（计算机应用技术专业论文）基于数据驱动的流媒体应用层组播策略研究.pdf

硕士学位论文 摘要 滚媒俸技术正在被馥用到许多重要领域，魏数字銎书馆、逡程教育、视频点 撵、实辩溺络毫褪释蛰露避谶。i n t e r n e t 上豹流媒落发布技术是警蘸诗募辊辩学鹱 域的研究热点之一。传统的c s 架构由于服努器的性能瓶颈而觅法适应大规模的 流媒体发布。针对大规模数据发布设计的i p 组播虽然提出多年，由于涉及到网络 基础设鸯敷的调整，加上技术上存在的很多固有限制，日前尚难以大规模的部署和 实施。= i 瑟霉来，针对这个阉舔碜 究人员提出了腹瘸层组撬策略( a l m ) ，该策略把 缝蕹懿凌戆获阏络层移爨纛麓层，院l p 缝撵燹灵活盈荔予部馨。 应用膳组播策略的性熊指标包括传输延迟、带宽利用效率、负载分布性和健 壮性等。策略本身的实现嶷杂度也是需要考虑的问题。现有的舆烈策略都试图在 这些性能之间做出一个合邋的权衡。有的策略借助复杂的组播通讯协议进行了很 好的权擞，但是难以宾正灾现。本文设计了一辨基于数据驱动的滚媒体应用层组 撵茨蝰( d s a l m ) ，它滚耪分套式、垂组织戆方式穆建一个终稳拖覆盖疆终， 节点通过调度算法从多个节点中同时获取数据和动态地优化数掇。作为策略核心 的调度算法是以数据为中心，以接受者为执行主体，在各个性能方面做出了较好 的权衡。d s a l m 的优点主要包括：1 ) 易于实现；不需要构建和维护复杂的结构 纯覆盖网络，也不需要部鬻特殊的组播通讯协议。2 ) 有效的：搜滤节点能快速逮 蘩入瑟爨褰较蟹瓣豢据疆埝延迟淫戆。3 ) 公平豹：傻数据转发受载器量分毒受掰 有节点巾，与p 2 p 的思想一致并体现负载分布的公平性。4 ) 健妆的；通过部署多 描述编码，保证了绝大多数节点在动态环境下的流媒体服务质嫩。 在模拟的网络环境下对d s a l m 和h m t p ( 基于组播树的舆溅应用层组播策 略) 迸舒了仿宾，实验绪祭浅明：裙毙h m t p ，d s a l m 在数撰健输延迟、带宽 嚣蔫率、数摇转发受载分蠢耧毽壮整方瑟翼露较努熬缝能羁扩瓣穗。在宓瑟入延遴 和控制开销方面，随着组播规模的增大，d s a l m 的增长趋势暖短小于h m t p ， 表现出了更好的扩展性。 关键字；流媒体；应用崖缀攘；覆盖霹络；数据驱动；调度冀法：多搓述编码； 鉴于数据驱动戆濠媒体痘矮层缓攒蓑臻骚巍 a b s t r a c t n o w a d a y sm e d i as t r e a m i n gt e c h n o l o g yi sa p p l i e dt om a n yi m p o r t a n tf i e l d s ，s u c h a s d i g i t a ll i b r a r y , r e m o t ee d u c a t i o n ，o n - d e m a n dv i d e o ，r e a l - t i m ei p t va n d c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n a tp r e s e n td i s t r i b u t i n gm e d i as t r e a m i n gt oe n ds y s t e m s o v e rt h ei n t e r n e tb e c o m e sah o tr e s e a r c hi nc o m p u t e rs c i e n c ef i e l d 。t r a d i t i o n a l c l i e n t s e r v e rm o d e li s n ta b l et oa d a p tt ol a r g e s c a l ed i s t r i b u t i o no fm e d i as t r e a m i n g b e c a u s eo fs e r v e r s p e r f o r m a n c eb o t t l e n e c k 。i no r d e rt os u p p o r tl a r g e s c a l ed a t a d i s t r i b u t i o ni pm u l t i c a s th a sb e e np r e s e n t e df o rm o r et h a nd e c a d e s h o w e v e r , i p m u l t i c a s th a s n tb e e nd e p l o y e di nl a r g eb yf a r b e c a u s ei t sd e p l o y m e n th a st om o d i f y b a s i cf a c i l i t i e so f n e t w o 矗sa n dt h e r ei sm u