一种分布式视频会议媒体传输策略.doc

精品论文一种分布式视频会议媒体传输策略杨真光，孙松林，景晓军（北京邮电大学信息与通信工程学院，北京 100876）5摘要：本文针对网络视频会议系统易产生的网络负载不平衡等问题，分析了其产生原因并提 出一种新的解决方法。从基于网络的视频会议媒体传输方式出发，首先介绍了网络视频会议 系统中现阶段常用的媒体传输方式，并分析了各自的优缺点，然后提出了一种新的分布式视 频会议媒体传输策略，最后进行了仿真验证。通过分析、总结，指出了该策略的适用范围与 能解决的问题，并提出了一个适用于这一策略的理想网络模型。10关键词：分布式媒体传输策略；视频会议媒体传输；网络负载平衡中图分类号：tp37a distributed video conferencing media transfer strategyyang zhenguang, sun songlin, jing xiaojun15(beijing university of posts and telecommunications, beijing 100876)abstract: the network video conference system is easy to produce network load imbalance, to solve this problem, analysis of its causes, and propose a new solution in this paper. starting from network-based video conferencing media transfer mode, first introduced the popular networkmedia transfer models at present, and analysed their advantages and disadvantages, then proposed20a new distributed media transfer strategy for network video conferences, and finally, simulated it.pointed out that the scope of the application of the strategy through analysis, and proposed themodel of an ideal network for this strategy.keywords: media transmission of video conferencing; distributed media transmission strategy; network load balancing250引言随着社会的发展，人们对实时多媒体传输的需求越来越多，如远程监控系统、远程医疗 系统、远程视频会议系统等。这些技术的出现，使问题得到快速解决的同时极大地缩短了人 与人之间的空间距离，节约了人的宝贵时间，节省了资金，极大地方便了人们生活，提高了30工作效率。这些技术本质上都基于音视频等媒体信息的传输与显示技术，其中视频会议媒体 传输技术具有一定的代表性。视频会议系统是指两个或两个以上不同地方的个人或群体，通过现有的各种通讯设备传 输媒体信息，将它们分送到各个用户的终端上，最后通过图形、声音、文本等多种方式进行 呈现，从而增进双方或多方间的沟通与理解，提高工作效率，节省时间与金钱。然而，随着35会议规模的不断扩大，当今网络上现存的媒体传输模式由于自身的局限性有时不能满足视频 会议传输的需求，并且时常造成网络负载的不平衡，有时硬件成本难以承受。在此种背景下， 本文提出了一种分布式的媒体传输策略，可以较好的解决这一问题。1视频会议网络媒体传输模式分析视频会议系统，不论松耦合视频会议模型还是紧耦合视频会议模1，各参与方的通信信40息实际上都只包含信令与媒体两个方面。信令的拓扑结构包括集中式与分布式两种结构，而 媒体拓扑结构则包括集中式、分布式及组播式结构等2，3。然而，基于 ip 网络的视频会议系作者简介：杨真光，（1980-），男，硕士生，多媒体通信。通信联系人：孙松林，（1974-），男，博士，副教授，多媒体通信，无线通信，嵌入式技术等。