（模式识别与智能系统专业论文）基于natpt的流媒体调度公平性研究.pdf

摘要 摘要 目前，以“传输流式多媒体节目”为特征的流媒体技术，对下一代网络协议i p v 6 的依赖度越来 越高。网络与网络应用从i p v 4 向l v 6 过渡阶段的流媒体技术的一个根本特征就是能向1 p v 4 及l p v 6 节点的用户公平地提供服务，为此需要提出一种调度机制来实现流媒体节目调度的公平性。 实现流媒体播放系统调度i p v 4 、i p v 6 这两类流媒体节目的公平性，可以使该系统针对i p v 4 、l p v 6 流媒体节目的调度效率最大化，也有利于系统在i p v 4 - 1 p v 6 过渡阶段实现平稳运行和过渡。但是， 过渡阶段的流媒体渭度机制与当前i p v 4 褐络环境中的区剐较大，而且移动流媒体谒度与l a u m b e t 中 的流媒体调度的实现机制也存在差异。因此，本文着重从流媒体节目播放网络系统中的l p v 4 i p v 6 网络间的转换网关、i n t e r n e t 中的流媒体节目调度算法以及移动流媒体节目调度算法等几个方面入 手，通过对目前的流媒体技术进行了分析比较，讨论了1 p v 4 向i p v 6 网络过渡阶段实现流媒体节目 调度公平性的关键问题，以目前居于主流地位的n a t p t 过渡技术为实施基础，对流媒体节目调 度过程进行了建模，提出了针对过渡阶段的流媒体节目调度算法m f p q t ，并对算法的调度公平 性和调度效率进行了分析和验证。最后，本文还进一步对i p v 4 一i p v 6 过渡阶段的移动流媒体节目调 度中的不公平现象进行研究，并结合w f s 算法的思想提出了w f s b - m f p q t 算法，并加以验证。 本论文的主要工作从属于“下一代互联网中日i p v 6 合作项目( i p v 6 - - c j ) 2 0 0 3 1 6 0 7 ”的子 项目。t p v 4 应用到i p v 6 应用的过渡技术( 第1 5 子顼) ”，同时还得到联想研究院上海分院的 “h i m a l a y a s ”项目的支持。 关键词：i p v 4 ，l p v 6 ，n a t - p t ，流媒体，调度算法，公平性，移动流媒体 分类号：t p 3 9 3 茎重盔塑主丝望苎 n o w a d a y s t h es t r e a m i n gm e d i at e c h n o l o g y , w h i c hi s c h a r a c t e r i z e db yt r a n s m i t t i n gs b h g m u l t i - m e d i ap r o g r a m ，i si n c r e a s i n g l yd e p e n d e n to nt h en e x tn e t w o r kp f 0 呲o 卜_ i p y 6 t h ef u n d a m e n t a l c h a r a c t e ro fs 仃e a m i n gm e d i at e c h n o l o g yd u r i n gt h et r a n s i t i o np e 0 df r o m1 p v 4t ol p v 6i st h a ti ts u p p o r t s s e r v i c e sf o rb o t hl p v 4a n d1 1 k , 6u s e r sf a i r l y t h e r e f o r e i ti sn e c e s s a r yt od e s i g nap r o g r a m - s c h e d u l i n g m e c h a n i s mt ol - e a l i z ct h ef a i m e s so f s c h e d u l i n gt h es t r e a m i n gm e d i ap r o g r a m t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es u e a r n i n gm e d i at e c h n o l o g ya p p l i c a t i o nm a k ei tn e c e s s a r yt ot a k em o r e f a c t o mi n t oc o n s i d e r a t i o nw h e ni m p l e m e n t i n gt h es t r e a m i n gm e d i ap r o g r a ms c h e d u l e rt h t h e c o n v e n t i o n a ls e r v e rp l a ym s o u l c s c h e d u l i n g m o r e o v e r , t h ei m p l e m a n t i n gm e c h a n i s mo fm o b i l e s 仃e a m i n gm e d i ap r o g r a