（计算机应用技术专业论文）基于对等网的svc视频实时传输算法的研究及应用.pdf

基于对等网的s v c 视频实时传输算法的研究及应用摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导老师： 基于对等网的s v c 视频实时传输算法的研究及应用 计算机应用技术 林凯雄 罗笑南教授 摘要 目前口t v 系统主要是利用对等网络来进行视频传输，提供实时直播业务。 这些系统往往对所有用户都提供相同质量的媒体服务。但是网络带宽的不确定性 和终端设备性能指标的差异性都要求流媒体系统能提供与用户实际需求相匹配 的视频质量服务。可分级编码( s v c ) 技术就是为了提供这种可分级的媒体服务 而被提出的编解码技术。利用对等网实时传输s v c 视频流，彤r v 系统可咀支持 可分级的实时流媒体服务，不但能根据网络带宽和设备性能进行合理传输，也能 支持按服务质量收费模式的实现，因此具有广泛的应用前景。 本论文首先对现有的覆盖网络评估标准进行改进，提出了几种简单的传输 s v c 视频流的覆盖网络评估策略，并以此做为各种s v c 传输算法对比评价的标 准。接着，本文分析了p 2 p 覆盖树模型在传输实时流数据方面的优势，并结合 s v c 视频流分层特性，提出利用多重隐含覆盖树策略来构建流媒体传输覆盖树， 以此保证可分级编码视频各子码流的同步性和切换低延时性。同时，本文提出利 用口多播的分层岛式多播策略，在原有的传输覆盖树基础上融入l p 多播技术， 利用该技术降低系统网络链路的负载。结合这两种策略，本文提出了一种在对等 网络中传输s v c 视频流的岛式多播算法，称为s p m 算法。除了初始建立和传输 过程，该算法还包括了一系列的保证用户服务体验的连续性优先策略。在该算法 基础上，本论文探讨了如何利用该算法进行支持可分级视频服务的刀町v 系统的 架构设计和实现，从系统客户端和服务器两个方面来详细说明系统各模块的设计 与实现，并给出一个实现的示例。此外，本论文还探讨了该系统与机顶盒设备的 结合方式，并提出一种可行方案。 关键词：数字家庭、交互式网络电视、对等技术、可分级视频编码、岛式多播 t i t l e ： m a j o r ： n 鲫e ： s u p e r v i s o r r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no nr e a l 一t i m es v cv i d e od e l i v e r y a l g o r i t h o v e rp e e r t o p e e rn e t w o r k c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n 0 1 0 9 y k a i x i o n gl i n p r o f x i a o n a nl u o a b s t r a c t c u e n t l y m 卸yi p l vs y s t 锄su s ep e e r - t o - p e e rn e m o r l 【si nm e d i ad e l i v e r yt o s u p p o nr c a l t i m em e d i as e n ，i c e s m o s t0 ft h e mp r o v j d eo i l l yo n es e r v j c eq u a l i t yt o e v e r yp e e ri nn e t 、】i ，o f k b u td u et ot h ei m c c n a j n t yo fn e m o r kb 柚d w i d t h 蚰dd i v e r s i t y 0 ft e m l i n a lc a p a b i l i t y n e wi p t vs y s t c m sa r er e q u i r e dt op m v i d eas u i t a b l eq u a l i t yo f s e i c et oe a c hp e e r b a s e d0 l ij t sa c t i l a lr e q u j r e m e t s c a l a b l ev i d c oc o d i n g ( s v c ) t c c l l n o l o g yi sp f o p o s e dt op r o v i d et h i ss c a l a b l es e i c e b ya d d i n gs u p p o fs v c v i d e ot ot h en e t 、v o r kl p l vs y s t 锄啪s u p p o r tt h es c a l a b l em e d i as c r v i c c i t 啪 p r o v i d en o to i i l y 叩t i l n i z e dm m s m i s s i o na c c o r d i n gt ot h