协议，提供灵活的传输协议定制选择功能，核心技术包括自主研发的智能多路径报文调度算法和拥塞控制算法。
“星云”演示视频
下面是一段“星云”系统的演示视频。客户端配备有一张WiFi网卡和一张4G网卡。我们选择公开的8K视频数据集3D_Mark _Night Raid，视频总时长4分钟，视频帧率60fps。通过测试分析，相比于传统单路径的流媒体播放器，多路径加速后带宽提升了近1倍，端到端延时降低约30%。系统演示了基于TCP(左上)、QUIC(右上)、带有缓冲区膨胀缓解功能(bufferbloat-mitigation)的多路径QUIC(左下)以及我们自主研发的多智能体多路径QUIC(右下)等协议的流媒体传输效果。可以看到，集成基于多智能体的多路径智能调度算法(MARS)的多路径QUIC协议，具有更高的聚合吞吐率，视频播放的卡顿率更低，提供了比其它传输协议更优的用户体验。
“星云”系统简介
“星云”系统架构如图1所示。其中硬件组成包括：多个(Wi-Fi/4G)无线网卡。软件系统包括：TCP、QUIC、MPTCP、MPQUIC等传输协议，智能报文调度算法、Web播放器前端。
“星云”客户端部署在具有多张网卡的端设备上，Web播放器前端提供解码视频以及自适应码率调整(ABR)功能。客户端底层传输协议是一个集成多种传输协议的智能化定制传输协议栈。
“星云”服务端是一个云视频服务器，通过单个网卡向外提供http服务，具有解析http请求并发出响应的能力。对于底层传输层协议，服务端部署有单路径TCP、QUIC以及多路径TCP和多路径QUIC，并且多路径传输协议配备有自主设计的智能多路径报文调度器和拥塞控制算法。
当用户通过播放器前端发起浏览视频请求后，云视频服务器端能够根据网络状态以及应用的类型智能地切换和调整不同网络传输协议，并告知客户端，然后与客户端建立适应当前网络状态的传输连接。通过这样的方式，该系统实现传输定制，为用户提供更好的视频流体验质量。
我们设计了基于多智能体的多路径智能调度算法，通过智能感知网络状态，获取路径的特征以及网络状态的实时变化，从而让智能算法学习网络状态进行决策。这一决策过程是具有自适应能力以及根据网络状态动态变化能力的。同时算法克服了唯一的智能体为所有的路径提供决策，导致随着路径的增加，学习难度越大的问题，使用多智能体强化学习框架，每条路径看作一个智能体，根据自己的观测进行独立决策，产生更优的决策。另外，调度过程是面向多维服务质量指标的，利用深度强化学习算法从状态中获取信息，面向多维服务质量设计的奖励函数训练，在此基础上作出最优决策。
多路径传输协议背景介绍
多路径传输协议允许单个连接同时利用多条网络链路，具有带宽聚合和提升传输稳定性等优势。多路径TCP协议(MPTCP)在2013年IETF工作组标准化。然而，MPTCP更新需重新编译操作系统内核，阻碍了其大规模部署。近年来，快速UDP网络连接(Quick UDP Internet Connection, QUIC)协议快速发展，其多路径扩展——多路径QUIC协议(MPQUIC)，作为MPTCP的替代方案被提出。MPQUIC作为一种用户空间协议，可以持续快速升级。
QUIC是新型传输层协议，提供具有加密、多流复用、低延迟等特点的数据传输，通过多流复用解决队头堵塞问题，通过0-RTT握手降低传输层握手时延，通过连接迁移为移动性提供更好的支持，通过在用户态实现提供了更好的可扩展性以及部署便捷性，理论上拥有比TCP更好的性能。实际上由于网络环境和设备终端的多样性，以及互联网中存在的各种攻击和各种版本的实现，QUIC在实际网络中的表现并没有达到预期。
基于QUIC的多路径传输协议可以利用终端的多种网络接口，聚合多条物理链路，从而提高聚合带宽和传输稳定性。基于QUIC的多路径协议中的路径概念与MPTCP的子流概念类似，在握手阶段，客户端与服务端会先在一条路径上建立QUIC连接，之后每当有新的网络链路需要使用，便添加一个新的路径。基于QUIC的多路径传输设计在概念上超越了MPTCP，它提供了细粒度的流到路径调度，减少了队头阻塞，并且可以更快地建立子流，但在实际应用上缺乏成熟稳定的设计以及大规模的实验验证。
参考文献
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