m - s c h e d u l i n gi s d i f f e r e n tf r o ms t r e a m i n gm e d i ap r o g r a m - s c h e d u l i n gi nt h e e n v i r o n m e n to f i n t e m e t t h e r e f o r e ，t h ep a p e rf o c u s e so l l $ e v e m la s p e c t s ，s u c ha st h ei l l t e f p r e t a 舡曲g a t e w a y o ft h el p v 4 i p v 6i n m m e = tw o r ki nt h es t r e a m i n gm e d i ap r o g r a mp l a y i n gn e t w o r ks y s 把m ，t h es c h e d u l i n g s t r a t e g yo ft h es t r e a a n i n gm e d i ap r o g r a mo ni n t e r n e ta n dt h es c h e d u l i n gs t r a t e g yo fm o b i l es t r e a m i n g m e d i ap r o g r a m b ya n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gt h ep r e s e n ts t r e a m i n gm e d i at e c h n o l o g y , t h ep a p e rd i s c u s s e s t h ek e yp r o b l e m so fr e a l i z i n gt h es t r e a m i n gm e d i ap r o g r a m s c h e d u l i n gf a l m e s s 缸t h et r a n s i t i o np e r i o d f r o mi p v 4t 01 p v 6 b a s e do nt h ed o r a i n a n tn a l ：p tt r a n s i t i o nt e c h n o l o g y , t h ep a p e rd e s i g n st h em o d e l i n g o fs t r e a m i n gm e d i ap r o g r a m - s c h e d u l i n gp r o c e s s ，a n dp r o p o s e san e wa l g o r i t h m m f p q 下o ft 1 1 e s t r e a m i n gm e d i ap r o g r a m - s c h e d u l i n gf o ft 1 1 et r a n s i t i o np e d o d ，1 1 1 es c h e d u l i n gf a i r n e s so f m f p q t i sa l s o a n a l y z e da n dv a l i d a t e d f i n a l l y , t h ep a p e ra l s od i s c u s s e sa n ds o l v e st h ep h e n o m e n o no fu n f a i r n e s s i n m o b i l es t r e a m i n gm e d i ap r o g r a m - s c h e d u l i n gd u r i n gt h et r a n s i t i o np e r i o df r o m l p v 4t ol p v 6 ，a n d 、 ，f s b m f p q ra l g o r i t h mj sp u tf o r w a r db a s e dt h ej d e no f w f s a n dm f p q t 1 1 1 i sr e s e a r c hw o r ko f t h ed i s s e r t a t i o ni ss u p p o r t e db y n g nl p v 6c o o p e r a t i o np r o j e c tb yc h i n aa n d j a p a n ( i p v 6 - c j 2 0 0 3 1 6 0 7 ) ”a n d t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t p r o j e c t “h i m a l a y a s o f l e n o v o k 昭w o r d s ：i p v 4 i p v 6n a t - p t s t r e a m i n gm e d i as c h e d u l i n ga l g