en e m o r kb 锄d w i t ha l l d t e 皿i n a lc a p a b i l i t y b u ta l s ot h ec h a r g eb yq u a l j t ym o d e t 1 l e r c f o r c ，i th 嬲aw i d e a p p l i c a “o np m s p e c t 1 1 l i st h e s i so 丘e r si m p r o v e do v e r l a yn e 啪r ks t r a t e 舀e s ，姐dp r o p o s c ss o en e w s t m t e 百e sw h i c ha r es u i t 曲l ef o rt 砌s m i t i n gs v c v i d e os t r e 锄n e s es t m l e 醉e sa r c a 1 9 0u s e dt oe v a l u a t ee a c hs v cd e l i v e r ya l g o 劬m e s t h e n ，b ya n a l y z i n gt h e a d v a n t a g e0 fp 2 po v e d a yt r c em o d e li nr e a l t i es t r e 锄i n g ，t i l i st h c s i sp - 叩o s e sa m u l t i p l ec 0 蛐o t a 廿v eo v e d a yt r c cs c h e m et ob u i l du pad e l i v e r yo v e d a yt r e et om a k e s u r et l l es y n c h r o n i z a t i o no fe a c hs u bs t r c a mi nt h ev i d e o 锄dt h cl a wl a t e n c yf o r 刚t c h i n g n i st t l e s i sp m p o s e sad e l 锄j n a t e dm u l t i c a s ti s l 柚d s c h e m eu s i n g 口 m u l t i c 弱tt e c l l l l d o g y t h ei n t e 粤a t i o no ft h et w 0s c h e m 路c a na 州e v eb o t ht b e i r a d v 柚t a g c s w ec a l lt h i ss v c v i d e 0d e l i v e r ya l g o f i t h mt h cs p m a l g o d t h m b e s i d e so f i n i t i a lb u i l d i n gu p 卸dt r a n s m i t c i n gp 加l c e 龉，s p ma l g o r i t h ma l s oi c l u d e sas c f i e so f s t m t e 百e st og l l a 啪t c et h cc o n t i n u i l yo fu rc x p c r i e n c e b a s e d t h i sa l g o r i t l l ，t h i s n ”s i sd i s c l l 鼹e st h ed c s i 弘柚di l p l e m e n t a t i o no f r vs y s t 锄s u p p o r t i n gs c a l a b l e m s e r v i c cu s j n gs p ma 1 9 0 r i t h ad e t a i l e de x p l a i l a t i o n 劬ma i e n t 柚ds e r v e rs i d ew i t h 柚e x a m p l ei m p l e m e n t a t i o ni si c l u d e d f i n a l l y ，m i st h e s i sd i s c i l s s c st h ei m e g r a t i o no f t h i ss y s t e ma n ds 1 1 b ，a n dp r o v i d e saf c a s i b l es c h e m e k e yw o r d s ：d i g i t a lh o m e ，1 p t v jp 2 p ，s c a l a b l e d c oc 0 d i n 岛1 s l 锄dm u 胁a s t r v 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：歪丕墅缝 日 期：型丝殖a 盘a 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内容编入 有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：删 导师签名： 日期：0 矿趔年，月日 日期： 年月日 基于对等网的s v c 视频实时传输算法的研究及应用 第1 章综述 第1 章综述 本章将给出本文的研究背景和相关技术的简介，并且通过对国内外技术的研 究现状分析，阐述现有理论和系统的不足，提出论文研究内容的意义。