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Webrtc delay-base-bwe代码分析(5): AimdRateControl模块

0. 简介

这个模块是根据OveruseDetector模块计算出来的状态来维护码率控制模块的自动状态机，并更新估算出来的对端发送速率，提供给REMB进行反馈。

1. 原理

一共维持三个状态，增长、保持、衰减，状态转换根据OveruseDetector的三个状态(Normal, Overuse, Underuse)来进行判断。

• 当Overuse发生时，无论什么状态都进入衰减。
• 当Underuse发生时，无论什么状态都进入保持状态。
• 在保持和增长阶段，Normal状态将保持继续增长。
• 在衰减阶段，Normal状态会将状态拉回保持状态。

2. 代码

核心函数为ChangeBitrate，其他部分代码比较简单这里不贴了。

uint32_t AimdRateControl::ChangeBitrate(uint32_t current_bitrate_bps,                                        uint32_t incoming_bitrate_bps,                                        int64_t now_ms) {  // 在调用函数update更新对应的链路状态估计，累积码率，噪声值后  // 会将updated置位，如果没置位则不会去更新码率。  if (!updated_) {    return current_bitrate_bps_;  }  // An over-use should always trigger us to reduce the bitrate, even though  // we have not yet established our first estimate. By acting on the over-use,  // we will end up with a valid estimate.  // 初始化未完成，如果不是一开始就Overuse，直接返回初始的码率即可。  if (!bitrate_is_initialized_ && current_input_.bw_state != kBwOverusing)    return current_bitrate_bps_;  updated_ = false;  // 这里对状态进行转换，这个函数是状态机状态转换函数  // 1. Underuse总是进入Hold状态。  // 2. Overuse总是进入Dec状态。  // 3. Normal状态维持，除非当前在Hold状态，此时会进入Inc状态。  ChangeState(current_input_, now_ms);  // Calculated here because it's used in multiple places.  const float incoming_bitrate_kbps = incoming_bitrate_bps / 1000.0f;  // Calculate the max bit rate std dev given the normalized  // variance and the current incoming bit rate.  const float std_max_bit_rate = sqrt(var_max_bitrate_kbps_ *                                      avg_max_bitrate_kbps_);  switch (rate_control_state_) {    // 保持状态不更新码率    case kRcHold:      break;    case kRcIncrease:      // 三个状态，在最大值附近，超过最大值，比最大值高到不知道哪里去      // 最大均值已初始化，且当前码率高于最大值加上三倍方差，此时进入      // 比最大值高到不知道哪里去的状态，同时认为这个均值并不是很好使，复位。      // Above声明了，但是没有找到相应调用点。      if (avg_max_bitrate_kbps_ >= 0 &&          incoming_bitrate_kbps >              avg_max_bitrate_kbps_ + 3 * std_max_bit_rate) {        ChangeRegion(kRcMaxUnknown);        avg_max_bitrate_kbps_ = -1.0;      }      //       if (rate_control_region_ == kRcNearMax) {        // Approximate the over-use estimator delay to 100 ms.        // 已经接近最大值了，此时增长需谨慎，加性增加。        const int64_t response_time = rtt_ + 100;        uint32_t additive_increase_bps = AdditiveRateIncrease(            now_ms, time_last_bitrate_change_, response_time);        current_bitrate_bps += additive_increase_bps;      } else {        // 由于没有Above状态的使用，因此认为比最大值高到不知道哪里去的状态属于        // 上界未定，放开手倍增码率。        uint32_t multiplicative_increase_bps = MultiplicativeRateIncrease(            now_ms, time_last_bitrate_change_, current_bitrate_bps);        current_bitrate_bps += multiplicative_increase_bps;      }      time_last_bitrate_change_ = now_ms;      break;    case kRcDecrease:      bitrate_is_initialized_ = true;      if (incoming_bitrate_bps < min_configured_bitrate_bps_) {        // 真的不能再低了....        current_bitrate_bps = min_configured_bitrate_bps_;      } else {        // Set bit rate to something slightly lower than max        // to get rid of any self-induced delay.        current_bitrate_bps = static_cast<uint32_t>(beta_ *                                                    incoming_bitrate_bps + 0.5);        if (current_bitrate_bps > current_bitrate_bps_) {          // 本次速率仍然在增长          // Avoid increasing the rate when over-using.          if (rate_control_region_ != kRcMaxUnknown) {            // 如果上界可靠，则将码率设置在最大均值的beta_倍处，            // 默认的beta_为0.85，同paper。            current_bitrate_bps = static_cast<uint32_t>(                beta_ * avg_max_bitrate_kbps_ * 1000 + 0.5f);          }          // 进行修正，和上一轮迭代的码率取小，如果上界不定          // 则取上一次迭代的码率值。          current_bitrate_bps = std::min(current_bitrate_bps,                                         current_bitrate_bps_);        }        // 更新过新的码率值后，认为现在已经在最大均值附近。        // 注意，每次认为上界无效时，总会把最大均值复位        // 这里设置完对应状态后，即使上界无效，下面总会更新一个最大均值。        ChangeRegion(kRcNearMax);        if (incoming_bitrate_kbps < avg_max_bitrate_kbps_ -            3 * std_max_bit_rate) {          // 当前速率小于均值较多，认为均值不可靠，复位          avg_max_bitrate_kbps_ = -1.0f;        }        // 衰减状态下需要更新最大均值        UpdateMaxBitRateEstimate(incoming_bitrate_kbps);      }      // Stay on hold until the pipes are cleared.      // 降低码率后回到HOLD状态，如果网络状态仍然不好，在Overuse仍然会进入Dec状态。      // 如果恢复，则不会是Overuse，会保持或增长。      ChangeState(kRcHold);      time_last_bitrate_change_ = now_ms;      break;    default:      assert(false);  }  if ((incoming_bitrate_bps > 100000 || current_bitrate_bps > 150000) &&      current_bitrate_bps > 1.5 * incoming_bitrate_bps) {    // Allow changing the bit rate if we are operating at very low rates    // Don't change the bit rate if the send side is too far off    current_bitrate_bps = current_bitrate_bps_;    time_last_bitrate_change_ = now_ms;  }  return current_bitrate_bps;}

