webrtc中GCC拥塞控制模块之码率控制器AimdRateControl

aimd的全称是Additive Increase Multiplicative Decrease，意思是：加性增加，乘性减少。AimdRateControl是一种码率控制实现，当未检测到over-use时，基于加性的码率增加，当检测到over-use时，基于乘性的比特率减少。当认为可用带宽有变化或未知时，我们将切换到“慢启动模式”，成倍增加。
AimdRateControl码率控制模块有三种状态：kRcHold，kRcIncrease和kRcDecrease 。“kRcIncrease”是未检测到拥塞的状态；“kRcDecrease”是检测到拥塞的状态，“kRcHold”是等待累积队列耗尽后进入“增加”状态的状态，状态迁移过程取决于基于延迟的码率控制输出的网络状态，网络状态有三种:kRcHold，kBwOverusing和kBwUnderusing，码率控制的状态机如下：

状态Hold
保持原码率，且状态继续保持Hold
状态kRcIncrease
如果测量的吞吐量与估计值相差太远，则重置link_capacity估计值。因此，我们可以假设我们的目标速率与链接容量相当接近，并使用加性增加；如果我们没有对link_capacity的估计，可以使用更快的乘型增加。
码率加性算法因子:
加性因子计算为当前码率下平均码率ave_bitrate,
ave_bitrate=avg_packet_size/(rtt+100)
其中avg_packet_size表示包平均字节大小，是在1/30秒时间间隔内在当前码率下，按单包最大1200字节计算的平均单包字节大小；rtt加100ms表示接近over-use的延时是时间，按最糟糕的情况计算ave_bitrate，然后与4000取最大。
ave_bitrate代码实现如下：

double AimdRateControl::GetNearMaxIncreaseRateBpsPerSecond() const {const TimeDelta kFrameInterval = TimeDelta::seconds(1) / 30;//1/30秒的时间间隔DataSize frame_size = current_bitrate_ * kFrameInterval;//间隔内当前码率下的字节数const DataSize kPacketSize = DataSize::bytes(1200);//按最大1200字节包计算double packets_per_frame = std::ceil(frame_size / kPacketSize);//间隔内平均包个数，为浮点型DataSize avg_packet_size = frame_size / packets_per_frame;//每个包平均字节个数TimeDelta response_time = rtt_ + TimeDelta::ms(100);//rtt+100按最坏情况计算响应时间if (in_experiment_)response_time = response_time * 2;double increase_rate_bps_per_second =//计算平均码率(avg_packet_size / response_time).bps<double>();double kMinIncreaseRateBpsPerSecond = 4000;return std::max(kMinIncreaseRateBpsPerSecond, increase_rate_bps_per_second);//与4000取两者最大
}

码率乘性算法因子:
alpha=alpha^{min(timeDelta，1)}
其中alpha初始值为1.08，timeDelta为本次码率控制器更新码率时间与上一次更新码率时间的差，则乘性后的码率为max(curbitrate*alpha,curbitrate+1000)。代码如下：

DataRate AimdRateControl::MultiplicativeRateIncrease(Timestamp at_time,Timestamp last_time,DataRate current_bitrate) const {double alpha = 1.08;//默认乘性因子1.08if (last_time.IsFinite()) {auto time_since_last_update = at_time - last_time;//相邻两次码率控制器更新码率时间差alpha = pow(alpha, std::min(time_since_last_update.seconds<double>(), 1.0));//计算乘性因子}DataRate multiplicative_increase =std::max(current_bitrate * (alpha - 1.0), DataRate::bps(1000));return multiplicative_increase;
}

状态kRcDecrease
如果网络处于over-use状态，需要减少码率，从ack计算的码率降低原来的85%，如果码率还是比码率控制器估计的码率大，则码率降低为链路容量link_capacity估计值的85%。

case kRcDecrease:// TODO(srte): Remove when |estimate_bounded_backoff_| has been validated.if (network_estimate_ && capacity_deviation_ratio_threshold_ &&!estimate_bounded_backoff_) {estimated_throughput = std::max(estimated_throughput,network_estimate_->link_capacity_lower);}if (estimated_throughput > low_throughput_threshold_) {//low_throughput_threshold_=0// 将比特率设置为略低于测量吞吐量的值，以消除任何自引起的延迟。new_bitrate = estimated_throughput * beta_;if (new_bitrate > current_bitrate_) {// 当过度使用时，避免增加速率。if (link_capacity_.has_estimate()) {new_bitrate = beta_ * link_capacity_.estimate();}}if (estimate_bounded_backoff_ && network_estimate_) {new_bitrate = std::max(new_bitrate, network_estimate_->link_capacity_lower * beta_);}} else {new_bitrate = estimated_throughput;if (link_capacity_.has_estimate()) {new_bitrate = std::max(new_bitrate, link_capacity_.estimate());}new_bitrate = std::min(new_bitrate, low_throughput_threshold_.Get());}new_bitrate = std::min(new_bitrate, current_bitrate_);if (bitrate_is_initialized_ && estimated_throughput < current_bitrate_) {constexpr double kDegradationFactor = 0.9;if (smoothing_experiment_ &&new_bitrate < kDegradationFactor * beta_ * current_bitrate_) {// If bitrate decreases more than a normal back off after overuse, it// indicates a real network degradation. We do not let such a decrease// to determine the bandwidth estimation period.last_decrease_ = absl::nullopt;} else {last_decrease_ = current_bitrate_ - new_bitrate;}}if (estimated_throughput < link_capacity_.LowerBound()) {// The current throughput is far from the estimated link capacity. Clear// the estimate to allow an immediate update in OnOveruseDetected.link_capacity_.Reset();}

更新link_capacity估计值
根据ack测量的吞吐量更新链路容量估计值，初始时将测量的码率赋予链路容量，
estimate_kbps_ = (1 - alpha) * estimate_kbps_.value() + alpha * sample_kbps;
其中estimate_kbps_为链路容量，alpha为计算因子alpha=0.05，sample_kbps为计算的码率(探测码率，或ack码率)

void LinkCapacityEstimator::Update(DataRate capacity_sample, double alpha) {double sample_kbps = capacity_sample.kbps();if (!estimate_kbps_.has_value()) {estimate_kbps_ = sample_kbps;} else {estimate_kbps_ = (1 - alpha) * estimate_kbps_.value() + alpha * sample_kbps;}const double norm = std::max(estimate_kbps_.value(), 1.0);double error_kbps = estimate_kbps_.value() - sample_kbps;deviation_kbps_ =(1 - alpha) * deviation_kbps_ + alpha * error_kbps * error_kbps / norm;// 估计链路容量估计的方差，并将方差与链路容量估计进行归一化。// 0.4 ~= 14 kbit/s at 500 kbit/s// 2.5f ~= 35 kbit/s at 500 kbit/sdeviation_kbps_ = rtc::SafeClamp(deviation_kbps_, 0.4f, 2.5f);
}

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