c hi n t r i n s i cc o n f i n e m e n ti ni pm u l t i c a s t i n r e c e n ty e a r s ，a i m i n ga tt h i sp r o b l e mr e s e a r c h e r sh a v ep r o p o s e d a p p l i c a t i o nl a y e r m u l t i c a s ts t r a t e g y ( a l m ) w h i c ht r a n s f e r sm u l t i c a s tf u n c t i o no n t oa p p l i c a t i o nl a y e r a l mi sm o r ef l e x i b l et h a ni pm u l t i e a s ta n de a s i e rt od e p l o ya n di m p l e m e n t p e r f o r m a n c ei n d e xo fa l mi n c l u d e st r a n s m i s s i o nd e l a y , b a n d w i d t hu t i l i z a t i o n r a t i o ，l o a dd i s t r i b u t i o n ，r o b u s t n e s s ，e t c c o m p l e x i t yo fi m p l e m e n t i n gs t r a t e g yi t s e l f s h o u l da l s ob ec o n s i d e r e d a l lo ft y p i c a la l ms t r a t e g i e st r yt h e i rb e s tt om a k e t r a d e - o f fa m o n gt h e s ep e r f o r m a n c e s 。s o m es t r a t e g i e sm a k eas u i t a b l et r a d e - o f fb y l e v e r a g i n gc o m p l e xm u l t i c a s tc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l 。h o w e v e r , t h e ya r eh a r dt o i m p l e m e n t t h i sp a p e rd e s i g n sad a t a - d r i v e nm e d i as t r e a m i n ga p p l i c a t i o nl a y e r m u l t i c a s ts t r a t e g y ( d s a l m ) ，i to r g a n i z e sn o d e si n t oa nu n s t r u c t u r e do v e r l a yn e t w o r k b yad i s t r i b u t e d ，s e l f _ o r g a n i z i n gm o d e e v e r yn o d ef e t c h e sd a t af r o mm u l t i p l en o d e s a to n et i m ea n do p t i m i z e sd a t ad y n a m i c a l l y s c h e d u l i n ga l g o r i t h mw h i c hi sc o r eo f t h e s t r a t e g yi sd a t a - c e n t r a la n de x e c u t e db yr e c e i v e r s i tm a k e sab e t t e rt r a d e o f fa m o n g t h e s ep e r f o r m a n c e s t h ef e a t u r e so fd s a l mm a i n l yi n c l u d e s ：( 1 ) e a s yt oi m p l e m e n t ， i td o e s n th a v et oc o n s t r u c ta n dm a i n t a i nac o m p l e xm u l t i c a s tt r e e ，a n da l s od o e s n t h a v et od e p l o ym u l t i c a s tc o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 ( 2 ) e f f