o r i t h m f a i r n e s sm o b i l e s t r e a m i n gm e d i a s o n ：记3 9 3 l i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所星交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 知，除了文中特副加以标注和致诲的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或 部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 躲陋一掘仁一 第一章绪论 第一章绪论 本章首先介绍流媒体调度问题的研究背景，解释流媒体调度公平性的概念，指出本文的研究问 题，然后分析该研究问题所涉及的关键技术，并对相关研究的现状进行评述并分析所存在的问题， 最后提出本文的研究目标，概括了本文的主要工作。 1 1 研究背景 i n t e r n e t 和移动通信网络的快速发展，催生了诸如网络视频点播、移动流媒体等新的应用技术。 同时，由于这些应用的迅速普及，反过来又对i n t e r n e t 和移动通信网络提出了更高的要求，其中最 重要的一点就是对1 p 地址的大量需求，于是拥有1 2 8 位二进制地址的新的i p 协议i p v 6 ( i n t e r n e tp r o t o c o lv e r s i o n6 ) p l 就应运而生，网络及网络应用从i p v 4 向i p v 6 的过渡技术 的研究也逐步展开，这其中就包括负责i p v 4 、i p v 6 两类网络互连互通的技术，如n a t p t ( n e t w o r k a d d r e s s t r m s l a t i o n p r o t o c o l t r a n s l m i o n ) 技术，以及涉及对i p v 4 i p v 6 两类多媒体数据流迸行调度的 技术等内容，而对基于n a t p t 技术的流媒体调度公平性算法及其实现策略的分析和设计就是本论文 所研究的主要内容。 如何对宝贵的网络资源根据定的公平性原则进行分配和管理，使网络发挥晟大的效益，一直 是网络应用研究中的一大难题。目前，数字网络中普遍采用的带宽分配方法使所有用户满足最大一 最小公平性( m a x - r a i nf a i y n e s s ) 唰，它要求在网络传输能力的限制条件下尽可能相等地分配给所有 用户相应的带宽。由于该原则对所有信源是一视同仁的，因此它很难使网络资源的利用率达到最高。 针对以上问题，k e l l y 提出了使网络中所有信源的效用函数( u t i l i t yf u n c t i o n ) 最大的流量控制算法， 该算法可以更有效地利用网络资源，并使带宽分配满足比例公平性( p r o p o r t i o n a lf a i r n e s s ) 【3 】。 除以上两种带宽分配方法外，还可根据一定的需要确定相应的目标函数，从而使数据( 包括流媒体 数据) 的传输时延等q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ，服务质量) 指标达到最优1 4 1 。 基于这些概念，i p v 4 向i p v 6 网络过渡阶段的流媒体调度公平性被定义为；通过对播放资源的 合理分配，实现i p v 4 和i p v 6 两类流媒体应用的q o s 参数( 如传输时延等) 的比例公平性p 1 。这种 比例公平性在i p v 4 向i p v 6 网络的过渡阶段尤其重要，它将保证在过渡的各个时期，流媒体播放系 统所采用的流媒体调度算法都能兼顾到1 p v 4 应用和l p v 6 应用的q o s ，而不是偏重某一类网络中的 流媒体应用，或优先调度基于某一类数据包的流媒体节目，这样才能够提高过渡阶段中，i p v 4 i p v 6 流媒体播放系统调度两种数据包类型的流媒体节目的公平性，也才能实现系统总调度效率的最大化。 在i p v 4 向i p v 6 网络的过渡阶段，由于涉及i p v 6 技术的应用迅速增多，一些还不十分完善的过 渡技术( 如目前居主流地位的n a t - p t 网关技术) 被引入到许多重要的研究项目中，以解决诸如i p v 4 、 i p v 6 网络间的互通问题。这些过渡技术在设计中的固有的局限性导致了一些环节出现对i p v 6 流媒 东南大学博士学位论文 体数据调度的不公平现象制1 7 j 。i x i a 公司的相关测试已经表明：跨i p v 4 i f v 6 网络传输的和在各自 网络内传输的数据流，这两者在传输方面的q o s 参数已经相差较大，且随着流媒体应用日趋普遍， 流媒体播放系统所在网络的边界路由器的拥塞过载和丢包现象越发严重时，这种差别也将越发明显 ”l 。如果能够有效地对这一问题加以解决，则会有利于涉及i p v 6 技术的相关流媒体应用在有线及移 动通信网络中的进一步推广，并反过来促进对i p v 6 技术研究的进一步深入，所以网络与网络应用由 i f v 4 向i p v 6 的过渡酚段的流媒体调度公平性的研究也就具有了重要的现实意义。 