带宽受限系统的带宽管理策略

# 带宽受限系统的带宽管理策略 ## 1. 带宽管理概述 在具备了随时间监控数据吞吐量的基本能力后，我们可以探讨如何利用这些信息来有效管理可用带宽。带宽管理的总体原则是优化可用带宽的使用，以满足系统的特定需求。不同应用的需求性质差异很大，因此管理带宽的方法也各不相同。一般方法是根据数据输入和输出速率、内容转换速率以及计算时间来评估系统性能。基于此评估，我们可以尝试调整资源分配，以提高系统的整体性能。 为了展示一些带宽管理的方法，我们将首先探讨如何实现流式音频代理。在很多方面，流式音频是带宽受限应用的最坏情况，因为它有严格的实时约束和计算要求。之后，我们将研究实现基于 Java 的 WWW 浏览器的一个组件，以了解如何跨多个输入流管理带宽，从而最大化感知性能。 ## 2. 流式多媒体 ### 2.1 流式音频的基本需求 在流式多媒体场景中，本地代理的主要目的是从网络接收多媒体数据，根据需要进行处理以将其转换为适合展示的格式，并将多媒体数据呈现给用户。关键在于优化向用户的呈现效果，我们希望音频播放无卡顿，视频播放尽可能平滑和连贯，图形能在整体展示中按预期显示。通常，我们还需要音频、视频和图形显示相互同步，即使某些数据延迟到达也能保持同步。 ### 2.2 简单示例分析 为了聚焦核心问题，我们来看一个最简单的情况：在低带宽环境中接收单媒体数据流以进行实时播放。这是一个非常相关的例子，因为调制解调器速率的音频流在网络上变得非常流行。音频样本在传输前通常会被压缩，因此音频接收器必须在本地音频设备上播放之前将压缩数据解码为音频样本。 我们使用 `ContentConsumer` 和 `ContentProducer` 类，定义了 `StreamProducer` 作为 `ContentProducer` 的扩展，它为 `InputStream` 提供 `ContentProducer` 接口。在我们的应用中，`StreamProducer` 作为压缩音频数据的源。`AudioProducer` 是 `ContentProducer` 的扩展，它通过解码压缩数据从压缩音频数据生成音频样本。我们将其源设置为刚刚包装在 `RTInputStream` 周围的 `StreamProducer`。最后，我们定义了 `AudioConsumer` 作为 `ContentConsumer` 的扩展，它通过将音频样本发送到本地音频设备来消费音频样本。 ### 2.3 流式音频播放的实现 以下是流式音频播放的实现代码： ```java // Get the audio input stream, typically from a Socket connection with // a server. InputStream audioIn = ... // Wrap it with a real−time stream so we can monitor data throughput // off of the wire RTInputStream rtAudioIn = new RTInputStream(audioIn); // Make our audio pipeline: // compressed audio −> raw audio −> audio device StreamProducer stProd = new StreamProducer(rtAudioIn); AudioProducer audioProd = new AudioProducer(); audioProd.setSource(stProd); String audioFileSpec = "/dev/audio"; AudioConsumer audioCons = new AudioConsumer(audioFileSpec); audioCons.setSource(audioProd); // Start playback audioCons.consumeAll(); ``` 在这个实现中，我们首先获取原始数据的输入流，将其包装在 `RTInputStream` 中以监控输入数据速率，然后再用 `StreamProducer` 包装，以便构建整个管道。创建 `AudioProducer` 并将 `StreamProducer` 设置为其源，接着创建指向适当本地设备驱动程序的 `AudioConsumer` 并将 `AudioProducer` 设置为其源。为了开始流式播放，我们只需调用 `AudioConsumer` 的 `consumeAll()` 方法，它会调用其源的 `produce()` 方法，依此类推，直到 `StreamProducer` 从其 `InputStream` 中读取数据。在整个管道中，我们使用 `RTInputStream`、`ContentConsumer` 和 `ContentProducer` 类中内置的功能来维持数据吞吐量测量。 ### 2.4 数据缓冲问题 输入流我们几乎无法控制，因此在管道的这一阶段，除了使用 `RTInputStream` 监控输入数据速率外，我们几乎无能为力。然而，在其他阶段，我们必须处理一些数据缓冲问题。 #### 2.4.1 AudioConsumer 的缓冲处理 大多数计算机上的音频设备都有一个小的内部数据缓冲区来保存音频样本。由于在大多数情况下，应用程序向设备提供音频数据的速度比设备实时播放样本的速度快得多，因此我们的 `AudioConsumer` 需要提供一些外部数据缓冲。以下是 `AudioConsumer` 的 `doConsume()` 方法的实现示例： ```java public boolean doConsume(byte data[]) { // If we already have data queued in our local buffer, then // put this new data into the end of the queue and pull the // first data out of the queue if (!buffer.isEmpty()) { buffer.append(data); data = buffer.remove(); } // Try to write the data to the audio device int numBytes = device.write(data); if (numBytes < data.length) { // Add any remaining bytes to the beginning of our // local buffer byte newBuf = new byte[data.length - numBytes]; System.arraycopy(data, numBytes, newBuf, 0, newBuf.length); buffer.prepend(newBuf); } if (numBytes > 0) return true; else return false; } ``` 我们假设 `device` 是 `AudioConsumer` 类的一个数据成员，代表与音频设备驱动程序的接口，而 `buffer` 是另一个数据成员，是某种用于保存数据数组的存储类。 #### 2.4.2 AudioProducer 的缓冲处理 `AudioProducer` 是我们音频管道的核心，我们的数据吞吐量监控在这里最为有用。`AudioProducer` 必须接收压缩音频数据流，解压缩数据，并将音频样本传递给 `AudioConsumer`。出于与 `AudioConsumer` 需要维护自己的数据缓冲区相同的原因，它也必须为压缩音频数据维护自己的数据缓冲区。一定量的压缩音频数据需要一定时间才能通过网络传输并提供给 `AudioProducer`。`AudioProducer` 将一块压缩音频数据解码为音频样本也需要一定时间，音频设备消费这些数据（例如播放音频样本）也需要时间。理想情况下，我们希望音频播放连续且无卡顿或空白，因为即使是随意的听众也会很容易注意到这些问题。`AudioProducer` 需要一个数据缓冲区，以便无论压缩数据输入到生产者的速率如何，或者消费者从生产者中提取音频样本的速率如何，它都能向 `AudioConsumer` 保持恒定的音频样本流。 以下是 `AudioProducer` 类的部分实现： ```java package dcj.examples.Bandwidth; import dcj.util.Bandwidth.*; import java.io.InputStream; import java.io.OutputStream; public class AudioProducer extends ContentProducer { byte[] buffer = null; long maxBuffer = 0; long sampleRate; // Buffer operations... protected void appendToBuffer(byte[] data); protected byte[] removeFromBuffer(long size); // Method for computing new buffer size based on input // data rate, our production rate, and the audio sample rate protected void resizeBuffer(float inRate, float outRate, ```