i c i e n t ，e n ds y s t e m sc a nj o i n i nm u l t i c a s tg r o u pq u i c k l y , a n dh a v eag o o dp e r f o r m a n c eo fd a t at r a n s m i s s i o nd e l a y ( 3 ) f a i r ，d s a l mt r i e si t sb e s tt od i s t r i b u t et h ed a t a f o r w a r d i n gl o a da m o n ga l lo f n o d e s t h i si s c o m p a t i b l e w i t hp 2 pi d e aa n da l s ob e h a v e st h ef a i r n e s so f d a t a * f o r w a r d i n gl o a dd i s t r i b u t i o n 4 ) r o b u s t ，i nh i g hd y n a m i cn e t w o r k s ，i tc a ns t i l l e n s u r es e r v i c eq u a l i t yo fm e d i as t r e a m i n go fm o s to fn o d e s d s a l ma n dh m t pf at y p i c a la l mb a s e do nm u l t i c a s tt r e e ) a r ee m u l a t e di nt h e s i m u l a t e dn e t w o r k se n v i r o n m e n t t h ee x p e r i m e n t a ld a t as h o w s ：d s a l mi sb e t t e r l l 疆学爱沦文 t h a nh m t pi nt h ep e r f o r m a n c eo fd a t at r a n s m i s s i o nd e l a y , b a n d w i d t hu t i l i z a t i o nr a t i o ， d i s t r i b u t i o no f d m af o r w a r d i n gl o a d a n dr o b u s t n e s s w i t ht h ee n l a r g e m e n to f m u l t i c a s t s c a l e ，d s a l ms h o w sb e t t e rs c a l a b i l i t y i nt h ep e r f o r m a n c eo fj o i n i n gd e l a ya n d c o n t r o lo v e r h e a d 。 k e y w o r d s ：m e d i as t r e a m i n g ；a p p l i c a t i o nl a y e rm u l t i c a s t ；o v e r l a yn e t w o r k s ； d a t a d r i v e n ；d a t as c h e d u l i n g ；m u l t i p l ed e s c r i p t i o nc o d e ； i l l 基于数据驱动的流媒体应用层组播壤略研究 插图索引 图2 。1c s 架构的瓶颈6 图2 2c d n 架构6 图2 3 应用层组播与i p 组播的区尉、9 图2 4 可扩展分级编码总体框架。9 图2 5 多描述编码1 0 图3 1n a r a d a 中覆盖网的修复1 3 图3 2n i c e 的分层拓扑1 4 图3 4s p l i t s t r e a m 的森林简单示例图1 7 图3 5p a s t r y 将消息从节点d 4 6 a l c 路由到6 5 a l f c i8 图3 6s p t i t s t r e a m 森林的构造1 8 图3 7c o o l s t r e a m i n g 节点系统结构1 9 图3 8 资源指标的计算方法2 2 匿4 1d s a l m 的数据传输拓扑2 7 图4 2 数据的表示2 8 图4 3d s a l m 节点的系统结构2 s 图4 4 节点加入算法的伪代码3 1 图4 5 描述调度的顺序表示图3 3 匿4 6 调度算法的伪代码3 4 图4 7 重定义组成员和恢复数据的伪代码3 6 图4 8 重新调度描述的伪代码，3 7 图5 1g t - i t m 的t r a n s i t s t u b 模型4 1 图52 d s a l m 中组成员数不同时平均数据传输路径长度的比较4 4 圉s3d s a