本文主要研究网络与网络应用由i p v 4 向i p v 6 的过渡阶段中基于n a t - p t 网关作为过渡技术 的流媒体应用系统的调度公平性问题，从该播放系统的关键硬件技术- n a t - p 1 a l g 转换网关， 以及关键软件技术流媒体节目调度算法等方面，来讨论实现流媒体调度公平性需要解决的关键 问题，研究了如何在i n t e m e t 和移动通信网络中具体实现流媒体节目调度的公平性。下面首先简要 介绍一下相关技术背景。 1 1 1i p v 6 与n a t p 1 a l g 转换网关 当前版本的i p 协议( 即i p v 4 ) 实质上还是1 9 8 1 年发布的p s c 7 9 1 ，当时的设计者并没有预料到 几十年后i n t e r n e t 的规模会以爆炸式增长的方式快速扩大，以至了二导致了当前i p 地址空间即将耗 尽的问题。在业界着力研究的下一代网络( n g n ，n e x tg e n e r a t t o nn e t w o r k ) 技术中。新的i p 协议 被称为i p v 6 ，其地址空间将达到2 8 1 ( 3 ，4 x 1 0 ”) 个。相比于i p v 4 ，它还具有多种优点。 i p v 6 第一次被提出是在1 9 9 4 年由i e t f 批准的r f c l 7 5 2 中，1 9 9 8 年1 2 月发布了最终的标准 r f c 2 4 6 0 ，但其中还有诸如流标签等一些概念留待进一步标准化。尽管i p v 6 与i p v 4 不兼容，但i p v 6 同其他所有的t c p i p 协议族中的协议都兼容，即i p v 6 完全可以取代i p v 4 1 9 1 。 在i p v 6 成为主流协议之前，首先使用i p v 6 协议棱的网络希望能与当前仍被i p v 4 支撵着的 i n t e r n e t 进行正常通信，因此必须开发出i p v 4 i p v 6 互通技术以保证i p v 4 能够平稳过渡到i p v 6 ， 同时，互通技术应该对信息传递做到高效无缝。网络及网络应用由i p v 4 向i p v 6 过渡的过程中， 先行升级的i p v 6 网络如同i p v 4 海洋中的孤岛，需要通过i p v 6 过渡机制用来实现孤岛与孤岛间，以 及孤岛与海洋间的通信。这些过渡机制包括了用于过渡初期的过渡技术双协议栈、i f v 6 节点间 穿越i p v 4 鼹络的互连方案隧道技术，以及1 p v 4 p v 6 网络间互通技术n a p t 网关等多个 方面，在下文第2 2 3 中，笔者将详细介绍主要的几类过渡机制在不同的应用领域所起的作用。 目前，由于全球对i p v 4 与 p v 6 两类地址的申请速度越来越快，l p v 4 f l p v 6 网络间直接互通的要 求也越来越迫切，所以业界对l p v 4 l p v 6 网络间的互通技术更为关注。而在过渡阶段的互通技术中， 升级容易而又具有较多优点的n a t p t ( r f c2 7 6 5 ，r f c 2 7 6 6 ) l i l l l l 2 技术已经受到业界更多的重视， 目前逐渐成为了居主流地位的l p v 4 i p v 6 网络阃互通技术。近几年，在对n a t p t 过渡机制的研究和 完善方面取得的进步也摄大。 基于结合a l g ( a p p l i c a t i o n l a y e r g a t e w a y ，应用层网关) 的动态n a t - p t 转换网关( n a t - p t a l g 转换网关) 的过渡方案，可以保证纯i p v 4 或纯i p v 6 站点能够同其他站点( 纯i p v 4 、双协议栈和纯 1 p v 6 ) 自由通信，且通信可以由任意站点内的任意主机发起，而不需要对转换网关之外的站点进行 2 第一章绪论 任何改动，减少了升级的难度，所以这是一种非常实用且大有前途的过渡技术。第二章将对其作详 细分析。 1 1 2 流媒体技术 从网络上获取音频、视频等连续媒体数据并即时播放的技术称为流媒体技术，它被公认为当前 网络传输的最佳解决方案，尤其是在移动通信领域中，但涉及流媒体的各类相关技术起先并没有考 虑支持i p v 6 协议栈。在i p v 4 - i p v 6 过渡阶段，新建的流媒体应用系统应该是：采用合适的i p v 4 ip 、，6 网络间互通的过渡技术( 诸如设置n a t - p t a l g 转换网关等) 以实现同时为i p v 4 和i p v 6 节点的用户 提供服务的流媒体应用系统l ”】。此时，该系统中两类不同性质数据包组成的流媒体节目都需要占用 系统的播放资源，同时也都要接收系统的调度。 移动流媒体是流媒体技术在移动网络和终端上的应用，主要是利用目前2 ，5 g 或3 g 的移动通信 网，为手机终端提供音频、视频的流媒体服务。由于i p v 6 拥有数目极大的i p 地址，尤其适合一些 需要i p 地址的移动终端应用，因此i p v 6 最有可能首先在移动通信领域得到商业应用，业界一直努 力寻找和挖掘的3 g “杀手级应用”( k i l l e r a p p l i c a t i o n ) 很可能在i p v 6 与流媒体技术的结合中产 生。