（计算机应用技术专业论文）面向流媒体传输的交换机调度算法研究.pdf

硕士论文面向 流媒体 传愉的交换机调度算法研究 abs tract i n t e rn e t 。 吻 环 。 v ldeb e ste 日 b rts e rv l c es ， 阳 d can not p r o v l d e q uality ofs e rv l c e (q05) 即肛 胡 t e e s fo r s tr e ax ni n g m e d ia tr 田 抬 而5 510氏sohowto汕p ro vethe s upportof n e 七 刀 o rkfo r s t r e aj 叮 in g medi a tr an s m i s s ion be c o m e a re s e ar c h h o ts potsin化 优 n t y e 别 困 . 玩this p a per， we di scusshowtop r o v 1 debe tt e r q os 即 田 aj 吐 ee s fo r s tr e 别 口 i n g m e d l a 七 田 ” m i s s fo n in s w i t c h s c h ed u l 吨al g 。 出 h 叮 .c o ns i d e ri n gthe沈e aml n gm e d i a 七 别 ” n 五 s ai o nc h 趁 a c te ri s tic andits re q u 云 e m e 灯 tsfor the n e two r k ， b as ed o nmp e g -4 sc al ablecod in gte c hno l o gy andthe exl s t i n gs wit c hsc b e dul吨 al gori t hi ns ， 面s p a pe r p r e s e n tsa mp e g 礴s t r e a m i n g orie n t eds w i t c h s c h e d u l 1 n g ai gori t 知 ” . to l m p ro veth e tr 犯 招 m l s sion q ual ity o f m p e g 4 ， 。 ursc h ed u l 吨 ai gori th mh asthe fo ll o wingl m p ro veln e n t s : ( l)m ak e d i ffer e nita g s fo r m p e g 一b ase l a y erp 朗 k e tsand 翻 p e g -4e nhan c e m e n t l a y e r p a c k e ts atthe se n d l ngsy s t e m ， 初t h di ffer e nil evels ofp ri o ri ty ; (2 ) a d d c lass ifi c ationq u e 朋s atthe in p ulporto f the s wit c h ， c l assi 勿the m p e g 礴 p 舰 k e ts w h e n th eyre a c h the s 幼t c 玩阳 d sc he dule th e mbefo reth e y e ni e r the 明 叶 ua 1 o u 切 u t q ueue仅o q)， 此功 g anl mpr o v e d d e fi c it rou n d . r o b inal g o ri t hm; (3 ) 认 飞 e nm at c hi n g悦twe e nl n p u t ports ando u t p ulports， we 姗 an i m p r o v e d 如丽t 迈 edis l ipal go对 th m . t 五 e l m p m v e d al gori t h m tr 出 ” m l t mp e g 书b 二 】 叮“p a c k e ts ， mp e g 月e 曲阴c e m ent 1 a y e r p a c k ets andg ene ral d a t ap a c k ets 初thdi ffer e n t 州丽钾 t r 田 ” m l s si on poli cy， ande 幻 u 比 e th e m p e g -4b as e l a y e r p ac k e ts ， w h i c h哪 the m o st 】 m 即n 阳t ， can be坛 劝 s m i tt e d fi rst， ino r d e r tol m p r o v e the tr 出 招 m i s s ion q ual ityo f m p e g 刁 引 比e ， m si mul ation re s u l tss howt b a t the m p e g 礴。 