l m 中组成员数不同时平均节点加入延迟的比较，4 4 图54 资源指标的比较4 5 圈5 ，5 平均传输路径长度的魄较4 s 图5 6 每个节点的传输路径长度的比较4 5 图5 7 平均节点加入延迟的比较4 6 图5 ，8 每个节点加入延迟盼比较4 6 图5 9d s a l m 中节点的数据转发负载4 6 图5 1 0h m t p 中节点的数据转发负载4 6 图5 1 i 节点数据转发负载与其带宽的比值的比较4 7 图5 1 2 节点数据转发负载与其带宽的比值的分布情况比较4 7 硕士学位论文 图5 1 3 霹瓣褒牙1 6 令萤点鬃节患数据震量戆分毒穗滋磁较4 8 圈5 1 4 同时离开3 2 个节点澎节点数据质量戆分意重奇搅魄较。4 8 圈5 1 5 节点的控制开销比较4 9 图5 1 6 节点控制开销与数据转发负载之比值的比较4 9 图5 1 7 平均控制开销的比较4 9 图5 1 8 节点控制开销与数据转发负载的比值的平均饿比较4 9 v 湖南大学 学位论文原创性声明 本入郑踅声鳙：所警交的论文是本入在导癖懿指静下独立进行骚究掰 取得的研究成果。除了文中特剐加以标注弓i 用的内容夕 ，本论文不包含任 何其他个入或集体融经发表或撰写的成采作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均邑在文中以明确方式标明。本久完全意谈到本声翡的 法律后柴由本人承担。 作豢签名：矽盆涵日期：。一辞? 月自 学位论文版权使用授权书 本学位论文作学完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校傺黧并岛国家嚣关部门或帆构送交论文的复印传和电子版，允许论文 被套阕秘馐阕。本人授权潮潦大学可以将本学位论文姻全部或部分内容绽 入有关数据库逃雩亍捻索，可以采用影印、缨印或搠攒等复制乎段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文瘸子 1 、保密嬲，毒年辫密居遗髑本授权璐。 2 、不绦密密。 ( 请在颤上稳应方橇淹豁“4 ”) 作赣签名：莩运园麓；。年；月f 夕诌 导师签名：二勒哆高 西期： 奠彩年岁月f 。醴 “建磊。 硕士学位论文 1 1 研究目的和意义 第一章绪论 随着i n t c r n c t 网络和宽带接入技术的快速发展，各种信息的共享和访问需求 达到了前所未有的高度。网络用户感兴趣的不仅仅是一些传统的文本和图象之类 的简单信息，对于多媒体内容如视频点播、网络电视直播的需求日渐增加。以前， 多媒体内容需要从服务器完全下载后才能播放，由于多媒体内容一般比较大，完 全下载整个多媒体内容需要很长的时间，无法满足用户的要求，影响了多媒体内 容的传播。应用流媒体技术后，用户就不需要等待很长一段时间才能接受到流媒 体内容。流媒体技术实现了下载的同时支持用户在线观看多媒体的功能。在这几 年，流媒体技术得到了广泛的应用。 本文关心的问题是如何把流媒体数据从服务器向大量的客户端进行发布。基 于单播的c s 架构是最简单的流媒体发布方法。这种方法消耗巨大而昂贵的服务 器带宽，客户端却仍然难以获得令人满意的媒体质量。原因在于c s 架构完全依 赖于服务器的性能包括带宽和计算能力，具有固有的性能瓶颈，所以无法很好的 适应大规模的流媒体发布。内容发布网络( c d n ) 】是对单- - n 务器的c s 模式的 改进，由分布在不同区域的服务器群组成一个虚拟网络。不同的客户端选择对它 来言性能最优的服务器为其提供流媒体数据，尽可能避免服务器的性能瓶颈和网 络对于数据传输的影响，使客户端获取高效和稳定的流媒体数据。但c d n 的部 署成本相当高，使得c d n 无法推广。 i p 组播1 是面向组通讯应用的，被认为是流媒体发布的最佳方法。i p 组播 功能是网络层提供的，由具有组播功能的路由器复制和转发数据。但是，i p 组播 的扩展性、健壮性和拥塞控制等问题还没有很好的解决。所以，i p 组播被提出数 十年后还没有被广泛的部署。因此，研究者提出了一种更灵活的流媒体发布方案 即应用层组播，把组播的功能从网络层移到应用层，由客户端实现数据复制和转 发的功能。应用层组播不需要组播路由器的支持而且容易部署。应用层组播策略 结合了p 2 p 的思想【4 ，5 6 】，每个用户既是客户端又是服务端，在接受数据的同时承 担数据转发的功能。但是由于用户的行为是不可预测的，网络的带宽又是异构的 和动态变化的，如何实现一个高效稳定的流媒体应用层组播策略成为这几年研究 重点。本文将对应用层组播策略深入研究并提出一个新的流媒体应用层组播策略。 鏊予鼗据驱韵瓣滤媒藩应弼屡鳃撵策略霹究 1 2 研究内容 虽然殿用层组播鼹提出短短几年，但是很多研究机构开展了相关的研究。 n a r a d a 1 是最早的应用层组播研究项目之，由卡内基梅隆大学开展； a c i r i ( a t & tc e n t e rf o ri n t e r n e tr e s e a r c ha t1 c s l ) 提出了鏊予斑用层缀矮的一整 套内容分发的解决方案y o i d 粥，霞捂应餍层缀攘静可靠、安全、捐塞按镥l 等梳嚣l 。 