最后，本 章将给出论文的章节安排。 1 1 研究背景及意义 随着互联网宽带的普及，融合了多媒体内容和宽带网络平台的州，由于 其便捷性，用户自主性和资源的丰富性而备受用户青睐，已经逐渐成为全球下一 个极具前景、全新的宽带服务模式。由互联网实验室回提供资料显示( 图1 1 ) ， 单纯网络电视业务预计到2 0 0 9 年全球用户将达到3 6 9 0 万。在中国，该业务的普 及范围并不广，但是也正因为如此，其潜力也是巨大的。 目前，许多f 系统都开始调整原有的c l i e n 临e r v e r 模式，以对等网传输 技术来解决中心服务器带来的“服务器瓶颈”、规模受限、容错性不高等问题【1 1 。 利用对等网络技术，p 2 p 网络中的节点主机既扮演服务器，又扮演客户端的角色， 使对带宽、处理能力的需求分配到整个网络，从而达到更快获取服务的效果。 同时随着技术的发展和市场的逐步扩大，用户的多媒体服务消费观念和接入 终端的种类也在不断多变化。传统的流媒体消费大多都是通过对视频服务的点播 内容或者包月模式来做为收费标准 。因此只需要针对不同的节目指定不同的收 费标准就可以统计用户的消费情况。但是随着用户消费观念的改变，依据o o s 收费的模式已成为一种趋势。用户在享受网络视频流服务的同时，应该可以能根 据自己的消费水平选择不同q 0 s 质量的视频。同时，移动终端的普及，也使接 收流媒体服务的终端类型变得越来越广泛，如图1 2 所示，这些设备之间在性能 指标、显示面积、存储能力、处理能力和接入带宽等方面相差极大1 2 1 。因此，新 型的流媒体系统应该能够具有更好的伸缩性以满足各种终端在处理速度，显示屏 幕上的限制及按质量收费模式的需求。但是，目前主流的基于p 2 p 的r v 直 。互联网实验室h l l p ：，h 憎聊曲a 】a b s 耐 。拄次点播和大包月将成t 矿主要收费模式h t l p ：脚s o h u 删2 0 0 6 0 1 1 1 心1 3 9 0 1 6 9 曲叫 1 基于对等网的s v c 视频实时传输算法的研究发庶用 第l 章综述 播系统，如p p l i v e ，p 雕玎砌删等，针对某一特定节目，在网络内传送的都 是相同码率的视频流。也就是说，用户只能选择节目的一种质量服务，无法根据 自己的付费要求以及自己设备的情况选择不同的质量，不同码流的节目。 再种抻i j 甜算甲秆的差件 证鲁c r u 存触设备带畿屏暮 耀舟霉 善争，i 眦一 2 蛳*) i 呻“咖卜椰m p c ，n 个ti 删z 靳m 吨 帅t 姊1 0 0 m b p sl 删n t 2 帅 l 冲岬6 d f jm ，k s 撕卅i o ( 鲫”i m b 1 0 甜7 硝 d i | p n 瑚埘h 哺h b 耻r 、嘶 i q2 k h k3 。2 舯 图卜li p t v 全球用户规模及发展趋势 图l - 2 各种异构计算平台的差异”。 s c a l a b l ev i d e o d i n g ( s v c ) 技术就是针对媒体质量分级要求提出来的解决方 案1 3 1 。该技术利用分层技术，将媒体流分层一个基础层和一个或者多个增强层。 媒体至少需要一个基础层的数据流，并通过基础层和若干增强层的组合，达到不 同媒体质量的效果。由于其具有极高的灵活性，s v c 技术适合用于网络上的媒 体质量分级业务和根据网络带宽不同的自适应质量调整的实现1 4 1 。如果能将p 2 p 与s v c 两项技术同时结合，在现有的基于p 2 p 的i p l v 直播系统融入s v c 分级 优势，用户的媒体服务体验必将达到更高的水平。 除了使用可分级视频方式，目前还有一些通过其它方式来提供不同视频服务 质量的研究。对于不同的用户，0 l v e r q o s 方法通过平滑包丢失情况，设定包优先 级来提供带宽保证【5 】，但是它没有解决实际的网络构建问题。a s a nh a b i b 等人 提出利用一个“提供者”集合作为隐含的父节点来解决不同服务质量的问题【6 l ， 但是其质量受限于父节点。k 姐k u n gc h e n g 等人则引入用户自定义代价函数 ，【口，工j ，用此来最小化所有用户的代价并提供不同服务网。但是此种方式下，用 户服务质量是不可预知的，并不适用于日常实际网络环境。由此可见，在流媒体 服务中，选择结合可分级视频，比其他方式更合适于不同的质量视频的网络传输。 然而，在传统的p 2 p 对等技术，每个网络主机都扮演着这一个同等重要的角 色，这与s v c 的可变、不对等具有一定的差异性。因此，需要有一种改进的p 2 p 媒体流直播算法来实现p 2 p 与s v c 技术的完美结合。这种p 2 p 算法应该能配合 。p p l i 软件h t l p ：仰h v c ， 。