目前，在无线通信领域处于领先和主导地位的3 g 技术规范机构3 g p p ( 第三代合作伙伴项目) 已经将i p v 6 作为其i p 多媒体子系统i l a s ( i pm u l t i m e d i as u b s y s t e m ) 的网络层协议。 流媒体的网络传输要求具备高带宽、低传输时延、支持组播模式等特征，目前主流的流媒体传 输协议有r t p r t c p ( r e a l t i m et r a n s p o r tp r o t o c o l r e a l t i m et r a n s p o r tc o n t r o lp r o t o c o l ， 实时传输协议实时传输控制协议) 、r s v p ( r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c o l ，资源预留协议) 、 r t s p ( r e a l t i m es t r e a m i n gp r o t o c o l ，实时流协议) 【】1 等。目前，流媒体传输的研究热点集中在调 度技术、多媒体代理服务器及流媒体的拥塞控制技术上 j 。 在过渡阶段，随着i p v 6 节点的增多，涉及i p v 6 流媒体节目的应用也迅速增多，但是由于产生 时间较早，涉及流媒体的各类相关技术起先并没有考虑支持i p v 6 协议栈，因此导致了一些环节出现 不利于i p v 6 流媒体文件传输、管理和调度的情况旧，也产生了改进现有流媒体技术以适应过渡阶 段变化的需求。第三章将对其作详细分析。 1 2 流媒体调度公平性问题及研究现状 1 2 1 公平调度算法 随着分布式多媒体应用的急剧增加，越来越多的应用要求网络提供良好的服务质量( q o s ) 。保证 q o s 的一种方法是为每个请求q o s 的连接预留足够的资源。然而许多分布式多媒体应用具有大容量、 突发性等特点，而且用户往往希望自己获得的网络资源越多越好，这就很容易引起网络拥塞并使该 类应用的q o s 指标恶化i 。如何对宝贵的网络资源根据一定的公平性原则进行分配和管理，使网络 3 东南大学博士学位论文 发挥最大的效益便成为当前的一大难遂。 直观上讲，“公平”是指不能因为某些用户需要更多的资源就牺牲其它用户的合法利益。关于网 络传输技术中的公平性现已有多种定义，常见的有最大最小公平性( m a x - m i nf a i r n e s s ) 和比例公平性 ( p r o p o r t i o n a lf a i r n e s s ) 。为了从理论上判断公平性算法的优劣，最大最小公平性准则是一种常用的公 平性评价标准。根据b e r t s e k a s 在其经典专著( d a t an e t w o r k 中的总结概括”j ，其定义可以表述如 下：当且仅当在一个可行的带宽分配x 中，某些信源传输速率的增加必须以其他一些速率较低的信 源传输速率的降低为代价时，该带宽分配满足最大最小公平性准则，即对于其他可行的带宽分配y ， 如果对某个站点s ，有y s x s ，则一定存在某些站点s ，使得x s t 钒，且y s ， x s ，。对于一个特定的网络， 当信源和路径都确定时，存在唯一的带宽分配方案满足最大最小公平性原则。目前，晟大最小公平 性准则已经得到业界的公认，绝大多数数字网络中都己要求带宽分配方法能使所有用户满足最大最 小公平性。 但是，由于该准则对所有信源是一视同仁的，因此它很难使网络资源的利用率达到最高。针对 以上问题，k e l l y 提出了使网络中所有信源的效用函数最大的流量控制算法，该算法可以更加有效地 利用网络资源，并使带宽分配满足比例公平性( p r o p o r t i o n a lf a i r n e s s ) | 3 1 。根据i p v 4 向i p v 6 网络过渡 阶段的流媒体调度公平性的定义，要保证i p v 4 、i p v 6 两类流媒体数据在被分配带宽时满足比例公平 性，就需要在调度中使两类数据流受到平等的对待，因此也只有通过在调度中采取分而治之的手段 才能保证这种比例公平性。第四章中的流媒体调度公平性算法m f p q t 就是基于此思想而进行设计 的。 此外，k e l l y 还提出以最大化所有用户效用为目标来满足带宽约束条件的最优化模型l ”1 ，在此 效用最大化模型中选取不同的效用函数可实现各种公平性目标。该模型也进一步产生了目标函数调 度思想，即根据一定的需要确定相应的目标函数，从而使数据传输延迟或其它指标达到最优。 有线网络中采用的典型的公平调度算法主要有w f q ( w e i g h t e df a i rq u e u i n g ) i i s jl 、舻0 ( w o r s t c a s ef a i rw e i g h t e df a i rq u e u i n g ) u s l 和s t f q ( s t a r t t i m ef a i rq u e u i n g ) 1 2 0 1 等。