加性码率增长代码如下：

uint32_t AimdRateControl::AdditiveRateIncrease(    int64_t now_ms, int64_t last_ms, int64_t response_time_ms) const {  assert(response_time_ms > 0);  double beta = 0.0;  if (last_ms > 0) {    // 时间间隔和RTT之比作为系数。    // 疑问，这里的时间点是经过采样的，可能会大于rtt？    beta = std::min((now_ms - last_ms) / static_cast<double>(response_time_ms),                    1.0);    if (in_experiment_)      beta /= 2.0;  }  // 默认30fps，由于每个包不超过mtu，一般也就1100+，用这两个值估计每帧码率和每帧包数。  // 并计算平均每个包的大小，最终增加的比特数不超过1000。  double bits_per_frame = static_cast<double>(current_bitrate_bps_) / 30.0;  double packets_per_frame = std::ceil(bits_per_frame / (8.0 * 1200.0));  double avg_packet_size_bits = bits_per_frame / packets_per_frame;  uint32_t additive_increase_bps = std::max(      1000.0, beta * avg_packet_size_bits);  return additive_increase_bps;}

乘性部分比较简单，也是根据时间差来调整系数。

uint32_t AimdRateControl::MultiplicativeRateIncrease(    int64_t now_ms, int64_t last_ms, uint32_t current_bitrate_bps) const {  double alpha = 1.08;  if (last_ms > -1) {    // 系数计算与文档中的1.05略有不同，使用时间差作为系数，1.08作为底数。    int time_since_last_update_ms = std::min(static_cast<int>(now_ms - last_ms),                                             1000);    alpha = pow(alpha,  time_since_last_update_ms / 1000.0);  }  uint32_t multiplicative_increase_bps = std::max(      current_bitrate_bps * (alpha - 1.0), 1000.0);  return multiplicative_increase_bps;}

最后一个是最大均值和方差的更新，主要在衰减状态时候进行估计。

void AimdRateControl::UpdateMaxBitRateEstimate(float incoming_bitrate_kbps) {  const float alpha = 0.05f;  // 当前没有初始值，先设为当前码率，如果有的话，就用当前的值和均值做平滑。  if (avg_max_bitrate_kbps_ == -1.0f) {    avg_max_bitrate_kbps_ = incoming_bitrate_kbps;  } else {    avg_max_bitrate_kbps_ = (1 - alpha) * avg_max_bitrate_kbps_ +        alpha * incoming_bitrate_kbps;  }  // Estimate the max bit rate variance and normalize the variance  // with the average max bit rate.  const float norm = std::max(avg_max_bitrate_kbps_, 1.0f);  // 方差的平滑  var_max_bitrate_kbps_ = (1 - alpha) * var_max_bitrate_kbps_ +      alpha * (avg_max_bitrate_kbps_ - incoming_bitrate_kbps) *          (avg_max_bitrate_kbps_ - incoming_bitrate_kbps) / norm;  // 0.4 ~= 14 kbit/s at 500 kbit/s  if (var_max_bitrate_kbps_ < 0.4f) {    var_max_bitrate_kbps_ = 0.4f;  }  // 2.5f ~= 35 kbit/s at 500 kbit/s  if (var_max_bitrate_kbps_ > 2.5f) {    var_max_bitrate_kbps_ = 2.5f;  }}