马里兰大学的s u m a nb a n e r j e e 等设计了一个基于分层结构的可扩展应用层组播策 略n i c e 1 们。h m t p 1 1 1 怒c a l i f o r n i a ，l o sa n g e l e s 大学b e i c h u a nz h a n g 等程2 0 0 2 年 绳密懿基于糖结梅翡臻缀撵策略；s p l i t s t r e a m 拽】楚镞较繇究掰设诗懿一个基于多 重树的高带宽组播方燕；c o o l s t r e a m i n g ! ”，1 4 】系统是香港中文大学张欣研等设计和 实现的基于非结构化o v e r l a y 的网络直播系统；在国内，华中科技大学设计并实 现了一令p 2 p 视频壹攘服务系统a n y s e e ”】。瓣予应矮层缀撵戆疆究爨经取褥了 一定的成浆，但是由于潮络的复杂性和动态毪，使得应用滕组播系统静流媒体分 发效果没有达到令人满意的程度，些关键问题还有待进一步的研究，搬要包括： i 应用朦组播系统巾，流媒体数据在到达客户端之前会巍一定的延迟。像在基 于拳孽缀播斡策略巾某些节纛( 如蹄子节患) 豹璇到漆熊逐可戆会缀大，所鞋 必须尽可能缩短树的高度。端剿端迟延对于实时流媒体系统是一个非常关键 的问题。 2 。窖声端在热入缀疆系统蘩，蓊簧一令定位鹃过程，繇焱我一令会逡熬蕴姜热 入或者选择一些性能较好的客户端作为数据源。因此客户端在获褥数据前需 要等待一定的时间。这个等待时间的长短难要取决于客户端加入时需要联系 兹其它客户端豹数量。对用户来诱，较大约热入迟霹怒不姥容忍豹。辑以， 在僳证加入的有效性下，尽w 能的访问少麓的客户蛹。醋前对这个阔题酶研 究述比较少。 3 应用层组播中的蒜户端往往慰不可预测的，在任何时间随意加入藏离开。如 栗这蹙客户臻承撵着自箕德鬻户藕提供数撵於任务，翳么它静离开霹铯导致 某然客户端的流媒体服务受到影响。为了尽量减少这种影响，必须增强应用 层组播策略在动态环境下的健壮性，而且策略必须具谢有效的检测机制和快 速熬像复薤力； 4 大部分应用层缀播策略采用一个结构化覆盖网络，难以充分利用节点的带 宽。比如在树拓扑中，只有内部节点承担复制和转发数据的任务，大部分边 缘繁点没有贡献经嚣资源，这与p 2 p 思想是耀违背熟。还有大部分策略中 低带宽节点没蠢 ! 孽到和霜 5 接受端可能需要保存一些覆薇网络的拓扑信息，周期性与其他节点交换信息 2 硕士学位论文 来维护和优化覆盖网络每个节点的控制开销必须尽量小，避免占用过多网 络资源而导致控制消息的拥塞。这对于策略在大规模组播环境下的可扩展性 是非常重要的。 本文对以上的内容都做了一定的研究，特别是现有组播策略考虑比较少的是 第二个问题和第四个问题。在本文设计的应用层组播策略( d s a l m ) 中充分考虑了 这两个问题。 1 3 本文的工作 应用层组播的性能指标包括传输延迟、带宽利用效率、负载分布性和健壮性 等，某个性能的提高有可能导致另一个性能的下降，通过分析典型的应用层组播 策略，发现它们都试图在这些性能之间做出一个较好的权衡。应用层组播最终必 须部署到实际应用中，因此实现复杂度也是必须考虑的问题。有的策略借助了复 杂的组播通讯协议进行了很好的权衡，但是难以真正实现。本文设计了一种基于 数据驱动的流媒体应用层组播策略( d s a l m ) 。d s a l m 以一种分布式、高效、可 扩展的方式把节点组织成一个非结构化覆盖网络，每个节点同时从多个节点中获 取数据。核心思想：源节点采用多描述编码把流媒体数据编码成t 个描述，节点 首先联系节点管理服务器，选择满足条件的m 个节点作为组成员，通过调度算法 从组成员中获取描述。节点周期性地检测组成员的存在性和性能，动态地维护组 成员关系和数据。调度算法是以数据为中心的，以接受者为执行主体，能在数据 传输迟延、带宽利用效率、数据转发负载分布、健壮性之间做出了较好的平衡。 本文在模拟环境下对d s a l m 和h m t p 进行了仿真，分析和比较了实验结果。主 要工作概括为以下几个方面： 1 1 熟悉各种流媒体发布技术，着重分析了i p 组播技术的存在问题和应用层组播 地特点；详细分析了几个有代表性的应用层组播策略，比较了它们的特点并 指出了它们的不足之处；同时对应用层组播的性能指标进行了总结。 2 ) 在前面工作的基础上，设计了一种基于数据驱动的应用层组播策略d s a l m ， 能有效支持高带宽流媒体的发布。策略的设计主要包括： - 提出了d s a l m 的设计思路，分析了d s a l m 覆盖网络的控制拓扑和数据拓 扑，根据设计思路，提出了d s a l m 的节点系统结构。 - 设计了一个结合中心化管理和p 2 p 组织两者特点的节点加入机制，使覆盖网 络以一种分布式、高效、可扩展的方式进行构建。