仰s 锄软件h 卸柏哪w 叩船蛐叫 2 牡于对等嘲的s v c 视频实时传输算法的研究及应用第1 章综述 直播的特性及现有系统的可分级服务功能的实现。基于这种算法，原有的i p t v 系统模型也需要做出相应的修改，包括终端对媒体数据的选择，服务器端对用户 的管理，媒体内容的管理等等，都需要有所改进。出于这样的背景，本论文将着 重探讨该实时传输算法的设计和实现，以及利用该算法的系统的设计和实现。 1 2 对等网与s v c 相关技术概述 本节将会给出对等网和s v c 编码技术的相关介绍，并以此做为基础展开后 面的传输算法的讨论和系统的设计。 1 2 1 p 2 p 技术 简单地说，对等网( p 2 p ) 技术是一种用于在不同p c 用户之间、不经过中 继设备直接交换数据或服务的技术【8 】。p 2 p 网络通讯方式如图1 3 所示： 圈l 一3p c c r 之间关系及逻辑通信不意图 在对等网络( p e c rt op e e rn e 柳o r k ) 中，每个节点的地位都是同等的，具备客 户端和服务器双重特性，可以同时作为服务使用者和服务提供者。这方式使原来 加于服务器的负担分摊到各参与节点中。p 2 p 技术有着广阔的应用领域，目前主 要的应用有文件交换、分布式计算、协同工作、分布式搜索和电子商务等【9 l 。 与c s 模式相比，p 2 p 计算具有容错性强、数据流动速度快、数据互动性高、 抗干扰能力强，成本控制高等特点【埘。因此，对比c 幅模式，p 2 p 计算能够更好 的支持大规模应用需求，同时也能够以更快的方式传递各种数据。 将p 2 p 技术用于文件传输，通常有如图1 4 、图1 5 、图1 6 的3 种典型结 摧十对等网的s v c 说频实时传输算法的研究及应用第1 葶综述 构模式：集中式模型、分布式式模型、混合式模型。 从图1 4 可以看出，集中式的p 2 p 模型，主机对资源的查询，都需要通过一 个中心服务器。主机通过查询结果跟具有清求资源的二、e 机进行连接。 h 1 5 p e e r6 i 一 聚”曼 雾却。愀 幽1 4 集中模型小意幽 如图1 5 所示，分布式的p 2 p 模型以广播的形式在p 2 p 网络中进行务询。因 此该模型具有极好的扩展性。但是由于查询规模太大，查询复杂度和延时也较大。 l 谁有文竹x ? ( 第一渡) 2 谁有文件x ? ( 第二波) j 谁有空忭x7 ( 第二三被) ； 6 有文件x ，哺文件x i 6 有文件x 。8 有文件x r l 6 有文件x 请求下载文件x h 下蕴 p 竹r 1 0 图1 5 ，分布式模型1 i 意图 混合模型的p 2 p 模式，通过中心服务器之间的查询，减轻了整个查询的复杂 度，增加了查询的效率。图1 6 给出了混合型p 2 p 模型示意图 基于对等嘲的s v c 视频实时传输算法的研究及心用 第l 章综述 图1 6 混台p 2 p 模型脚i 意图 i 谁有文件x ? ( 第一波) 22 有文件x 3 谁有文件x ? ( 第二渡) 4 6 有文件x s 9 有文件x 66 有文件x 7 9 有文件x 8 请求下载文件 9 下袭 1 2 2s v c 技术 在各种实际应用中，由于网络支路q o s 的不同，网络状况变化以及用户需求 不同等等原因，都要求媒体服务具有可分级性，即视频媒体通过改变编码的比特 流的大小来适应网络状况和用户需求。解码器则会依据实际比特流的情况产生不 同质量的视频图象。具有这种特性的视频流称为可分级视频。而s c a l a b l ev i d e o c o d i n g ( s v c ) 技术就是为了实现这种可分级视频而提出来的。利用s v c 技术， 可以将视频编码成多个层次的数据流，包括一个基础层数据流和一个或者多个增 强层的数据流。而通过基础层和不同数目增强层的融合，可以产生不同分辨率， 不同质量的视频图象。 s v c 作为h 2 6 4 a v c 视频编码标准的一个扩展，是有j o i n tv j d e ot c 锄o f r i u tv i d e oc o d i n ge x p e r t sg m u p ( v c e g )a n dt h ei s o i e cm o v i n gp i c t u r e e x p e n sg r o u p ( m p e g ) 共同提出的【1 2 】。s v c 包含了3 种形式的可分级，时间可分 级、空间可分级和信噪比( s n r ) 的可分级【1 3 】。 下图1 7 是可分级视频编码技术与普通的视频编码技术对比的一个示例。从 图中可以看出，s v c 可以支持可分级的视频，但是也会带来一些多余的负荷【1 4 】。 基础层保证了视频的基本质量，而增强层和基础层的结合，则会提高视频的质量。 用户接受的增强层码流越完善，视频质量越高，如图1 - 8 所示【1 1 3 】。 在实际的网络应用中，通常有3 种分发模型【1 5 1 。包括接收驱动的分层多播 模型；带m 心厄的会话整合模型；单播模型。三种方式可以用图1 9 1 1 表示： 基于对等网的s v c 视频实时传输算法的研究发应用 第1 章综述 f 单一视频流fr j l 一j 1 1 5 m ( b 隆叠 可分级视频 基础层予码流ie ， 一竺墼! 