ri e n t e ds 幼t c h留 h e d u l i n gal g o ri t hrn prese n t e d inthis p ap ercan gu aran t e e thede las讲 rform如 c e ofm p e g -4b 别 姆 l a y e r p 朗 k e t s ， ， m p r o vethe ti 田 ” 而ss i on q ua l i tyofm p e g 礴沈 e 也 残胡 d the s w i t c hcan s u pi 扣 rtthe 仃 田 ” mi s s i o no f mp e g碑s tr e 田 力悦廿 e r. k e ywd rds:m p e g-4 ， b as el ayer， al g orit hi m ， qual i tyo f s e rv i c e . l ayer， s w i t 也 s c h e dul 吨 n 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果， 尽我所知， 在 本学位论文中， 除了 加以标注和致谢的部分外， 不包含其他人己经发 表或公布过的研究成果， 也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。 与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已 在论文中 作了明确的说明。 研 究 生 签 名 :王 衷 叼 年 月 叼 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档， 可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内 容， 可以向 有关部门 或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学 位论文的全部或部分内容。 对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研 究 生 签 名 : 主 森 “ 卜如 伞 硕士论文面向 流媒体传输的 交换机调 度算法研究 1 绪论 l ! 选题背景 近 年 来， 随 着功 忱 m e t 的 高 速 发 展 和 用 户 的 需 求， 流 媒 体(s 证 amin g medi a)应 用得到了 迅速的发展， 流媒体的出 现不仅仅增加了网 络流量， 而且改变了网 络流量的 性质， 使inte m e t 从传统的只能 传输文字和图 片的网 络变为了 可集音频、视频和图 文 于一体的网 络。流媒体必将成为未来网 络应用的主流， 并推进整个玩 t e m e t 框架的改 变. l l i 流媒体技术简介 现在人们从网络上接收多媒体基本上有两 种方式: 先下载后播放、 边下载边播放。 在流媒体技术诞生之前， 人们只能 将多 媒体文件全部下载到本地硬盘上之后， 才能开 始播放。 这既需要很长的 下载时间， 又占 用很大的 本地存储空间， 因 而客观上阻碍了 多 媒体在网 络中的传播。 一种解决 途径是在下载的同时， 就可以 对接收的尚未下载完 整的多媒体数据进行播放。 流媒体技术就是实 现边下载边播放的一种技术， 连续的 视 频和音频信息经过压缩后， 从流媒体 服务器连续、 实时的发送， 接收端接收到一部分 多媒体数据后就可以 开始解码并进行播放。 而且对于网 上现场直播、 实时 监控等应用， 传统的先下载后播放的 方式根本无法实现， 只能 依靠流媒体技术。 流媒体技术的概念最早于 1 9 94年提出， 近年来宽带接入的迅速普及以 及3 g应 用的越走越近，使得流媒体技术成为了发展的 焦点。 目 前流媒体技术主要用于远程教育、视频点 播、 互联网 直播、 视频会议等方面: ( 1)远程教育: 将信息从教师端传递到远程的 学生端， 需要传递的信息包括各 种类型的 数据， 如视频、 音频、 文本、图 片等。 流媒体无疑是最佳选择。 (2) 视 频点 播: 随 着 计 算 机 的 发 展， 视 频 点 播 汉o d ) 技 术逐 渐 应 用计 算 机网 络， 但是，由 于音视频信息的 庞大容量阻 碍了v o d技术的发展。 _ 由 于流媒体经过特殊的 压缩和编码， 很适于在网 络上传输。 随着宽带网的 发展， 流媒体技术会越来越广泛的 应用与视频点播系统。 (3) 互联网 直 播: 从 互 联网 上 直 接 收 看 体 育比 赛、 重 大 庆典、 商 贸 展览 等. 网 络带宽问 题一旦解决， 互联网 直 播就 可以 从 试验 阶 段 走向 实 用阶 段. 流 媒体技 术 无疑 在互联网 直播中 充当重要角色。 (4) 视频 会议: 市 场 上 视 频 会 议 系 统 有 很 多 ， 这 些 产品 基 本 都 支持tcp / ip网 络 协 议 。 流 媒体 技 术并 不 是 视 频 会 议的 唯 一 选 择， 但 是 流 媒 体 技 术的 出 现 对 视 频 会 议的 硕士论文面向流媒体传输的交换机调度算法研究 发展起了很重要的作用。 流媒体数据主要由 音视频数据组成， 而音视频数据量巨 大， 需要压缩之后才能在 网 络上 传播， 因此许多音视频压缩标准应运而生， 在众多的音视频编码标准中， m p e g 标准是目 前公认的高效国际压缩标准。 