从理论上对节点加入延迟 进行了分析。 _ 根据非结构化覆盖网络和多描述编码的特点，设计了一个以数据为中心，由 接受者执行的调度算法，试图在保证各方面性能的前提下，在数据传输迟延、 基。数据驱动的流媒体应用层组播策略研究 数据转发负载、带宽利用效率、健壮性和控制开销等方面做出了较好的权衡。 从理论上分析了调度算法的复杂度。 一根据d s a l m 的特点，设计了可扩展的控制消息格式，分析了节点关系和数 据维护策略。在控制消息的发送中，引入了基于g o s s i p 的可扩展成员节点管 理协议( s c a m p ) 。通过增加一些有效的措施来增强策略的健壮性，还分析了 数据的优化机制。 3 ) 熟悉网络拓扑产生器g t - i t m ，在模拟网络环境下对d s a l m 和h m t p 策略进 行了仿真。分析了d s a l m 在组成员个数不同情况下表现出来的性能；在带 宽利用效率、传输延迟、加入延迟、数据转发负载和健壮性等方面对这两个 策略进行了比较。 1 4 论文的组织结构 第一章是绪论。概要的介绍了课题来源、研究目的和意义、研究内容、本文 的工作和本文的论述结构。 第二章是背景知识和相关研究，介绍了流媒体技术，并详细描述了流媒体发 布技术，重点是分析i p 组播的存在问题和应用层组播的特点。 第三章详细地分析了典型应用层组播策略的实现方法和特点，总结了应用层 组播策略的性能评价指标，最后对典型策略的特点进行了比较。 第四章论述了基于数据驱动的流媒体应用层组播策略的实现思想和方法，并 具体给出了算法的形式化描述以及理论分析。 第五章描述了基于模拟环境的仿真实验设计，并分别实现了h m t p 和 d s a l m 的仿真程序，以图表的形式详细而直观显示了实验结果并对数据进行分 析，比较h m t p 和d s a l m 的各方面性能。 最后对本文的工作进行总结，并指出今后的研究内容。 4 第二章背景知识和相关研究 2 1 流媒体的介绍 流媒体( s t r e a m i n gm e d i a ) 是一种新兴的网络传输技术【1 6 1 ，在互联网上实时顺 序地传输和播放视，音频等多媒体内容的连续时基数据流，流媒体技术包括流媒体 数据采集、视音频编解码、存储、传输、播放等领域。流媒体是相对于传统的下 载一回放( d o w n l o a d - p l a y b a c k ) 方式而吉的一种媒体格式，它能从i n t e r n e t 上获 取音频和视频等连续的多媒体流，客户可以边接收边播放，使时延大大减少。 传统的多媒体传输方式是指在播放之前，用户下载多媒体文件至本地，通常这 类文件容量较大，依据目前的网络带宽条件，需要较长时间，并且对本地的存储容 量也有一定的要求，这就限制了p d a 等低存储容量设备的使用。基于流媒体的传 输则把多媒体信息通过服务器向用户实时地提供，采用这种方式时，用户不必等到 整个文件全部下载完毕，而只需经过几秒或几十秒的启动时延即可播放，之后客户 端边接收数据边播放。与下载方式相比，基于流媒体的传输具有显著的优点：一 方面大大地缩短了启动延时，同时也降低了对缓存容量的需求：另一方面，又可以 实现现场直播形式的实时数据传输，这是下载等方式无法实现的，同时有助于保 护多媒体数据的著作权。 近年来，随着宽带网络的发展，特别是宽带接入技术的发展，实时的高质量 流媒体传输应用已经成为可能。音频和视频编码技术的发展和i p 流媒体协议的标 准化也成为流媒体的广泛应用起到重要的促进作用。基于流媒体传输的应用得到 了越来越多的重视，流媒体应用将成为高速网络的主要应用之一。 2 2 流媒体发布技术 2 2 1c s 架构 c s 架构即客户机和服务器结构，一种以服务器为中心的体系架构。客户端 在获取流媒体数据前，向服务器发送请求，服务器如果有能力支持新的客户端加 入，就会接受请求。否则就拒绝客户端的请求。服务器接受请求后，客户端和服 务器建立连接，服务器从本地缓存中读取流媒体数据，通过i n t e m e t 把数据传输 给客户端。在这种架构中，服务器必须通过网络给所有客户端发送相同的流媒体 给客户端。在这种架构中，服务器必须通过网络给所有客户端发送相同的流媒体 基于数据驱动的流媒体应用层组播策略研究 数据，流媒体分发的负载全部集中在服务器上。随着客户端数量的增加，容易造 成服务器端的带宽瓶颈，限制了c l ，s 架构的扩展性所以，c s 架构无法适应大规 模的流媒体数据发布。c s 架构的简单模型如图2 1 所示，服务器的带宽瓶颈导 致其中两个客户端无法保证数据的q o s 。代理服务器架构是对c s 架构的简单扩 展，采用缓存技术把客户端频繁访问的数据存贮在代理服务器上。当客户端通过 本地代理服务器访问服务器时，如果发现代理服务器保存着需要访问的数据，就 不必访问源服务器了，从需要从本地代理服务器中获取数据。通过代理服务器架 构，能够减少源服务器的数据分发负载，降低数据的传输延迟。但是这种方式并 不适合实时的流媒体发布，也没有根本上解决c s 架构的瓶颈问题。 