、，、 空间域子码流 = 、 5 0 0 ￥b 妒 r - - - l 一 r 时间域子码流 ： 7 0 m d l 。 一h s n r 层子码漉i ：， 5 呻k b 僻 1 5 m s 1 5 f s 3 0 f d 5 3 0 f s 圈1 7 口j 分级视频编码技术与普通视频编码技术对比不例 从图1 9 可以看出，使用接收驱动的分层多播模型，媒体数据分别异步的连 接，每一层在一个单独的r t p 会话中，具有单独的传输地址。而图1 1 0 则是另 外种方式，在服务器段多播或者广播，然后通过一个m a n 整合会话。此后 形成一个网络提取层( n a l ) 单元，在一个r 1 n p 会话，一个单独的网络地址中传输。 图1 1 1 采用的是单播，以文件的方式分层表示，服务器一次产生的r t p 会话可 能包含多于一层的数据。具体的r t p 负载格式在t f 草案中有详细描述1 1 6 1 。 图1 8 整台多种可分级策略的例子图1 9 接收驱动的分层多播模型 图1 1 0 带m a n e 的会话整合模型图1 1 1 单播传送s v c 流模型 。m a n e ：m e d i a a 舰r cn e t w o r ke l c m e n i ，r f c 3 9 8 4 ，2 0 0 5 6 圈圈圈圈 徽 一 脯蚴 基于对等网的s v c 视频实时传输算法的研究及应用 第1 章综述 1 3 国内外研究现状 对s v c 视频流的研究正在国内外中兴起，特别是在s v c 成为h 2 6 舭w c 视 频编码标准的一个扩展之后，这方面的研究工作得到更多研究人员的关注。本节 将简要介绍下可分级编码技术研究及其应用，并将给出已有传输控制方面的研究 及其与对等网技术结合的研究，并总结出现有研究的不足。 1 3 1 可分级编码技术及其应用研究 李占林等人介绍了现有的h 2 6 劬w c 可分级编码扩展的原理和关键技术。提 出在无线网络或i p 网络上传输视频流都有很好的应用前景【切。而将可分级编码 视频用于媒体服务中，需要有完善，快速的编解码技术支持，就目前而言，s v c 并不如现有的编解码技术完善。c h e ny i n g 等人就针对现有s v c 技术不太关注的 错误隐藏展开探讨，提出一种复杂度低的策略，但是仅针对空间可分级【1 8 】。而 b 扯等提出了一种支持多兴趣区域的s v c 编码方式，采用h 2 6 4 中的可变宏块 序列来实现【1 9 1 。朱莹等人通过s v c 的几种f g s 层编码的低延时应用方案进行实 验对比，支持其方向1 2 0 】。除了这些在针对编解码的研究，还有许多探讨s v c 应 用前景及方案。由于s v c 的特性，这种应用更多在无线网络等环境下被提出。 s c h i e n 和h i l l e s t a d 等分别给出了一种在无线网络下应用s v c 的方案1 2 l 】1 2 2 l 。 砧o m 鹤s c h i c r l 等人则介绍了如何在移动a dh o c 网络中应用s v c 流【捌。s c h i e n 等提出一个整合可分级视频与传统多媒体务平台的实时系统，包括一个 m p e g 2 1 链上的服务器，自适应节点和客户端【2 4 l 。他们详细探讨了整合可分级 视频流后多媒体平台需要调整的任务，并提出一种不等的可擦除保护( u e q u a l e r a s u r cp r o t e c t i u x p ) 策略来保证可分级视频的传送。但这些研究大多针对固 定需求展开，仅在系统层次，没有涉及过多的可分级视频的传输控制策略方面的 内容。 1 3 2 可分级编码传输控制研究 对于可分级视频流传输与控制的研究，近年来在国内外已逐渐成为研究热 点。n 舳鹤s c h j c r l 等人分析了s v c 在移动视频传输方面的各种结合方式，并提 出在移动网络中使用s v c 的创新应用【吲。a 咖o v a 给出在假定i p l v 网络中， 对使用s i m u l c 雒t 和可分级视频进行视频传输的比较结果【2 6 1 。提出了针对两种不 7 基于对等网的s v c 视频实时传输算法的研究及廓用 第1 章综述 同的订阅模型的计算和估计系统能力的方法。这些方法可以用于探讨这可分级码 率负荷、系统提供的频道数目、频道的热度和用户数目等因素的影响。该文章的 贡献主要是在提出一种公式用于计算可分级视频的系统带宽需求。这给了我们一 个判定可分级视频的可用性的标准。在具体传输上控制，张方等人提出了一种自 适应不等丢包策略( a u p u ) 用以满足可分级视频流用于网络传输时的o o s 要 求闻。a u p i j p 在估计当前可利用网络带宽资源基础上实时调整不同层视频流的 纠错保护力度，并控制传输截断的层数以适应网络的拥塞及传输带宽的起伏。 s c l l i e d 在其论文中提出在无线a d - h o c 网络利用可分级编码技术来增加视频传送 的鲁棒性【矧。