基于組播覆蓋網(wǎng)的視頻傳輸關鍵技術研究.pdf

1、因特網(wǎng)的迅猛發(fā)展和數(shù)字視頻技術的日益成熟為大規(guī)模實時音視頻媒體流應用提供了難得的發(fā)展機遇。然而，因特網(wǎng)是一個基于分組交換技術和TCP/IP協(xié)議的全球性互聯(lián)網(wǎng)絡，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。對于具有大數(shù)據(jù)容量、延遲敏感的實時媒體流應用而言，因特網(wǎng)技術上的這些局限會帶來服務質(zhì)量難以保證、服務器可擴展性不高等諸多問題。
　　目前，利用組播技術可以有效解決視頻服務器瓶頸問題。通過實現(xiàn)一對多的視頻數(shù)據(jù)傳輸可有

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

3、底層拓撲-感知優(yōu)化。設計與底層物理拓撲相匹配的覆蓋拓撲對于提高組播覆蓋網(wǎng)的性能非常有效，但是精確的底層拓撲探測會帶來大量探測開銷并且還需要大量基礎設施節(jié)點來預測節(jié)點坐標，難于在真實網(wǎng)絡中廣泛實施。
　　另外，因特網(wǎng)在設計之初沒有考慮服務質(zhì)量保證問題。目前IETF所制定的服務質(zhì)量保證策略都是針對數(shù)據(jù)流端到端傳輸鏈路提出的。要在因特網(wǎng)這樣一個復雜的全球性網(wǎng)絡中實現(xiàn)全網(wǎng)范圍內(nèi)的服務質(zhì)量保證在現(xiàn)階段還很困難。
　　針對上述問題，本文

4、從視頻傳輸網(wǎng)絡的三個部分：用戶接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)絡和視頻服務器，對視頻傳輸系統(tǒng)中存在的關鍵問題進行了深入研究，致力于解決當前視頻傳輸系統(tǒng)中存在的性價比不高、可擴展性差以及服務質(zhì)量難以保證等問題。
　　首先，針對標準Patching組播流調(diào)度方案不適合于熱門視頻節(jié)目點播的問題，結合服務器推方式常用的視頻分段技術設計了一個自適應分段Patching（ASP）算法。APS最大的特點是實現(xiàn)了常規(guī)組播流和Patching流的最大化共享，后續(xù)對同

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)。仿真實驗和分析結果表明，ASP能極大地提高服務器的可擴展能力，尤其對于請求率很高的熱門視頻節(jié)目的點播，該方案可以獲得比標準Patching和Double Patching等方案更好的性能。
　　其次，在研究組播覆蓋網(wǎng)模型的基礎上，設計了一個運行于組播覆蓋網(wǎng)之上的Patching流調(diào)度策略：范圍Patching。首先構造一個具有兩級分層結構的

6、覆蓋拓撲，然后在覆蓋格網(wǎng)之上建立單源組播樹。利用覆蓋節(jié)點的緩存資源對常規(guī)組播流和Patching流進行緩存，為后續(xù)請求提供Patching服務，從而有效地減少服務器帶寬的消耗。仿真結果顯示，范圍Patching在分段數(shù)較小時可以極大的減少服務器帶寬消耗，尤其是在分段數(shù)小于組播樹平均高度時，服務器僅需為每個視頻請求分配一條傳輸信道。當請求率較低時，范圍Patching方案可以獲得比標準Patching、Double Patching和Ba

7、tched Patching方案更高的可擴展性。而當請求率較高時，范圍Patching方案則依賴于分段數(shù)與組播樹平均高度間的關系。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的Batched Patching和金字塔廣播等方案相比，實現(xiàn)了用戶零初始等待延遲的“真”視頻點播服務。
　　再次，針對覆蓋網(wǎng)性能優(yōu)化和底層探測問題，提出了一個基于節(jié)點融合的底層拓撲探測方案。該方案綜合考慮了視頻傳輸系統(tǒng)

8、和因特網(wǎng)結構的特點，在拓撲探測過程中執(zhí)行節(jié)點融合操作，有效地減少了探測的次數(shù)。仿真結果表明，該方案在保證探測精度的同時能大大提高探測的效率。
　　最后，針對當前BE網(wǎng)絡無法提供有效的服務質(zhì)量保證問題，設計并實現(xiàn)了一個基于本地接入網(wǎng)的帶寬資源管理系統(tǒng)LRM，能夠有效解決IntServ/RSVP、DiffSrv等服務質(zhì)量保證機制的復雜性問題。通過對本地接入網(wǎng)可用帶寬資源的有效管理和對用戶視頻流請求的實時監(jiān)控，實現(xiàn)了有保證轉(zhuǎn)發(fā)服務。測試