近年来， m p e g系列标准的 研究热点 集中 在 m p e g 书上， k 于 e g 礴流在流媒体中占 有的比 重越来越大， 对m p e g -4流传输的 研究 也变得尤为重要。 l l z 流媒体传输q o 5问题 从ip网 络产生 直到 现在， 网 络 提供的 是一 种“ 尽力而为” (be ste ffort ) 的 服务， 在这 种服务 模式 下， 网 络上所 有的 数据流都 平 等的 使 用网 络资 源， 交换 机 对所有的ip 数据包都采用先到先服务任 政 c ome f 政 s e rv i ce)的工作方式，网 络尽其最大努力将 ip包送达目 的地， 但不能对其提供任何可靠性、 延迟等保证。 这种做法很适合f m ail， f t p ， ww w等业务， 但是却无法很好的 传输流媒体。 流媒体在成为网 络应用主流的 同时， 也对网络服务提出了新的要求， 流媒体的传输对带宽、 延迟、 抖动等都有特殊 的要求， 现有的 “ 尽力而为”的服务显然满足不了其需要。 目 前， 流媒体业务在网络中主要依赖u d p 协议，随着大量流媒体业务在网络中 展开， u d p 流所占 全部流量比重将越来越大。 虽然u d p 适合流媒体业务传输， 但是 却有致命缺陷， 它无法提供拥塞 控制， 即 在网 络中 将会强占 可用带宽， 造成其它流饿 死。 同 时由 于udp 没有 流 量 控 制 机 制 11 ， 流 媒 体 业 务 几 乎 会 不 受限 制的 、 源 源 不断 的注入网络， 当 用户需求超出 网络的 容纳能力时， 网 络就会发生拥塞. 由 于网络不具 备服务质量保障 特性， 不能预留 带宽， 不能限 定网 络延时， 许多流媒体 应用无法在目 前的 互联网 运行， 如网络电 话、 视频点播、 远程教学、 远程手术、 远程会议和学术交 流等. 这就 提出了 一个新的问 题，即 如何提高流 媒体传输的 服务 质量 (q回ity of 5 。 ， i c e ，q o s ) 。 q os涉 及带 宽 、 延 迟、 延 迟 抖 动、 丢 包 率 和 错 误 控 制 五 个 方 面. 一 个 数 据 包的 延 迟由 传输延迟、 传播延迟、 交换延迟、 排队 延迟构成。 传输延迟是发送端或交换机等 设 备 发 送 一 个 包 所 需 的 时 间 ， 取 决 于 设 备 带 宽 和 包 的 大 小 ， 比 如以10mbp s 的 速 度 发 送一个64字节的 包大约需要512 微秒。 传播延 迟是一个比 特从发送端到路由 器、 从 路由 器到下一 个路由 器、 从路由 器到接收端总 共所需的时间， 取决于距离和媒介. 交 换延 迟 是交换 机 等设备从收 到 包到 开 始转发 之间 所需的 时间。 排队 延迟 是网 络拥塞时 包 在队 列中 等 待 处理所消 耗的 时 间。 延迟 抖动 用来 表征 延 迟的 变化 程 度。 在 流媒体中 ， 传 输的 延 迟 过 长 而使 包到 达 接 收 端 时 错 过了 解 码 时 刻， 这 种 情况 同 样 被 视 为 丢 包. 传 输 错 误 主 要 是 指比 特错 误， 在l 血 m e t 中 ， 比 特 错 误的 概率 大 约 为1 0-1 2 ， 接 收 端 可以 忽 略比 特 错 误。 但是 在 无 线网 络 等 易 错 环境 中 ， 传 输 错 误 就 值 得 重 视了 . 2 硕士论文 面向流媒体 传输的 交换机调度算法研究 目 前 研 究 流 媒 体 传 输q os 的 思 路 主 要 有 两 种: 一 种是以 网 络为中 心， 通过 综 合 服 务 121( hit-s ery) 模型 或区 分 服 务 131( di ff- s ery) 模 型 来 保 障 网 络 的qos ; 另 一 种 思 想 是 在 端 系 统 进 行 控制 l ， 通过 应 用 层 协 议 来 实 现 流 媒 体 传输的qos 保障 。 从端系统进行控制是目 前最直接的 手段， 但是并不是最有效的。 虽然这些技术对 基于ip网络的视频应用有极大的帮助，但其缺点也是显而易见的:只能被动适应网 络当 前 状 况( 如可 用带宽 ) ， 而不能 主 动提出q o 5 要求， 得到 指定的q o 5 服务. 其根 本原因是在现有的ip网络构架上只能提供尽力而为的服务，不能对特定业务提供特 定的 质 量 保证。网 络q o 5保障与 基于 端系统的 控 制 机制是 相辅相 成互为补充的， 因 为网 络的q o 5服务并不一定能提供绝对的 质量保障， 它仍需要端系统控制机制提供 有力的保障机制. 无论是以 网 络为中 心， 还是在端系统进行控制， 想要得到更好的q os 保证， 必 须 要 有能 够支持q o 5的网 络设 备如路由 器、 交换 机等， 所以 设 计能 够支持流媒 体 传 输q o 5 的交换机具有十分重要的 意义. l 1 3交换机在网络中的重要性 任何大型网 络总体来讲都应该包括三大部分: 网 络终端设备、 网络传输链路 和网 络交 换节点。 