该论文利用一种前向纠错( f e c ) 的不等包丢失保护( u e q u a lp a c k e t l o s sp r o t e c t i o u p i j p ) 策略来实现这种鲁棒性。但是该研究主要是针对无线a d - h o c 网络，并且网络构造的算法是对一个已有的文件共享下载网络构造算法 a v a l a n c h e 的改进，因此对其他更多的情况并不一定有效。而) ( i a o q i n gz h u 等人 探讨了在无线网格网络中出现多播视频时码率分配上的问题，提出一种利用可分 级编码技术的分布式码率分配策略用于晟小化整个网络中节点的视频失真【捌。 该策略需要一m a c 层和应用层之间进行的信息交换，在保证分配码率不大于父 节点的分配码率前提下，并利用可分级编码技术达到多播树上的质量最优缩减。 这种策略有利于在无线网格网络下进行视频多播服务的实现，但是对于如何结合 可分级视频到传输中，如何控制不同层次的媒体流，该文却没有进行深入的探讨。 1 3 3 可分级技术与p 2 p 技术的结合研究 m u b 鸽h 盯m u s l l t a q 等人通过平衡可分级视频和p 2 p 网络的特点，提出一个有效 的可调整视频流策略用于保证以一个可接收的q o s 进行平滑的内容分发【2 9 l 。除 了数据流模型和缓存的管理办法，该策略的核心在于对数据包进行调度时，将所 有的该数据包发送节点按照q o s 进行排序，并将媒体基础层分配给0 0 s 最好的 发送节点，接着按照顺序分配其他层次的节点。b a c c i d l e t 等人则将可分级编码 应用在一个p 2 p 多播协议( s t 卸f b r dp e e r - t o - p e e rm u l t i c 舔tm p p m ) 上来解决网络 拥塞问题【刈。m p p m 协议利用一个多播树集合来分别传输不同的数据，并通过 实验证明这种结合可分级视频和多播树集的方式可以改进网络拥塞问题。但是这 种方案并没有提出不同覆盖树由于延时不同带来的数据包不同步性问题的有效 解决方案。此外在也有不少研究单纯考虑p 2 p 和可分级视频的特性来进行结合。 8 基于对等网的s v c 视频实时传输算法的研究及应用第1 章综述 y m g c a i 通过将p 2 p 网络中节点加入到不同单元中来进行对等网络中分级视频流 的管理【3 1 】。i ( i e n 等人则提出了一种网络编码( e m o r kc o d e s ) ，使p 2 p 在多点到一 点传输过程中【3 2 1 ，有较高的可能性收到可分级编码中基本层子码流，确保带宽 较差的情况下优先收到可直接解码的低码率视频流。x u g i l a l l gi _ a n 等则结合s v c 和p 2 p ，提出了一种基于s v c 可管理p 2 p 覆盖网络结构，利用分布式服务器， 分布式节点，分布式超级节点3 种类别的节点相互关联完成s v c 视频流的p 2 p 传输【3 3 】。这种方式依赖与中心的分布式服务器，扩展性并不强。 1 3 4 现有研究的分析 虽然时间域可分级在1 9 9 2 年作为m p e g l 的一部分被提出，但是一直以来 都不是解决带宽变化的主要研究方向。直至2 0 0 5 年，j v t 对这方面技术进行总 结成第一份h - 2 6 钔w c 的s v c 草案，可分级编码的研究逐渐成为热点。但是相 比已有的编解码技术，这方面还相当不完善，因此，目前大部分的研究工作都放 在编解码上，而与实际应用的结合研究，也仅仅在一个架构框架上面。而s v c 视频传输的研究则通常是针对一些特定的网络情况，譬如无线局域网等来进行展 开。在p 2 p 网络上传输s v c 视频流的研究并提出完整的算法的，目前还是相当 少，许多工作都只是从理论上进行研究，没有实际的项目或者应用支持。 1 4 论文研究内容 基于这样的研究背景，本论文将基于中山大学和香港科技大学合作的普适 多媒体流的可延伸网络电视与交互式电影平台项目 开展这方面的研究。该项 目包括一个基于s i m ( s c a l a b l ei a l a n dm u t i c a s t ) 岛式多播传输技术的p 2 p i p r i v 平台。s i m 岛式多播传输算法是一个基于覆盖树和口多播技术的传输策略，也 是一个优秀的媒体直播算法【卅。本论文探讨的对等网下的s v c 视频流传输算法， 也将以s i m 作为主要的借鉴对象，研究如何在覆盖树下结合s v c 视频流传输以 及如何在口多播技术下传输s v c 视频流。 在分析了覆盖树模型与s v c 传输结合方式以及口多播与s v c 传输结合方 式之后，本论文将提出一个改进的整合覆盖树模型和口多播技术的s v c 对等网 o 普适多媒体流的可延伸网络电视与交互式电影平台，项目编号：g v 0 4 5 9 基于对等网的s v c 视频实时传输算法的研究及应用 第1 章综述 传输算法，并对其性能和影响性能的因素进行分析，并通过实验探讨其优势。 基于文章提出的对等网下s v c 视频传输算法，本论文也会探讨如何对原有 项目实现的i p t v 系统进行改进，结合该传输算法提供可分级服务。整合后的 i p t v 系统应该能达到如下图1 1 2 所示的功能。