e-mail:- 9 -统对网络传输设备承受负载的能力及网络带宽又有较高的要求，一般地，视频会议系统中信令负载比媒体负载小很多，大多数情况下可以将其忽略，因此媒体负载对整个系统的稳定性 有决定性的影响。网络上媒体常用的传输模式分为单播模式、组播4，5模式及广播模式。下45面分别对三者进行简要分析。1.1 单播模式图 1 单播原理50单播模式原理如图 1 所示，若 b、d、e 为接收端时，主叫端 a 则分别向接收端 b、d、 e 各发送一次媒体流，因此其共需发送三次媒体流。单播模式网络端点之间是一对一的通讯 模式，网络中的路由设备对数据只进行转发不进行复制。如果多个客户机需要相同的数据， 则发送端需要逐一传送，重复多次相同的工作。单播的缺点是发送端需要对每个接收端发送 数据流，并且有：发送的数据总流量接收端数量（发送端对一个客户端时发送的数据流55量）。在接收端数量巨大的多媒体应用中，发送端将会负载很大，甚至不堪重负而使系统崩 溃。1.2 组播模式图 2 组播原理精品论文60组播是一对多的通信模式，该模式需要转播路由的支持，原理如图 2 所示。此时接收端只有 b、d、e 三者加入了该组播组，则发送端 a 只需发送一次媒体流，接收端 b、d、e 即可全部接收到。由于终端 c 没有加入该组播组，因此 c 接收不到来自 a 的媒体流。网络 中的路由器和交换机有选择地复制并传输数据，即只将数据传输给那些加入该组播组的主 机。这样虽然加入相同组的接收端共享一条数据流，降低了发送端设备的负载，但却增加了65转发路由等网络传输设备的负载，网络成本高昂。此外，如果此路由下的子网内接收端数量 巨大，则也会易使转发路由过载，以及还存在安全性6，7等问题。在现实的网络环境中，还 有很多不支持组播的路由器等传输设备存在，因此该技术的应用范围有限。1.3 广播模式70图 3 广播原理广播是一对所有的通讯模式，如图 3 所示。网络对其中每一台主机发出的信息都进行无条件复制并转发，不管你是否需要，所有主机都可以接收到所有信息，由于其不用路径选择， 所以其网络成本可以很低廉。在数据网络中，广播被限制在二层交换机的局域网范围内，禁75止广播数据穿过路由器，因此不能在远距离 internet 宽带网上传输。2一种分布式视频会议媒体传输策略由上节分析可知，适合网络视频会议的媒体传输方式只有单播与组播。有时为了便于对 会议所传输的媒体进行控制而采用 mcu（multipoint control unit：多点控制单元），这样 虽然减轻了各个终端的负载压力，方便了对来自终端的控制信令与媒体进行统一管理，但这80样的视频会议系统常常受到 mcu 的限制，对整个系统的硬件要求较高，成本较昂贵。因此， 到目前为止，还没有一种对各种不同规模的视频会议系统都适合的媒体传输策略可使网络传 输负载与媒体终端负载更好地相互平衡，并降低网络成本。为此，这里提出一种分布式视频 会议媒体传输策略，可以更好地维护网络负载平衡，并降低组网成本。首先，做如下假设：85（1）主叫端所需传输的音视频等媒体数据大小为 m 字节，每次传输的数据包大小为 m字节；（2）共有 n 个被叫端；（3）主叫端将大小为 m 的数据包发送到每个客户端所花费的时间相同，均为 t；（4）每个客户端转发大小为 m 的数据包到其他（n-1）个客户端的时间相同，均为 t”；90（5）被叫端可接收的视频延迟最长为t；（6）媒体传输路径上的路由器不支持多播模式。基于以上假设，则传统视频会议媒体传输策略如图 4 所示。95100图 4 传统视频会议媒体传输策略主叫端数据包发送时，其一次发送 n 个相同大小为 m 的数据包到 n 个接收端。在保证 被叫端视频延迟时间t 可接受的情况下，主叫端须每隔 t发送数据包到 n 个被叫端。此外， 主叫端对每个被叫端应发送的数据包次数为 m/m，因此对主叫的发送数据处理速度要求至 少应为 nm/t，主叫需要传输数据的总次数为 mn/m。对于每个被叫端，则其接收数据处理 速度至少为 m/t。此外，这里要求 t=t。我方提出的分布式视频会议媒体传输策略如图 5 所示。12|n1122|nn12|n图 5 分布式视频会议媒体传输策略精品论文105110115120125130135140主叫端把总大小为 m 的多媒体数据，分为 m/m 个数据包，分别依次把其中的第 i%n(取余)个数据包（0i=int(m/m)+1）传输给对应的 n 个被叫端。每个被叫端接收到主叫端传来 的数据包后，再把其传输给其他 n-1 个被叫端。