其中， w f q 调度算法是调度器普遍使用的调度算法之一，它主要通过计算调度队列的带宽来进行调度，w f q 算法本身的局限性导致了一些问题，由此出现了许多改进的w f q 调度算法。有的采用共享因子进行 调度”i ，有的采用优先级进行调度【2 2 i ，调度器根据共享因子或优先级决定各个队列的调度频度，共 享因子大的队列或优先级别高的队列，调度频度就高。 针对不同情况和要求( 如过渡阶段的要求) 对w f q 算法的改进可以提高调度的效用。例如在i p v 6 的q u s 管理中，就以w f q 调度算法来区分并调度指定的分立队列中的各类数据流，并在此基础上， 通过在管理系统中加入i f v 6 包的流标签、i p 源地由 、域名全局标识符( d g i ) 等手段，为数据流预 约资源并加以处理，以此对w f q 调度算法加以改进，进而设计出不同的改进算法。 值得一提的是，针对i p v 6 所设计的q o s 管理方案对数据包采取先降级处理再考虑丢弃的思想， 该方案比d i f f s e r v ( 区分服务方案) 的q o s 水平高，同时又比i n t s e r v ( 集中服务方案) 更简化， 因此在相容性和非相容性测试中得到了比d i f f s e r v 和i n t s e r v 更好的结果口”。 4 塑= 童堑堡 1 2 2 流媒体调度算法 随着交互式多媒体视频点播( v o d ) 的发展，流媒体传输的研究热点逐渐集中在调度技术上，从传 统的静态调度技术发展到动态调度技术，后来又出现了基于补丁算法的动态调度技术，即补丁算法 族，包括：周期补丁、选择性周期补丁、补丁流优先等多种技术。目前在流媒体调度中行之有效的 调度策略是补丁流优先调度策略，与之配套而普遍采用的算法是m p q l ( m a x i m u mp a t c h i n go u e u e l e n g t h ，最大可补丁等待队列长度优先) 算法和w f p q ( ) d a x i m u mf i x e dp a t c h i n gq u e u el e n g t h ，修 正后的最大可补丁等待队列长度优先) 算法 2 4 - 2 7 1 。 i l p q l 算法的基本思想是：当服务器有一个空闲通道时，优先调度所有用户请求队列中可以用补 丁流来满足的长度撮大的一个队列。而l l f p q 算法是在此基础上，考虑到经常出现的多个用户连续对 同一个媒体对象进行请求的情况，提出略为滞后对这个等待队列的调度，在对队列长度进行衡量时， 增加一个修正项。旨在让它吸收更多的用户请求再为它分配媒体节目播放通道。这样的处理将减少 补丁流的数量，能更进一步地减少服务器和网络的负荷。第三章将对这两种算法进行重点分析，以 此为基础，笔者将在第四章中提出流媒体调度公平性算法。 1 3 存在的问题 虽然补丁流优先调度策略和m p q l m f p q 调度算法的良好性能己得到了实践的证明，但是这种调 度策略毕竟是以i p v 4 网络为应用环境来设计的。在i p v 4 向i p v 6 网络过渡期间，随着i p v 6 用户节 点和服务器节点的逐渐增多，继续使用这种调度策略将产生一些负面影响。 这是因为，传统的流媒体调度技术将所调度的节目视作相同性质的个体，没有进一步从分组数 据包自身性质和处理要求等方面细分不同类型的数据流，如i p v 4 数据流和i p v 6 数据流。然而，随 着i p v 6 技术的迅猛发展和广泛应用，越来越多的i p v 6 数据流对现有i p v 4 数据流的影响日益突出。 单从全局角度提高整个网络传输系统的效率和媒体播放系统的性能，并不能有效地弥补i p v 4 数据流 与i p v 6 数据流之间的调度差异，而且由于调度复杂度的加大，因此有时反而会使整个系统的0 0 s 指标更加恶化。 在流媒体调度算法方面，由于i p v 6 用户请求的性质决定了它们有别于i p v 4 的用户请求，在过 渡初期所产生的i p v 6 用户请求队列因为较短而总是处于弱势地位，因而在针对i p v 4 节点和i p v 6 节点的用户请求方面，现有的调度策略使两类节点服务的响应差别较为明显。其中晟直接的现象是： 当i p v 4 流媒体服务器接近满负荷时，i p v 6 用户节点再向服务器进行点播请求，则其响应时延会迅 速增大，甚至会被直接拒绝，而与此同时，针对i p v 4 用户点播的响应情况却相对好得多口嚣】。 综上所述，i p v 4 网络环境中的流媒体应用系统响应i p v 6 用户请求时出现的大量时延和拒绝现 象，使得系统整体服务性能下降，而且随着i p v 6 节点的增多，这种性能的下降越明显。如果不加以 改进，不仅目前的i p v 6 数据流服务质量会严重下降而不利于i p v 6 技术的发展，而且在i p v 4 向i p v 6 网络过渡的后期，也同样会造成对i p v 4 数据流服务质量的下降。 5 东南大学博士学位论文 现有调度策略固有的局限性是产生这种失衡的原因，因此本论文在调度算法和调度策略上尤其 重视了i p v 4 和i p v 6 节目流调度的平衡问题，关于这一问题，将在下面的各章节中具体研究。 