现今的终端设备能 够满足人们的要求， 也正是它向 整个网络提出了 更高 的 通 信 带 宽 要 求; 同 时 密 集 波 分复 用 口 w d m : o ense v /a v e le n gt h di vi si onm u 】tipl e x in g ) 技术的 应用， 成倍地提高了 光纤链路的 传输能力， 使其畅通无阻; 因而通信的瓶颈就 集中 在了 交换设备上。 如今的交换机和路由 器已 经越来越融合， 相互注入了 对方的 功能， 难以 区分。 一 些文 献把交换机和路由器统称为交换设备或交换机。 ( 注:如无特殊说明， 本文中 提 到的 交换机均指具有三层交换机和路由 器功能的 交换设备。 ) 在现在网 络发展问 题中， 许多 人把网 络中 服务质量不完善的原因归咎于网络带宽 不 足、 网 络流量已 达到 饱和 状态， 但 是 事实 上很多网 络q o 5 问 题 就在交换 机上发 生。 由 于 传统基于总线和中央处理器结构的 交换机难以 提供高 速率和高可靠性的 服务质 量保证， 因 此目 前多数都采用交换式路由 器的 体系结构， 然而随着计算机网 络的发展， 数据量的急剧增长，以 及流媒体数据等对服务质量要求很高的网 络应用的 大量增加， 传 统 的 处 理 方 法己 经 不 再 适 合当 前 的 网 络 传 输服 务 要 求， 单 纯的 增 加 网 络 带宽 也 不 能 从 根 本 上解决问 题， 也就是 说 现在的 交 换 机未能 提供完善的qos 机 制， 服务 质量问 题未 能 得到 很好的 解决， 同 时 存在 着调 度性能 不 好的问 题， 既 会 影响 交换 机整体的 性 能 ， 也 会影响 服务 质量的 提 供， 因 此 需 要 更好的 策略 来 解决 这些问 题. 在 交 换 机 满 足网 络 带 宽 需 求 的 同 时 ， 如何 根 据 流 媒 体的 性 质 或 用 户需 求 为 流 媒 体 提供 不同 的 服务 质量保证， 是交换 机调 度算 法设 计的 重要 任务 之 一 硕士论文面向流媒体传输的交换机调度算法研究 1 .2 本文的 研究内 容 本文重点 研究了 面向 流媒体传输的 交换机调度算法，主要工作如下: ( 1) 对流媒体的传输特点、流媒体传输研究现状以及m p e o 礴可分级编码技术 进行了研究。 (2) 对交换机的 排队结构和调度算法进行了 研究， 重点研究了 基于v o q的 交 换机调度算法。 (3)结 合m p e g . 4 可分级编码的 特点， 本文提出 一种面向 流媒体传输的 交换机 调度算法， 该算法首先在输入端口 对m p e g 礴基本层和增强层进行区分; 之后在分组 进 入v o q之前 对其 进行分 类调 度， 分 类调 度算 法为改 进的d r r算 法: 最 后 在交 换 线路上输入输出端口 匹配时， 本文对基于优先级的is l ip算法进行改进， 使其更好的 适应mp e g 闷流的传输。 (4) 本文用c 什语言实现了 上述算 法， 并对其仿真结果进行了 分析，结果证明 该 算 法能 够使交 换机 更加有效的 传 输m p e g 礴流， 提供m p e g 碑传输的q os。 1 3 本文的 章节安排 第一章 介绍课题的 意义、 研究内 容以 及本文的结构 第二章 介绍流媒体传输和mp e g 碑编码， 首先研究了 流媒体的特点及其对网 络 的 要 求， 然后对流媒体传输现状做了 介绍， 并从不同的角度总结了前人的一些研究成 果， 最后介绍了m p e g 月编码技术及r t p . 第 三 章 首 先 介 绍了 交 换 机的 排 队 策 略， 在 此 基 础 上 研究了 基于v 0 q的 调 度算 法， 并 提出 了 适合 流 媒 体 传 输v o q 调 度 算 法的 改 进 设 想. 第四 章 在基于v o q的 调度算法的 改进设想的 基础上， 对原有的算法进行改进， 提出 一种面向m p e g 礴流的交换机调度算法， 结合可分级编码技术， 使交换机能 够区 分mpeg4流 和 其 它 数 据流， 并 对mpe g 礴流中 基 本 层 和 增强 层 进 行区 别， 采取 不 同的 优先级进行传输。该算法首先在数据包进入 v o q之前对数据包进行分类， 将 m p e g 碑基本层分组、 n 于 e g 礴增强层分组和普通数据分组分成三个队 列， 并采用分 类调 度使 优先 级较高 的m p eg4基本 层 优 先进入v o q ， 分 类调度 采用的 算法为 改 进 的d rr 算 法; 在 数 据 进 入v oq 之 后 ， 在 输 入 端口 与 输出 端口 匹 配时 ， 对 基 于 优 先 级i s l l p 的 调度算法进行改进，使优先级高的 信元能尽量优先被调度。 第五 章 对本 文 提出 的 算 法进 行 仿真， 给出 算 法的 性能. 首 先对 算法中 参 数 取 值 进行了 讨论， 然后 在不同 流量 模型 下对 分组 延迟 性能的比 较， 之后 根 据州 田 e g j流 在 总 流 量中 所占 比 例 不同 ， 对分 组延时 性能 进行了比 较， 最 后将改 进后的 算 法和一 些 传 统的 算法进行了 性能比 较。 