2 2 2 内容发布网络 内容发布网络【l 】( c d n ) 是一个建立并覆盖互联网之上的分布式网络，由分 布在各地的服务器组成一个虚拟网络，服务器将内容缓存在本地c a c h e 中。c d c 架构如图2 2 所示。内容发布网络通过网络的动态流量分配控制器，将请求数据 的用户自动导向有足够分发能力并且距离用户的服务器群上，从而能更快、更稳 地把内容传输到用户端，尽可能地避免服务器的带宽瓶颈和较少传输路径对于内 容迟延的影响。通过c d n 系统，用户的响应时间被大大缩短，改善了i n t c m e t 上 的服务质量，有效地提高网络资源地利用效率。虽然c d n 是一种有效地流媒体 发布技术，但是其部署成本非常高，限制了它的应用和推广。 图2 1c 8 架构的瓶颈 2 2 3i p 组播 图2 2c d n 架构 组播是区别于单播的一种数据传输模式。单播是一种一对一的数据传输模式， 而组播是一种一对多的数据传输模式，可以将一份数据同时发送到一组主机上。 8 0 年代早期，组播技术仅被局域网络所支持，其应用也局限在l a n 环境，比如 以太网和令牌网络。通过网桥和互联网络连接的扩充局域网不支持组播数据的传 6 矮譬经论文 输。从一开始组播地址就被设计为i p 地址簇中的单独的一个地址类别，但是仍没 有标准豹霞翊方法。在8 0 年代蓐赣，d e e r i n g 把缀疆鼓恭扩震到鏊予掇交羧豹互 联网的i p 阐络层中，才真正有了i p 组播技术【2 ，3 】。d e e r i n g 对于i p 组播的定义是： 将l p 数据俄发送到菸事提同l p 墟蛙鲍一令主极缀中，组魄成员个数可以为零个 或多个。i p 缀播功能由弼络层的路由器实现的，相比单播模式，i p 组播是一种实 现流媒体分发的有效投术，避免了数据的冗余并提高了网络带宽的利用效率。在 d e e r i n g 提爨l p 缝簧技术嚣，缀獾嚣予黼( m b o n e ) j 7 l 诞燕，标恚麓缰獾技术在 i n t e r n e t 上第一次广泛使用。m b o n e 由各个隧道组成，隧道的终端是痰现距离矢量 缝攘路由协议( d v m r p ) 1 8 1 熬工佟站。这些工佟站能够处理由单攘技术封装黪 组播数据包，把数攒包发到由路由协议计算的特定的输出接口。1 9 9 2 年3 月， m b o n e 进彳亍了第一次应用。在s a nd i e g o 举行的i e t f 会议通过m b o n e 网络把音 频流发送翻全球2 0 个蛞熹。 由于其内在缺陷d v m r p 是不可扩展的。因为它在构建组播树的时候采用“泛 淡和剪技”掇裁。农d v m r p 巾，每个爨由器周期性地发柱i g m p 请求查询缀成 员的状态。叶子路由器收到查询请求后，将发送一个剪枝消息表明它没有意按依 附的组成员带点。如果中间路由器在除与源路由器的接口外的其他所有接口收到 剪棱渚恚，宅将恕该游惠囱滚终壶器笈送。嚣魏，秀了支持缝撵，每令鼹赉嚣都 必须维护所有组播会话的状态信息，不镑路由器是否属于该组播会话。所以， d v m r p 也城称为密嶷型协议，即使在赘棱很少的情况下仍将导致淤息的密集型 传输。随着m b o n e 的扩展和本地模式缎播的出联，路由器畿接支持组播功能，密 集测组播路由的低效率问题越来越凸现了。从而出现了一种新的组播路由协议一 嚣筑鍪爱攒簸壹豁议( t h es p a r s em o d em u l t i e a s tr o u t i n gp r o t o c 0 1 ) 。p i m s m l l ”。是 被广泛实现的稀疏型协议。p i m s m 降低了d v m r p 某些方面的复杂度，但是它 却号l 入了许多其他阉鼹。这些阀题到匿藏还没考究分的解决。 虽然经过研究者多年的努力，i p 组播仍然存在着许多润题，阻碍了i p 缀播 的开发和组播应用的部署。最突出的闯题有组播地址分配模式的缺泛、访问控制 援锱耪域霾缀疆路由绥议数缺芝疆。1 1 2 娃。 首先是缺乏一个强活和可扩展的组播地址分配模式。地址分配模式对于任何 缎播应用的部署都是非常重要的，因为域址分配模式直接影响可爆缀播地址的分 配速度。但怒，在一个扁平组播地址空间( 每个l p 遣垃怒3 2 位，没有遗理和拓 扑意义) ，设计这种地址分配模式是相当复杂的。所以，大部分组播应用随机选择 一个组撵逮疆，蘩望它没有被缝溺。夔整缓蕹缀数蓦豹增燕，逮缓狰突豹羧攀遣 随之增加，绘组播应用增加了不必要的复杂度。 第二、由予缺少巍效的访阉控制枧镑，在i p 组播模型中，任何主机在没蠢加 入缀播组酌情况下，商一个组播遗址发送一些无用的消息发动攻壹，比如著名的 基于数据驱动的流媒体应用层组播策略研究 分布式拒绝服务攻击f 2 1 1 。直到有了i g m p v 3 23 1 ，组播接受者才有能力主动选择是 否接受数据。在i g m p v 3 中，增加了数据源端过滤器，允许接受端指定它们想要 侦听的源数据端。