IPv6大赛获奖项目：基于IPv6的时延敏感传输协议与系统

针对上述问题，我们设计了基于 IPv6 的时敏传输协议与系统。整个系统分为时敏传输协议与 IPv6 差异化服务系统两部分。时敏传输协议通过在端侧获取应用传输需求，在尽力满足应用需求的同时将需求信息利用 IPv6 报文头传递到网络层。IPv6 差异化服务系统部署在网络侧，通过读取时敏传输协议提供的应用需求信息提供差异化转发服务。通过上述两部分的协同工作，使基于 IPv6的下一代互联网的数据传输可以进行差异化应用的传输需求感知并进行合理资源分配，降低传输时延，提升用户体验。

时延敏感传输协议（Deadline-aware Transport Protocol，DTP），是我们基于国际最新传输协议标准 QUIC 协议研发的支持IPv6的传输协议 [1]，协议架构如图1所示。DTP 协议从上层应用获得诸如优先级、截止时间、数据依赖关系等数据传输的需求。DTP 协议通过探测当前网络状态，获取带宽、RTT（Round-Trip Time, 往返时延）、丢包率等网络状态信息。结合应用的需求和网络的状态，DTP 协议通过时延敏感的数据调度降低数据排队时延，同时使用自适应冗余编码机制减少数据重传次数从而减少重传引起的时延，在端侧从多个角度降低端到端传输时延，提升用户体验。

针对网络转发设备无法根据应用传输需求提供差异化传输服务的问题，基于上述映射函数与 IPv6 拓展头的设计，本项目设计了IPv6 差异化服务系统，提出了面向差异化转发资源分配的优先级队列调度算法，基于可编程交换机实现了差异化转发功能。通过如图3所示的流程，该系统利用区分服务字段中的应用需求信息分配转发资源，优先保障高优先级数据的服务质量。该系统还可以与具有差异化路由功能的路由器进行如图4所示的协作，利用 DTP 协议在 IPv6 报文头中记录的信息为不同需求的数据分配不同的链路，防止网络拥塞，提供满足差异化应用需求的路由。

本项目充分利用 IPv6 协议的特点，提出了满足应用需求的时延敏感传输协议与IPv6 差异化服务系统并进行了实现。结果表明，与仅使用 QUIC 传输协议相比，在短视频点播、视频会议、电商直播等场景中本项目方案均使视频画质提升2倍，视频播放的卡顿次数减少 88%，平均时延降低至少 20%。我们的项目分为端侧优化和网络侧优化两个部分，单独部署与协同部署均可以带来传输优化效果。如图 5 所示，两个部分单独部署使用可提升至少 10% 的按时到达率（在应用需求时延内到达的数据占数据总量的比例）并使传输时延降低约 50%。如果两者同时部署并且协同使用则可以得到更加明显的优化效果，相对于单独的优化策略，协同优化可以得到最大两倍的按时到达率并使得数据传输时延降低约 80%。

本项目目前已取得了一系列的成果。DTP 协议作为本项目的关键组成部分，相关论文被清华大学推荐A 类会议（TH-CPL A类）收录，相关设计已报批国内通信行业标准并且相关标准的国际化正在积极推进。项目研发的系统曾应用于多届国际 ACM Multimedia Grand Challenge比赛，吸引上百支队伍参加。项目团队成员也因此受邀参加国内知名音视频技术大会进行技术交流。基于该项目应用成果，已设计开发了面向多种业务场景的轻量级产品原型，包括 Nginx 传输优化插件、时敏隧道网关、时敏代理网关以及 DTP 安全传输网关等。目前项目团队正在与多个公司进行产品化落地相关合作，如图 6 所示时敏多功能网关和安全传输网关。