第六章 对本文的 工作进行总结， 给出 未来要做的工作。 硕士论文面向 流媒体传输的交换机调度算法 研究 2 流媒体传输与mp e g 4编码 流媒 体在网 络流量中的比 重 越来 越 大， 研究流 媒体的 传输技 术， 保证流 媒体的 传 输质量， 对现在和未来的网 络发展都具有十分重要的 意义。 2. 1 流媒体传输特点 流媒体在对网 络的要求上与 传统的图 文性质的流量有很大的区别。 流媒体传输的 特点 是数据量大、实时性强、 严格要求同 步且保证服务质量: ( 1) 数据量大:流媒体传输的 不仅是文本， 而是包括文字、声音、图像等一体 化的多媒体信息，导致流媒体的数据量巨 大， 尤其是音频和视频数据。 ( 2 ) 实时性强: 音频和视频数 据对时间是很敏感的， 只有在特定的时间 段内 才 有效，否则超出时间数据包就毫无用处，相当于丢失了。 (3) 对延迟和抖动的要求:流媒体信息是连续性的 媒体， 在视频中， 只有每秒 连续传送大于30帧， 才使人感觉到是连续的动态图 象， 如果某一帧的延时过大，人 们就会感到有跳动的感觉， 而音频信号 延迟如果大于250 几 .以上， 人们就会感到抖 动的 声音. 延时抖动是视频数据要求以 常 数时间间隔播 放每一帧， 由 于某一帧的 延时 波动的 影响， 有的帧先于其播放时间 到达， 而有的却在播放时间之后到达， 滞后的帧 就失去意义， 只能丢掉， 而先到的要放入缓冲存储器存储起来， 等到播放时才能取出 播放。 延时波动越大， 失帧数和缓存就越大， 因 此视频数据传输中一定要控制它的延 迟抖动。 (4) 要求严格同 步:流媒体的 音频和视频数据是一种连续性和时间相关的 媒体 数据， 不仅要求实时性， 而且各媒体要求 稳定的同 步关系。 某一媒体不能连续就失去 了整个媒体的自 然特征。 基于以 上的这些特点，流媒体传输对网络有特殊的要求: ( 1) 要求网 络有足够的带宽，以 支持流媒体巨 大的 数据量; ( 2 )要求传输时低延迟和低抖动; (3) 要求良 好的同 步性， 使终端播出时声音、图 像等多种信息都能 平滑协调同 步; (4) 要 求网 络 具 有良 好的 拥 塞 控 制 和网 络 管 理 功 能 ， 由 于 流 媒 体 具 有突 发 性， 当 某一节点和传输路径突发流量过载导致网 络拥塞时， 要求网 络能 够自 动进行选路控 制， 均衡流量， 从而保证流媒体数据能可靠的 传送。 2. 2 流媒体传输研究现状 在 第一章中曾 经提到过， 目 前的 流 媒 体传 输控 制 主 要 有 两种思 路:基于终端的 传 5 硕士论文 面向 流媒体传输的 交换机调 度算法研究 输控制和基于网络的传输控制，下面分别来介绍一下。 2. 2. 1 基于终端的流媒体传输 对于流媒体传输来说，重要的特性主要是端到端的延时、可用带宽和包丢失率。 在端系统中主要用缓冲调整的方式来解决延时 抖动. 对于可用带宽和包丢失的处理， 现在主要有速率控制和差错控制两种机制。 速率控制算法的基本思想是: 先估计网络的带宽资源， 再调整编码的目 标速率来 适应网 络的状态。 基于速率的 解决方案通常分为 三类: 基于发送端、 基于接收端和混 合控制。 ( 1) 基于发送端的 速率控制 基于发送端的 速率控制， 数据的发送端负责 调整视频流的发送速率， 使视频流的 发送 速率与网 络的可用带宽相匹配。 很明 显， 基于发送端的 速率控制就是发送端使用 反 馈 机制 来获取网 络的 状 况， 通过接收 端 提 交的q os 监 控报告 来估 计可 用的网 络带 宽， 控制发送端的发送速率。 发送端不停地给接收 端发送视频数据， 并获得它们的 反 馈 报 告 ， 来 估 计 连 接的 可 用网 络 带宽 并 调 整 发 送 速 率， 同 时 也 取 得 接收 端的q o 5 要 求。 (2) 基于接收端的速率控制 基于 接收端的典型速率控制机制， 就是发送端采用分层视频组播技术， 接收端通 过选 择加入或者退出 视频组播组来调整接收的 速率。 基于接收端的 速率控制机制可以 较好地解决单视频源点到多点组播传输中的异构性问 题。 分层视频组播技术的 基本原理就是发送端利用分层视频编码器将原始视频编码 成为 多 个有不同 优先级的视频层次， 具有最高优先级别的 层次 称为 基本视频层， 其中 包含了 视频流最重要的信息， 它可以 独立进行解码并提供最基本的 视频， 然后就是一 个或多 个优先级递减的 增强视频层， 它们与 基本视 频层一起解码后， 能显著提高 视频 质量。 接收 端根 据自 己 的 可 用带宽、 处理能 力 来独 立选择 加入的 组 播组， 接收 端加入 的组 播组数目 越多， 得到的 层次越多， 其获得的 视频质量就越高。 基 于接 收端的 速率 控制 通过视 频分 层组 播技 术， 能 够 对较多 用户 提供分级的 实时 视频 传 输服 务， 但它 也有 难以 避免的 缺点， 而当 网 络 发生 拥塞时， 由 于 在 发送端较少 采用 速 率 控 制， 发 送 速 率 相 对比 较 稳定 ， 从 而 加 剧了 网 络 拥 塞， 降 低了 接 受 端的 视 频 质晕. 