1 4 本文的目标和主要成果 实现流媒体播放系统调度i p v 4 、i p v 6 这两类流媒体节目的公平性，可以使该系统针对i p v 4 、i p v 6 流媒体节目的调度效率最大化，也有利于系统在i p v 4 i p v 6 过渡阶段实现平稳运行和过渡。但是由 于流媒体应用在带宽、时延等方面有相对较高的要求，而通过n a t - p t 等翻译机制实现其在i p v 4 和 i p v 6 网络之间的互通存在传输和处理上的性能瓶颈，由此产生的流媒体调度等环节的不公平现象， 有必要研究解决与之相关的问题。 因此，本文旨在通过对i p v 4 向i p v 6 网络的过渡阶段中的流媒体调度公平性的研究，设计出对 i p v 4 、i p v 6 两类数据流公平调度的策略，解决涉及i p v 6 的流媒体技术在发展中遇到的节目调度不公 平现象，以此来推动基于i p v 6 的流媒体应用( 包括移动流媒体应用) 的深入研究和开发，同时使本 文研究的成果能够很好地应用于现有的流媒体调度服务器中。以提升其总体的服务效率。 本文研究的具体目标是；根据i p v 4 一i p v 6 过渡阶段对流媒体技术的新要求，从端系统和边界路 由器两方面深入研究流媒体调度公平性问题，提出基于n a t - p t 过渡技术的流媒体调度算法，使得 过渡阶段的流媒体播放系统能按照流媒体调度公平性的要求对i p v 4 、i p v 6 两类数据流进行调度，减 少系统中l p v 4 和i p v 6 的两类q o s 参数( 主要是传输时延) 的差异，以实现流媒体调度的公平性， 且提出的调度机制应是低复杂度的、易于实现的。 依托本文所属的项目“下一代互联网中日i p v 6 合作项目”( i p v 6 一c j ) 的实验环境，笔者 在对项目组相关实验成果的分析和研究的基础上，对引起i p v 4 和i p v 6 两类数据流的调度性能差异 的原因，以及影响调度公平性的一些重要因素进行深入研究并提出解决方案，研究的主要成果有： 分析了以n a t - p t a l g 网关作为过渡技术的流媒体调度所具有的特点，据此参与设计并搭建了 实验网络，主要负责实验环境中n a t - p t 网关的设计和相关参数的实测分析，为晟终成果 基于n a t - p t i a l g 网关的i p v 4 l p v 6 流媒体应用系统的实现提供了基础，并根据研究流媒体调 度公平性的需要，在实验网络中对传输延时等重要参数进行了测算，作为进一步研究的基础。 基于本项目实验网络的流媒体应用系统，具体研究了i n t e r n e t 中的流媒体技术涉及i p v 4 和 i p v 6 的流媒体调度算法的公平性，并据此提出流媒体调度算法( m f p q t ) 和相应的流媒体服务 器方系统流程。 基于采用n a t - p t 作为过渡技术的移动流媒体应用系统，在m f p q t 算法研究的基础上，进一步 研究了移动流媒体技术中涉及i p v 4 和i p v 6 的流媒体调度算法的公平性，并据此提出移动流媒 体调度算法( w f s b m f p q t ) 和相应的流媒体服务器方系统流程。 第一章绪论 1 5 本文的创新点 通过回顾研究过程和总结以上的研究成果，笔者认为本文具有如下创新： 一是研究角度的创新。据本人所收集的资料，目前国内外关于流媒体调度公平性的研究，都集 中在基于一般公平性概念的数据流调度技术( 详见4 1 和5 3 1 的描述) ，以及对现有的流媒体调度 技术本身的公平性改善( 详见4 2 1 的分析) 等方面，而针对i p v 4 - 1 p v 6 过渡阶段中出现的对i p v 4 、 i p v 6 两类流媒体数据的调度公平性等相关方面的问题，据笔者所收集的资料来看，未见有深入的研 究。本文试图弥补国内外研究的这一缺陷，基于在i p v 4 一i p v 6 网络问互通技术中居主流地位的 n a t - 刚a l g 转换网关技术，提出新的流媒体调度算法，以满足i p v 4 向i p v 6 网络过渡阶段的调度公 平性要求。另外，也希望以此作为研究的切入点，在今后的工作中加以深入，同时也为业界对该方 面的研究提供参考。 二是研究方法的创新。这一点主要体现在本文的研究方法将不局限于理论分析和仿真分析，在 某种程度上还会更多地依托所属项目的实验网络进行测算和验证。本论文所属的“下一代互联网中 日i p v 6 合作项目”( i p v 6 一c j ) 有着完善的专供实验用的网络环境( 以下称为i p v 6 试验网) ：i p v 6 试验网能够支持i p v 4 和i p v 6 的互通、支持q o s 、组播通信等技术，为我们进行流媒体应用的测试 实验提供支持；i p v 6 试验网还能和现有的i n t e r n e t 互通，为我们研究i n t e r n e t 和i p v 6 试验网之 间的涉及流媒体应用的网间交互技术，提供了网络实验环境；此外，位于本校的网络实验环境不但 拥有完整的实验平台，还能与i p v 6 试验网通过现有的i n t e r n e t 互连。以上的网络环境为我们研究 流媒体调度公平性提供了良好的实验基础，因此对于本文中的有关研究点，在可以通过网络实验进 行研究和验证的情况下，我们都尽可能使用本项目的网络环境进行实验分析和测算。 