除了探讨该传输算法在现有的 l p l v 系统的应用，论文还会提出小处理能力的终端设备，譬如机顶盒如何应用 该算法结合到现有的i p t v 直播系统中。 幽1 1 2 带s v c 技术的i p t v 系统示意图 1 5 论文结构安排 本论文将会简单介绍基于可分级编码技术和p 2 p 技术的原理，探讨已有的网 络传输技术。基于对现有技术的研究，本文将总结出适合在对等网中实时传输 s v c 视频流的算法，并在最后给出一个基于算法的直播系统架构。本文章节的 安排如下：第1 章给出本文的研究背景和相关的技术介绍，并对现有的研究现状 进行介绍；第2 章将会给出一个传输s v c 的覆盖网络的评估方式，并以此探讨 覆盖树模型和i p 多播技术与s v c 视频传输的结合方式：第3 章将会详细介绍基 于s v c 和p 2 p 的岛式多播传输算法，讨论设计的思路和具体实现过程，并给出 实验数据及分析其效果：第4 章则会根据第三章的算法，提出一种基于可分级编 码和p 2 p 技术的i p t v 系统架构，包括各模块组成及它们之间的关系和关联方式， 并且探讨了该系统与机顶盒的结合方式；最后第5 章会给出整篇论文的总结和建 议。 基于对等网的s v c 视频实时传输算法的研究及应用 第2 章p 2 p 网络中s v c 税频传输算法分析 第2 章p 2 p 网络中s v c 视频传输算法分析 本章将探讨如何在p 2 p 网络中传输s v c 流媒体，并给出一个基于s v c 的传 输覆盖网络的性能评估策略。该策略将用来评价之后章节介绍的各种传输策略和 算法。同时，本章还将介绍覆盖树模型和i p 多播技术，研究它们与s v c 视频流 传输的结合方式，并给出各种方式的实验结果对比。 2 1 基于可分级服务的传输覆盖网络性能评估 在网络中开展流媒体服务时，各网络节点间相互联通，构成一个完全位于应 用层之上的网络系统。这种网络被称为覆盖网络旧。其中p 2 p 网络就是典型的 覆盖网络。不同的传输算法，数据包传输路径不同，构造出来的覆盖网络是不同 的，其网络性能也是不同的。为了能进一步的探讨可分级视频流在p 2 p 网络中 的各种传输策略，对比各种不同的传输算法的优劣，根据直播系统的特点，这里 给出传输s v c 视频的覆盖网络的性能评估策略，并基于这个评估策略来评判各 种传输s v c 的模型和策略。 2 1 1 覆盖网络的定义 网络中相连通的主机节点都能构成一个覆盖网络，为了能够在下面的章节更 好的分析覆盖网络的性能，这里引用s 0 n i a 和m i n s e o kk w n n 在他们的一篇论文 中给出的覆盖网络的一个形式化定义p q 。 假定一个实际的基础网络展开为一个图的形式：g 一( ，e ) ，其中n 是节点 的集合，而e 是边的集合。一个节点，7 i ，表示了网络中的一个路由器，而一 条边唧，啊) e 表示了基础网络中的一条双向的物理链路。那么，一个在g 之上 的覆盖网络是一棵树d o ，d ，o ，o ) ，其中，s 是数据源主机，d 是接收主机的 集合，o 是覆盖链路上遍历过的基础网络中的节点集合，而历是覆盖链路 的结合。假定数据源主机和所有接收主机的集合定义为h o ，则一条覆盖链路 e o ，倾，帕班，西) e o 中，有击h o ，d r 日o 。所有的接收主机只在某一覆盖链 1 】 基于对等网的s v c 视频实时传输算法的研究及应用 第2 章p 2 p 网络中s v c 视频传输算法分析 路序列的最后出现一次。 s o n i a 和l 沁提出的这一个覆盖网络定义规定了接收主机只在一条覆盖链 路序列中出现，也就是限定了所有的接收主机只从一台主机上接收数据，即不存 在从多个父节点的情况，数据源和接收主机构成一棵覆盖树。但是在实际的媒体 传输网络中，一个节点可能同时从一个或者多个网络节点获取数据，并从接收的 所有数据中重新组合出一个完整媒体服务需要的数据。因此这里，在s 伽i i a 等提 出的覆盖网络定义上加以扩展，去除接收主机只在某一条覆盖链路序列最后出现 一次的约束条件。下面的讨论也将基于这一扩展覆盖网络的定义来展开。 图2 1 是树型的覆盖网络和网格型的覆盖网络的简单示意图。 图2 1 树形覆盖网络( 左) 及网格堑覆盖同络( 右) 示意图 在图中，节点0 为数据源主机，节点l - 7 为接收主机。覆盖树网络中，所有 的接收主机均只有一个父节点，并从父节点接收完整的媒体数据。在覆盖网格网 络中，主机3 ，4 ，5 分别从主机1 ，2 接收数据，这两部分数据可以是分别独立 的或者是具有重复的部分，但是两部分的整体能够重构出完整的媒体数据。不同 算法建立的覆盖网络是不同的。常见的树型优先的算法有o v 锄赋协议鲫， b 锄e l j c c 算法p 田和s w i 蛐m 协议【3 9 1 ，而常见的m e s h 优先的算法有n 锄d a 协 议【柚】和g s a m c r 协议【4 1 1 。 