与此相反， 基于发送端的 速率控制能够较好地提供自 适应于网 络可用带宽的速 率 调 整 ， 有 效 地 减 少网 络 拥 塞， 在 单 播 情况 下 ， 它能 灵 活 提 供 个 性 化 的 服 务， 但它 的 缺点 是带宽 利用率不高，能提供的 服务用户数目 不多。 (3) 混 合速 率控制 综 合 上 述的 两 种 速率 控 制， 可以 设 想 采 用 一 种 混 合的 速率 控 制 机 制， 它 采用 视 频 6 硕士论文面向流媒体传输的 交换机调度算法研究 分层编码， 分别在多个信道( 组播绷传输， 在发送端每一个信道的速率都是可以 根据 网 络的 拥塞状况来动态调整。 一方面在接收端通过加入或者退出 视频组播组来调整接 收的 速率， 而发送端也可以根据接收端的反馈信息来调整每一个组播信道的 发送速 率。 在混合的 速率控制机制中， 有代表性的工作就是目 标集分组协议它在发送端采用 自 适应的独立分层组播， 每一层都可要求不同网 络带宽、 拥有不同 视频质量的 相同 信 息视 频流， 每个视频层都可单独解码。 接收端根据自己 可用的网 络带宽和拥塞状况来 选择 加 入 某一 个视 频 组播组，同 时 将相 关的q os 反 馈报告 传给 发送端， 发送端 据 此 来调整视频层的传送速率。 在差错控制机制中， 对于在包交换网 络中的 视频信号传输， 包的丢失必定是影响 视频效果的重要因素， 而在发送端采用的编码方法的影响也是相当大的。 对于h.2 63， h.261 或m p e g中的 编码方法， 一个包的 丢失可能 会造成大量帧的 质量下降， 直到下 一个帧内 编码的 帧被正 确接收为止。 然而， 在一个有一定 程度拥塞的或低速的网 络当 中， 接收到两个帧内 编码的时间间隔也许会相当 长。 于是， 人们提出了 三种方法来解 决这一问题。 ( 1)减少 帧内 编码的间隔， 极端情况是一帧的间隔; (2) 仅对那些变化量超过某一门限的块进行编码和传输; (3)同时 使用帧内 编码和帧间编码， 而且对于帧内 编码的间隔根据网络状况动 态地进行调整。 以上方法是通过调整帧内 编码和帧间 编码的帧的混合程度来使包丢失对视频效 果的影响最小化. 还可以 使用简单的包丢失恢复技术在目 的端进行丢包的恢复和视频 的平滑。 2. 2. 2 基于网络的流媒体传输 尽管对流媒体传输质量的要求是一 个应用层的要求， 但是这个问 题的 解决离不开 网 络 的 支 持。 网 络 对 于q o 5 的 支 持 包 括 具 有q o 5 能 力的 网 络 模 型 和 具 有q o 5 能 力 的 网络元件。 目 前 解决 q o 5问 题的网 络 模型主 要包括综合 服务模型 伍n . s ery) 和区分 服务 ( di ff- s ery) 模 型. 从1 995 年开 始， 正 t f ( in t e in e t e n g in e e ri n g 毛 ” k fo 耽) 做了 大 量 的 工作， 先后提出了 综合服务模型，区分服务模型。 综合服务模型: 在 综 合 服 务 模型中 最 主 要的 是 资 源 预留 协 议 19( reso 世 c e rese rv a t i o n p ro to c 叭 咫， p ) ， 该 协 议 主 要 完 成 资 源 预留 的 工 作。 r s v p 允 许 多 个发 送 方 给多 个 接 收 方 传 输 数据， 也允 许接收 方单 独自 由 地 切换 信 道， 并且 在 优化 使用带宽的同 时 消 除 拥 塞的 发 生。 7 硕士论文面向 流媒休传输的 交换机调度算法研究 对于优先级高的或延迟敏感的业务流， 综合服务 通过rsv p 信令， 为 其在 源、 中 间 节 点 和目 的 节点 之间 逐 点的 建 立一 种 资 源 预留 机制 来 保 证q os 的 实 现. 这 些 中 间 节点 为 信 令的 请求 保留出 所 需要的资 源， 同 时 保持 每 个数据 流的 状态信 息. 在综 合 服 务的 业务流中， 定义了 三类业务: ( 1) 保证型: 它要求先设定网络传输的 最大延迟保障和相应的带宽。 然后 根据 设定的 参数， 在源节点 和目 的 节点之间建 立连接， 连接后要保证传输过程中 业务 流所 需要的延迟和带宽。它的优先级别为最高，实际上它是一种高速的专线服务业务。 (2) 负载控制型:该业务流没有固定的 延迟保证，它不设定最大传输延迟， 但 需要一定的、 长期的带宽保证， 它只是保证网 络负载不管怎样变化， 对受保护的业务 流通过改变所需参数来提供相应的资 源预留。 它实际上是某些节点发生 拥塞时， 通过 丢弃某些优先级别低的 数据包来保证特殊 业务不受影响。 ( 3) 尽力而为型: 它是 传统的ip网 络传输方式， 没有带宽和延迟保证， 业务只 是基于可达性，它的优先级最低。 在综合服务网 络模型上己 经进行了 一些流 媒体传输技术的 研究。 国 防 科学技 术大学的 郭 动 在文献 1 习 中 提出了 使 用r s v p 协议为m p e g -4流 式 传 输提供等级服务的 模型。 