三是研究内容和成果的创新。本文的研究内容主要涉及到三个主要方面，第一是参与了 n a t - p t a l g 转换网关的设计和实现，为作为项目最终成果之一的i p v 4 i p v 6 流媒体应用系统( 目前 服务于本校的远程教育网络视频系统) 提供了翻译机制方面的基础，在技术实现方面填补了国内的 空白；第二是在分析和研究现有流媒体调度算法的基础上，提出了在i n t e m e t 上基于n a t - p t 的流媒 体调度公平性算法( i d f p q t ) 和相应的流媒体服务器方系统流程；第三在m f p q t 算法研究的基础上， 进一步研究了移动流媒体技术中涉及i p v 4 和i p v 6 的流媒体调度算法的公平性，并据此提出移动流 媒体调度算法( w f s b m f p o t ) 和相应的流媒体服务器方系统流程。本文的研究成果，不仅可以使网 络服务商和运营商等据此开发新的服务器功能以解决现有的调度问题，同时也有助于业界在本文基 础上作进一步的延伸性探索。 总体而言，本论文的研究方法主要是采用理论分析、仿真分析以及在项目搭建的网络环境中进 行实验测算和验证三种手段相结合对论题进行研究，旨在更全面地研究涉及流媒体调度公平性的技 术问题。理论分析是对现有流媒体调度的相关理论中不能适应i p v 4 向i p v 6 网络过渡阶段而需要修 正甚至重建的部分进行分析，对其中的误差做出正确的修正或重新设计相关调度流程或调度策略； 仿真分析是基于公开源码的实验仿真平台和相关的仿真软件对理论分析进行检验；实验测算和验证 则是通过在项目搭建的网络环境中进行实验，使理论分析和仿真分析的最终结论更为显性化。 7 东南人学博士学位论文 1 6 本文的结构 本文的内容框架主要由三大部分构成：流媒体应用系统中的n a t - p t a l g 转换网关的分析和实 现、i n t e m e t 中的流媒体调度公平性的研究和移动流媒体调度公平性的研究。论文的各部分内容是这 样安排的： 第一章：对所研究的问题进行了分折和综述，介绍了本论文的研究目标、创新和组织结构。 第二章：在i p v 4 i p v 6 过渡阶段的网络背景中，研究了n a t - p t 技术的原理、优缺点，并着重分 析和测算了穿越n a t - p t a l g 转换网关的时延，为下面的研究和分析提供实验基础。 第三章：研究了现有的流媒体应用系统及其调度策略，主要分析了现有的调度策略和算法的优 缺点，以及在调度公平性方面的优劣情况的比较。然后，针对基于n a t - p t 技术的系统在响应用户 请求时的调度不公平现象，主要分析了流媒体在穿越n a t - p t a l g 转换网关时的传输时延，对调度 算法中涉及传输时间的部分所造成的影响。 第四章：基于第二、三章的测试和研究，通过对时延的测算和考虑，修正了有关时间的参数和 公式，区分了两类数据流的调度，设计了具有调度公平性的流媒体调度算法m f p q t ，以及相应的 服务器方调度策略，并结合仿真实验进行比较，得出所提算法比现有算法更具有调度公平性。 第五章：分析了移动流媒体技术及其调度镶略和算法中的不公平现象，然后基于n a t - p t a l g 网关的过渡技术，并借鉴了m f p q t 算法的思想，设计了具有调度公平性的移动流媒体调度算法 w f s b - m f p q t ，并进行了验证。 第六章：对论文进行了总结，并就几个可以继续深入研究的方向进行了讨论。 最后是参考文献，作者简介、发表的论文和参与的项目和致谢等内容。 8 第二章基于n 衄一p t 技术的应用系统的设计和测试 第二章基于n a t p t 技术的应用系统的设计和测试 基于本项目的具体要求，为了研究i p v 4 向i p v 6 网络的过渡阶段的流媒体节目调度公平性问题， 首先需要搭建好实验网络，在流媒体播放及节耳调度系统所处的实验网络环境中，有重点地分析底 层支持技术，以及重要的功能模块( 如n a t 一刚a l g 转换网关) ，以此作为深入研究流媒体调度技术 的基础。本章将主要描述该实验网络的设计和相关传输参数的测算。 2 1 项目实验环境介绍 2 1 1 “i p v 6 c j ”项目简介 “下一代互联网中日i p v 6 合作项目”( i p v 6 一c j ) 是由中国国家发展和改革委员会与日本经济 产业省立项，中方实施机构中国教育和科研计算机网网络中心( 简称c e 脯e t ) 和日方实施机构 日本信息通信网络产业协会( 简称c i a j ) 共同负责实施、中日双方二十多个单位参加的研究开 发项目。教育部是项目的中方主持部门。项目分为实验两、系统、应用和标准化四个专题，分2 0 个子项目组织实施。主要内容包括：建立连接北京、上海、广州三个城市的高速i p v 6 实验网，实现 与日本i p v 6 实验网的高速互联，研究网络关键技术；研究i p v 6 网络设备和系统关键技术；研究i p v 6 中问件和典型应用技术；测试与评估实验网和所开发系统，开发i p v 6 技术的标准；研究i p v 4 应用 到i p v 6 应用的