基于組播覆蓋網(wǎng)的視頻傳輸關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、因特網(wǎng)的迅猛發(fā)展和數(shù)字視頻技術(shù)的日益成熟為大規(guī)模實(shí)時(shí)音視頻媒體流應(yīng)用提供了難得的發(fā)展機(jī)遇。然而，因特網(wǎng)是一個(gè)基于分組交換技術(shù)和TCP/IP協(xié)議的全球性互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它的IP層使用盡最大努力交付的、單播通信方式的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。對(duì)于具有大數(shù)據(jù)容量、延遲敏感的實(shí)時(shí)媒體流應(yīng)用而言，因特網(wǎng)技術(shù)上的這些局限會(huì)帶來服務(wù)質(zhì)量難以保證、服務(wù)器可擴(kuò)展性不高等諸多問題。
　　目前，利用組播技術(shù)可以有效解決視頻服務(wù)器瓶頸問題。通過實(shí)現(xiàn)一對(duì)多的視頻數(shù)據(jù)傳輸可有

2、效減少服務(wù)器帶寬消耗，提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。但是因受限于因特網(wǎng)骨干路由器等核心設(shè)備大多不支持組播的限制，以及ISP在計(jì)費(fèi)、管理、安全等方面存在的困難，目前組播技術(shù)僅能在小范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)，還不具備大規(guī)模實(shí)施的條件。組播覆蓋網(wǎng)是網(wǎng)絡(luò)層組播的一種很好的替代技術(shù)，它通過在應(yīng)用層上構(gòu)建虛擬網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)層組播相似的功能。組播覆蓋網(wǎng)的出現(xiàn)使得在因特網(wǎng)上大規(guī)模部署組播應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。
　　組播覆蓋網(wǎng)的性能優(yōu)化需要從兩個(gè)方面考慮：組播樹構(gòu)造算法優(yōu)化以及

3、底層拓?fù)?感知優(yōu)化。設(shè)計(jì)與底層物理拓?fù)湎嗥ヅ涞母采w拓?fù)鋵?duì)于提高組播覆蓋網(wǎng)的性能非常有效，但是精確的底層拓?fù)涮綔y會(huì)帶來大量探測開銷并且還需要大量基礎(chǔ)設(shè)施節(jié)點(diǎn)來預(yù)測節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，難于在真實(shí)網(wǎng)絡(luò)中廣泛實(shí)施。
　　另外，因特網(wǎng)在設(shè)計(jì)之初沒有考慮服務(wù)質(zhì)量保證問題。目前IETF所制定的服務(wù)質(zhì)量保證策略都是針對(duì)數(shù)據(jù)流端到端傳輸鏈路提出的。要在因特網(wǎng)這樣一個(gè)復(fù)雜的全球性網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)范圍內(nèi)的服務(wù)質(zhì)量保證在現(xiàn)階段還很困難。
　　針對(duì)上述問題，本文

4、從視頻傳輸網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)部分：用戶接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)絡(luò)和視頻服務(wù)器，對(duì)視頻傳輸系統(tǒng)中存在的關(guān)鍵問題進(jìn)行了深入研究，致力于解決當(dāng)前視頻傳輸系統(tǒng)中存在的性價(jià)比不高、可擴(kuò)展性差以及服務(wù)質(zhì)量難以保證等問題。
　　首先，針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)Patching組播流調(diào)度方案不適合于熱門視頻節(jié)目點(diǎn)播的問題，結(jié)合服務(wù)器推方式常用的視頻分段技術(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)自適應(yīng)分段Patching（ASP）算法。APS最大的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了常規(guī)組播流和Patching流的最大化共享，后續(xù)對(duì)同

5、一視頻的Patching請求可以共享前面相鄰幾條或全部正在傳輸中的Patching信道數(shù)據(jù)。仿真實(shí)驗(yàn)和分析結(jié)果表明，ASP能極大地提高服務(wù)器的可擴(kuò)展能力，尤其對(duì)于請求率很高的熱門視頻節(jié)目的點(diǎn)播，該方案可以獲得比標(biāo)準(zhǔn)Patching和Double Patching等方案更好的性能。
　　其次，在研究組播覆蓋網(wǎng)模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一個(gè)運(yùn)行于組播覆蓋網(wǎng)之上的Patching流調(diào)度策略：范圍Patching。首先構(gòu)造一個(gè)具有兩級(jí)分層結(jié)構(gòu)的

6、覆蓋拓?fù)洌缓笤诟采w格網(wǎng)之上建立單源組播樹。利用覆蓋節(jié)點(diǎn)的緩存資源對(duì)常規(guī)組播流和Patching流進(jìn)行緩存，為后續(xù)請求提供Patching服務(wù)，從而有效地減少服務(wù)器帶寬的消耗。仿真結(jié)果顯示，范圍Patching在分段數(shù)較小時(shí)可以極大的減少服務(wù)器帶寬消耗，尤其是在分段數(shù)小于組播樹平均高度時(shí)，服務(wù)器僅需為每個(gè)視頻請求分配一條傳輸信道。當(dāng)請求率較低時(shí)，范圍Patching方案可以獲得比標(biāo)準(zhǔn)Patching、Double Patching和Ba

7、tched Patching方案更高的可擴(kuò)展性。而當(dāng)請求率較高時(shí)，范圍Patching方案則依賴于分段數(shù)與組播樹平均高度間的關(guān)系。組播樹平均高度越大，該方案的性能就越好。此外，范圍Patching與同樣采用分段技術(shù)的Batched Patching和金字塔廣播等方案相比，實(shí)現(xiàn)了用戶零初始等待延遲的“真”視頻點(diǎn)播服務(wù)。
　　再次，針對(duì)覆蓋網(wǎng)性能優(yōu)化和底層探測問題，提出了一個(gè)基于節(jié)點(diǎn)融合的底層拓?fù)涮綔y方案。該方案綜合考慮了視頻傳輸系統(tǒng)

8、和因特網(wǎng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，在拓?fù)涮綔y過程中執(zhí)行節(jié)點(diǎn)融合操作，有效地減少了探測的次數(shù)。仿真結(jié)果表明，該方案在保證探測精度的同時(shí)能大大提高探測的效率。
　　最后，針對(duì)當(dāng)前BE網(wǎng)絡(luò)無法提供有效的服務(wù)質(zhì)量保證問題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于本地接入網(wǎng)的帶寬資源管理系統(tǒng)LRM，能夠有效解決IntServ/RSVP、DiffSrv等服務(wù)質(zhì)量保證機(jī)制的復(fù)雜性問題。通過對(duì)本地接入網(wǎng)可用帶寬資源的有效管理和對(duì)用戶視頻流請求的實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了有保證轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)。測試