文中 通过对rsvp 协议报文头部的分析， 设置报文头部的 对 m p e g -4流数据包进行等级区分， 在接收端 对不同的 服务等级进行资源预定， 到达区 别对待不同等级数据包的效果。 王 天慧 在文 献l 61 中 提出 了 基 于r s v p 的 分 级 过 滤 机制， 针 对同 一 会 话中 的 数 据 包， 依据其所携带信息的重 要性进行分 级， 通过扩展r s v p 信令， 定义相应的 服务等 级， 使得路由 节点可过滤数 据流中高于 预约 服务等级的非必要数据， 保障 重要信息的 传输，以 满足异质多 播网 络中 不同 等级的 端到 端q os要求。 虽然 综 合服务 模型 提供了 端到端的q os保 证， 并 且能 够保证 在组播 业务 中 有效 的分配网 络资源， 动态的改 变网络状态， 但是可扩展性差是它的一个致命弱点， 它要 求端到端连接上的 各个节点 都支持rsvp 信令， 并且保存流的 状态信息， 这样做导 致 的结果是消耗了 大量的网 络资源， 造成整个网 络负担过重， 这在大型的ip网 络中 几 乎是无法实现的。 区分服务 模型: 由 于 综 合 服 务 发 展 遇 到了 巨 大困 难， 正 t f 提出 了 区 分 服务 (n 浮s e rv ) 模型 ， 可以 说 两者是 一脉 相承的。 区 分 服务 并不是对 每 一 个 业务 流 都进行网 络资 源的 分配 和q os 参 数 的 设 置， 而是 在网 络 的 边 界 将 数 据 流 进 行 简 单的 分 类， 不同 的 类实 现 不同 的 转 发 特性。 即 它 将具有相 似要 求的 一组业务 归 为 一 类， 并 对同 一 类业务 采取相同 的 处 理 方 式. 区 分 服务定 义了四 种聚 集业务类型: ( 1)迅 速型 : 它 是 一 种 任低一 保 ” 的 业 务， 即 低 延 迟、 低 抖 动、 低丢 包 率 和 带 合 硕士论文面向 流媒体传输的 交换机调度算法研究 宽保证. 该业务类似于高速专线服务。 这类业务适合于实时性很强的流媒体， 可以 提 供延迟和带宽保障。 (2) 确保型:它是一种“ 预约带宽 ” 的业务， 在网 络拥塞的情况下仍能保证该类 业务的预约带宽。 (3) 选择型: 它是一种“ 分级服务 ” 的业务， 对不同的级别进行不同的转发处理。 这类 业务流可以 和可分级的流媒体结合起来， 例如 在2. 3 节会重点介绍的n 印 e g 碑流 的 可 分 级编码 技 术， 将m p e g 书流的 基本 层 和 增强 层 采取不同的 优先级进 行传输， 优 先保证基本层的传输。 ( 4 ) 缺省型: 它是一种“ 尽力而为” 的 业务，即 传统ip网 络的 传输方式， 没有任 何q o s 保证. 因为区分服务将业务进行了 分类， 很大 程度上减少了 预留 状态信息的数量， 减轻 了网 络设备的负荷， 这样就更加易 于在大 吞吐量的网 络中实现， 也就使网络具有了良 好的可扩展性。 在区分服务网络模型上已 经进行了 许多流媒体传输技术的研究。 m in c h e n ， g 胡 g wei 在文 献 17 1 中 在 区 分 服 务网 络 模 型 的 基础 上， 提出 一 种 针 对 实时 变比 特 率 突 发 业 务的 调 度算 法 ， 称 为 加 权 开 关 赤 字 轮 转 ( wei gh t e ds wi 叻 d cit ro如 d 一 rob in，w s d r r ) 算 法。 根 据 不同 的 队 列 等 级 分 配 加 权的 带宽， 并 根 据队 列中 分 组状况动态调节服务量。该策略是针对网 络拥塞下传输实时突发视频业务而提出的。 基于一种吞吐量公平测度的比 较， w s d rr 算 法与传统赤字轮转d r r算法具备相同 的公平性。实 验结果表明，与d rr 算法相比， w s d rr 算法能够降 低实时突发视频 业务的 端到端延时 和延时抖动，从而进一步使实时 传输的要求得到满足。 肠u fi k a 五 tn e d 等人研究了 在具有qos 管理能力的ip网 络中基于对象的m p e g 碑 视频的 有效传 输. 在文 献 18 中 提出了 在 m p e g 碑系 统 体系 结构中 增加“ 媒体 qos 分 类 层 ( m e d ia q osc 廊si fi c a ti o n l ay e r ) ” ， 这 一 层 为mpe g -4应 用 层q os标 准 和 下 面的 具有q os机制的 传输网 络 ( 如ip区 分服务体系) 提供自 动的、 精确的映射. 这 种“ 媒 体q os分 类 层” 利 用神 经 系 统网 络 模型 ， 对 网 络 层 和 应 用 层 是 透明 的 。 西 南 交 通 大 学 的 王 珍燕 在 文 献 1 9 中 分 析了 拥 塞 产 生 原 因 ， 并 研究了 在m p e g -4 视 频 传 输中q os 的 改 进， 从 两 方 面 着 手 进 行研 究 : 在 端 系 统 方 面， 在 分 析 拥 塞 产生 原因 的 基 础上， 研究了己 有的 拥塞 控制 协 议对 于m p eg礴视 频传输的 优缺点， 结合 mpe g 一面向 对 象 ” 的 特点 ， 提出 一 种 改 进 方案 ， 设 计一 种 能 适 用于 基 于内 容的 访问 拥 塞 控 制 算 法; 在网 络 层方 面， 采 用 区 分 服务 的 思 想， 利 用di 压 s ery 提供的 优 势， 对mpe g 4视 频 流的 不同 部 分 进 行 有区 别的 服 务 质 量 保 障. 