2 1 2 常用的覆盖网络性能评估策略 目前，研究人员常用的覆盖网络性能评估策略有许多，包括覆盖代价( o v e f l a y c o s t ) 刚，另一方面是链路负载( i j n ks 仃c 豁) 【弼以及其他策略，基于上面的覆 基于对等网的s v c 视频实时传输算法的研究及应用第2 章p 2 p 网络中s v c 视频传输算法分析 盖网络定义，下面给出已有的覆盖网络评估策略的介绍。 ( 1 ) 覆盖代价：指在每一条覆盖连路上出现的“跳”的次数的总和。这里 覆盖链路上出现的“跳”的次数是指在覆盖链路中经过的实际物理链路条数，即 经过的路由器序列中的路由器个数。针对前面的定义，对于每条覆盖链路 p o 一晒，t 7o 班，击) o ，单条链路的“跳”数目为b ( p o ) 。覆盖网络的覆盖代价 表示为：y n 。e 出忙o ) 。注意同一个路由器可能出现在不同的覆盖链路上，同 一 一段路由器序列也可能出现在多个不同的覆盖链路上。譬如，对应图2 1 中的树 型覆盖网络，其覆盖代价为：4 + 1 + 2 + 1 + 2 + 4 + 4 = 1 8 。 ( 2 ) 链路负载：指一个数据包条相同的基础物理链路上，被传输的拷贝 数目。从图2 - 1 的树型覆盖网络中可以看出，从数据源到最近的路由器之间的链 路上，每个数据包具有两个相同的拷贝被传送。此时该链路的负载为2 ，综合整 个覆盖网络，可以给出整个网络的平均链路负载。 ( 3 ) 其他策略；除了上面两种策略，其他的评估策略包括：a h o 中主机的 深度：b 路由器的深度；c 整个覆盖网络的深度；d 从父节点到子节点间每跳 延时等嗍。 2 1 3 用于可分级视频实时传输的覆盖网络性能评估策略 上面给出了几种常用的覆盖网络的性能评估策略，但是这些策略通常针对普 通的单质量，单数据流的覆盖网络进行探讨，并没有专门针对s v c 可分级的r 直播覆盖网络。通过对上面的评估策略进行修改，可以使其符合可分级服务和 s v c 码流的特点。下面几点是改进后的可分级覆盖网络性能评估策略。 ( 1 ) 改进的链路负载评估策略：由于s v c 码流的分层特性，在一特定的网 络链路上，可能传输的是某一特定层次的子码流，也可能传输了多个层次的子码 流。这些子码流之间有很强的依赖关系，因此传统的计算链路负载，单独考虑每 个子码流在特定链路的传输拷贝数目是不全面的。这里，我们修改链路负载的计 算方式，链路负载定义为在该链路上，用于传输的同一个s v c 媒体的实际使用 带宽与该s v c 媒体基础层的码率的比值。假定在s v c 媒体可分成l 层，对应的 各层码率分别为冠。，r 。一圹一u 1 ) 。各层子码流在某一个链路上的传输拷 贝数目为c 。也c k ，矿，c 。u 一1 ，那么，该链路的负载可以用下面的公式表示： 基于对等同的s 虻视频实对传输算法的研究及应用 第2 章p 2 p 嬲络中s v c 视频传输算法分析 断黜o ) 一( 一b 艮一6 + 一i + 一i + + 一u 一”+ c 眦一“一1 ) ) ( 1 1 ) ( 2 ) 改进的相对延时代价策略：相对延迟代价即r e l a i v ed e 】a y p e n a l t y ( r d p ) 【帅1 。从用户的角度，网络负载，系统负载等因素均是不可知和不相 关的，用户考虑的更多是网络延时和服务质量。r d p 策略就是为了评价用户的 相对延时提出来的，指用户的实际延时与从数据源到用户节点的直接传输延时的 比率。根据前面的覆盖网络的定义，假定从数据源s 发送数据到接收主机击中间 经过的转发主机序列为似o ，d ”，柳，其中西ho ，西+ d 那么从源s 到接收主 机的时延l a t e n c y ( s ，d r ) 可以用下面的公式表示： 趾自研c y o ，击) 一如哕“d 0 ) + ：出 吵 ，d i + 1 ) + 如此i y ，击) ( 1 2 ) 由1 a t c n c y ( s ，出) ，有从源s 到节点d r 的r d p 为：肠露黝锣( s ，奶如姆q ，西) 。 然后，由于s v c 媒体的分层特性，不同的子码流可能通过不同的传输路径 从源节点s 到达接收主机d r ，因此，不同的子码流的l a t e n c y ( s ，d r ) i 并不一致，其 中i 标识第i 个子码流。假定接收主机d r 需要接收基础层脱及增强层皿t 皿f ， 那么所有的子码流层都接收至之后，主机才可以恢复出需要质量的媒体。因此， 将相对延时代价策略修改为： r d 尸( 亩) 一m a x 伽f 删锣o ，西) o 缸f e h 掣0 ，击) ，o 如妞y o ，击)( 1 3 ) 对整个覆盖网络而言，网络的r d p 可以用各接收节点的平均r d p 来表示。 ( 3 ) 质量切换延时策略：基于可分级视频s v c 的口t v 系统，接收主机能 根据用户的需求和网络状况进行服务质量的切换。因此，需要有这种策略来评估 在该覆盖网络下，质量切换的延时。由于s v c 的可分层性，从高质量到低质量 的切换，仅需在原有接收的基础上减少接收的子码流数目，并不会带来过多的延 时，因此，这里的质量切换延时主要是针对从低质量到高质量切换所带来的延时。 假定主机d r 请求从服务质量m 切换到服务质量n ，即需要获得新的子码流 f e 。一”三l ，那么其切换延时可以用下面的公式表示： 一帕。= 端茹篓裟