在以上假设情况下，对于主叫端，设其应依次在 t时刻内将 m 大小的数据包发给各个 被叫端；各个被叫端在收到主叫端发来的大小为 m 的数据包后，应依次将其在 t”时刻内发 送给其他所有 n-1 个被叫端。在此要求 maxt,t”=t（被叫端可接受的最大视频传输延迟 时间）。因此，主叫端所要求的吞吐量至少为 m/t，传输数据的次数为 m/m 次；被叫端所 要求的接收数据处理速度至少为 max m/t, m/t”，发送数据处理速度至少为 m/t”。通过对比可知，完成同样的数据传输功能，主叫端的数据传输次数可由传统的 mn/m 次， 降至改进后的 m/m 次。对于被叫端，改进前其接受数据的处理速度至少为 m/t； 改进后， 每个被叫端接收数据的处理速度至少为 max m/t, m/t”，发送数据的处理速度至少为 m/t”。3系统数据比较与仿真我们在传输同样大小媒体数据情况下，从完成传输所花费的时间、各个终端完成传输时 所传输的数据量两个方进行仿真。3.1数据比较1. 传统传输模式主叫端完成传输全部 m 数据到各个被叫端所需花费的时间：mt/m; 每个被叫端接收完成 m 数据所需花费的时间是：mt/m; 主叫端所要求的发送数据处理速率至少为：nm/t; 每个被叫端的接收数据处理速率至少为：m/t;主叫端完成传输全部 m 数据所需传输的数据量为：mn; 每个被叫端完成数据接收时从主叫端接收到的数据量是：m； 每个被叫端完成数据接收时需传送的数据量是：0。2. 分布式传输模式主叫端完成传输全部 m 数据到各个被叫端所需花费的时间：mt/m; 每个被叫端接收完成 m 数据所需花费的时间是：mt/(mn) +mt”(n-1)/(nm); 主叫端所要求的发送数据处理速率至少为：m/t; 每个被叫端接收数据处理速率至少为：maxm/t”, m/t,且要求 maxt, t”=0 的情况下当 n=1 时函数 t=kt”+(t-t”)/n取得最大指，最大值为=kt=mt/m，当 n=+或 t=t”时，函数取得最小值，最小值为=k t”= m t”/m。 由于我们只考虑函数的变化关系，因此在此我们将常量 k=1。单播模式与分布式传输模式被叫端接收数据所用时间与参加会议人数的关系仿真结果如图 7 所示。160165图 7 tt”时的仿真图形在图 7 中我们也举出三个数据进行对比。从中我们可以看出，当接收端间的媒体传输 时间小于发送端向接收端发送媒体时的传输时间时，此分布式媒体传输模式被叫端接收完全 部视频数据所用时间随着参加会议的人的增加而减小，但不小于 m t”/m，不大于 mt/m。（2）t” - t0 的情况下当 n=+时函数 t=kt”-(t”-t)/n取得最大指，最大值为=kt”=mt”/m，当 n=1 时函数 取得最小值，最小值为=kt= mt/m。由于我们只考虑函数的变化关系，因此在此我们也 令常量 k=1。170175180185190图 8 t0 时的仿真结果如图 8 所示，在此我们也举出三个数据进行对比。从中我们可以 看出，当接收端间的媒体传输时间大于发送端向接收端发送媒体时的传输时间时，此分布式 媒体传输模式被叫端接收完全部视频数据所用时间随着参加会议的人数的增加而增加，大于 等于 mt/m ，但不会超过 mt”/m。用单播的数据传输模式时，虽然被叫端接收数据所用时间为 mt/m，但发送端负载会随 参加会议人数的增加而成正比例增加。4小结从以上数据对比与仿真中，我们显然可以看出，分布式视频会议策略可以很好地降低主 叫方的负载压力，使主叫方的负载几乎不随被叫端的数量的增加而过多的增加（主叫端到各 个被叫端的会话初始信令会增加，但信令的增加代价较小）。此外，对于主叫方而言，理论 上几乎可以无限制地加入被叫，并且不会使主叫服务器、网络传输设备等过载，有利于网络 整体健康。由以上分析可知，该分布式媒体传输策略在多方媒体传输中可以解决的问题有：（1）降低主叫端负载，有利于网络的负载平衡；（2）当接收端间的媒体传输时间(t”)小于发送端向接收端发送媒体的传输时间（t）时， 即 t t” 时，可以改善网络传输的实时性。该分布式媒体传输模式，当 tt” 时传输模型最为理想，此时，不但能够平衡整体的网 络负载，不使主叫端或网络传输设备的负载过多地增加，而且还可以缩短传输延迟，改善媒 体传输的实时性，理想的网络架构如图 9 所示。 本分布式媒体传输策略是以适当增加接收端的复杂性来换