首先， 由 于已 有的 分 组 标 记算 法 不 能 有 效 地区 分n 于 e g -4视 频 流的 重 要 与 次 重 要 数 据 ， 提出 一 种符 合mpe g 礴 的 分 组 标记 算 法; 其次， 在分 组 排队 的 过 程中 ， 提出 了 相 应 的 队 列管 理 算 法， 可以 区 9 硕士论文面向流媒体传输的交换机调度算法研究 分分组的重要性，对重要的数据提供更高的服务。 前 面讨 论的都 是具有qos能 力的网 络模 型， 这 些 模型 虽然能 够为 流媒体的 传 输 提供一定的质量保障， 但它们也需要具有q os 能力的网 络元件 ( 例如路由 器， 交换 机等) 的支 持， 只有这样才能更好的完成 对流媒体的 传输， 本文就是针对交换机这种 网 络 元 件如何 提供q o 5 保证来 进行研究的. 2 3 m p e g 礴编码与传输 2 3 jmp e g 礴标准 从 上 个世 纪80年代开始， 国 际 标准化组 织 ( 15 0 月 e c)和国 际电 信联盟 ( i tu. 刀 这 两 大组织就已 经不断的推出 一系列针对不同 应用领域的数字视频编码标准。 开 创了 视频 通信和存储应用的新纪元。 i t u 一的h.2 6x系列视频标准有h.2 61、 h.2 62、 h.2 63、 h .2 6 3 + 、h .2 6 3 料、 h .2 64， 1 5 0 八 e c的m p e g . x系列标准有 mp e q-l 、m p e g . 2 、 m p e g -4 .图2. 3. 1 . 1 是数字视频编码标准的 发展过程。 i t u. t 究 恤. 1 布d ， 凡2 曰 h夕 幻+ 】 h 夕 臼十 + joint vl d 自】 t e 日 口5 ， ， . d 盯ds 仕2 6 刀 加 护e g -2 f ， 衬 il2 64八任e oavc 卜 即e g 5 卜间 ，山 19841 ， 肠1 ， 翻1 卯1)1 卯2 1 卯4 1 9 ， 6 1 卯. 2 侧 力 2 侧 粗 2 以 月 2 以 场 图2. 3. l i 视 频编 码技 术的 发 展过 程 m p eg ( m o v in g pi c t . 限 s e x p e rtsgr o 叩) 的 意 思 是 动 态 图 像 专 家 组 101 . 该 专 家 组 始建于1 9 88年， 是国际标准化组织中i e c i j t c 此c z 乃 万 gll 的一个小组。 m p e g下分 三 个小 组 : 视 频 组 ( m p e g . v id e o ) 任务 是 研究 压 缩 传 输 速 度 上限 为 1 .5 加 伪 抽的 视 频 信 号 ; 音 频 组 (m p e g ， a u d i o ) 任 务 是 研究 压 缩 每 信 道“ k b 污 ，1 28 k b/ s 和1 92 k b /s 的 数 字 音 频 信 号 ; 系 统 组 ( m p e g-s y s te m ) 解决 多 道 压 缩 视 频、 音 频 位 流的 同 步 及 合 成问 题 今天 所泛 指的m p e g . x版本， 是 指一组由仃 uo ni e m a ti o nai te le co mm. 叮 c at ions u n i o n) 和15 0 ( in t e m at io nals 切 叮 d ar dso t g 耐zation)制 定 发 布的 视 频、 音 频 数 据的 压 缩 标 准。 为了 适 用 于 不同 带 宽 和 数 字 影 像 质 量的 要 求， m p e g 小 组己 经 制 定了 几 个 不同 的 mpeg版 本， 目 前己 经 正 式 公 布 的 有m p e g-l阎 ， mpe g-2阁 和mpe g-4门 ， 另 外 还 有 l 0 硕士论文面向 流媒体传输的交换机调 度算法研究 m p eg一 7 和m p e g-zi两个版本正在开发中. m p e g 4于1 9 9 8 年11月公布， 该标准的目 标与以 往n ip e g-1 泛标准有了 很大的 不同， 眼光更为远大， 应用前景也更为广阔。 mp e g 礴标准将众多的多媒体应用集成 于一 个完整的框架内， 旨 在为多媒体通信及应用环境提供标准的 算法及工具， 用于实 现音 视频数据的有效编码及更为灵活的存取。 m p e g 礴的主要目 标是: ( 1)基于对象的压缩标准; (2) 具有可交互性: (3) 码 率的 宽 范围 适 应 性(5 k-1 0 m b p s ). 由 于以 上所确定的目 标， 给m p e g 4带来了 许多变化， 例如: 强调了 低码率(5 64k b 八 ) 的编 码标准， 对h .2 63的 兼容扩展， 加强了m p e g 礴标准在互联网上的 应用适 应性。 这些目