但是，i g m p v 3 没有在主机操作系统上广泛的实现，它是扩展 性也还是未知数。 最后，域间组播路由协议的实现是i p 组播技术能否广法部署的关键问题。域 间组播路由协议提供了自治系统之间的基本路由和聚合路由的方法，使得组播服 务提供者能够在不知底层网络的情况下进行透明地连接。路由聚合能有效减小了 路由表的规模，对于i n t e r n e t 的扩展是有必要的。但是，到目前为止提出的所有 域间组播路由协议的复杂度和效率都不能令人满意。 i p 组播的可靠性也是有待继续研究的问题。在组播模式中，数据包的传输可 靠性和单播中时一样的，都只提供b e s t - e f f o r t 服务，但是i p 组播路由器在为组播 提供可靠性传输、拥塞控制和流量控制等服务要比单播复杂的多。 2 2 4 应用层组播思想 基于单播的c s 架构并不适合大规模流媒体数据的分发，而i p 组播涉及到网 络基础设施的调整，加上技术上存在着很多固有的限制，目前还难以大规模的部 署和实施。近年来，p 2 p 覆盖网络的出现引发了对“i p 层是否是部署组播功能的 最佳位置”这一个问题的再思考。研究人员从应用层寻求解决方案，试图在应用 层建立组播机制。应用层组播【5 ，6 】通过组成员主机之间协作实现数据组播，所有的 组播功能，如组管理和报文复制，都实现于端主机。实施应用层组播不需要对现 存的网络基础设施做任何的调整，从而易于大规模的部署实施。应用层组播同时 也被称为覆盖网组播，其基本思想是在组成员节点之间构建一个位于应用层之上 的虚拟的覆盖网( o v e r l a yn e t w o r k s ) ，覆盖网中的所有节点以单播方式连接，网 络层的拓扑结构对于覆盖网是透明的，组成员节点互相协作实现高效、可靠的数 据传输服务。应用层组播与i p 组播的最大区别在于应用层组播将组播功能从网络 层上移到应用层，传输分组在端主机处进行复制和转发，而在传统的i p 组播中， 分组由网络中的路由器进行复制，路由器采用相应地策略算法构造数据转发路径 ( 通常是树结构) ，分组在树的分支节点处由路由器进行复制和转发。图2 3 说明 了应用层组播和i p 组播两者的区别，圆圈代表主机，方框代表路由器。 为了提高流媒体的q o s ，把p 2 p 技术和应用层组播策略应用到流媒体发布 中，每个流媒体用户也是一个覆盖网中的一个节点。用户可以根据它们的网络状 态和设备能力与一个或几个用户连接来共享数据，这种连接能减少服务器的负担 和提高每个用户的流媒体质量。 硕士学位论文 2 3 可扩展编码技术 图2 3 应用层组播与i p 组播的区别 2 3 1 可扩展分级编码技术 普通的编码技术只能把流媒体编码成单一的码流，而可扩展分级编码【2 4 】可以 把视频编码成很多层，分为一个基本层和一个或几个增强层。如图2 4 所示。在 图中，解码器a 只接受基本层的数据，解码获得基本图象。而编码器b 则接受所 有层的数据，解码获得高质量的图象。在一个带宽受限的网路中，可以只传送一 个低码率的数据流；对错误敏感的基本层信息可以比增强层有更高的传输优先级。 分级方式主要包括三种：空间分级、时间分级、和精细颗粒分级。 空间分级可以使视频对象组按空间分辨率的等级进行编码。基本层由包含每 个被编码的一帧图象组成，只对基本层解码可以获得低分辨率的视频图象，如果 结合了对增强层的解码，就可以获得高质量的视频图象。 _ _ _ _ _ 数据帧叫编码器 二- 基本质量 图象 高质量 图象 图2 4 可扩展分级编码总体框架 时间分级的基本层是对低帧率的数据进行编码，而增强层可以与基本层一起 提供比较高的帧率的数据流。 在精细粒度分级中，编码器把数据分割成基本层数据和高质量的增强层编码 9 熬于数据驱动的流媒体瘟薅袋缝撵策噻蘸究 数据，当指定了传输的比特率后，流媒体服务器把基本层数据和截断的增强层数 据传送出去，截断的镦置有给定的魄特率决定。增强层可以在编码翦或编码后任 意截繇，歇褥使院特流瓣大小褥到缀好静控制。因诧，精细粒度分级麓够在不震 重新编码的条件下，传送更高质量的解码数据，在流媒体威用领域，这种分级方 式能发挥较大的作用。 2 3 2 多描述编码技术 多描述编码( m u l t i p l ed e s c r i p t i o nc o d i n g ) 2 5 ，2 6 】的基本思想就是把一个码流编码 藏m 令浚。称茺箍逮，并显不露戆缓述之溺寂该存在羞稳笑整，其孛程舞一个摇 述都可以被用户接收并且可以在一定的失真的情况单独的解码。不同的描述也可 以叠加层失真更低的流。所以用户接收到的描述越多，重构的视频质量就越好。 m d c 壤璐与努层可扩黢性编码鹃簸大送别在予每个播述都疆疆单独鳃粥，露分级 编码中只荫基本层可以被独立的解褥，增强层需要依赖基零朦才髓解弼所以多重 描述编码比分级编码激加灵活。 典型m d c 的方法 2 6 】首先把数据流分成一热帧的o t ( o o f ) ，每个g o f 被单独的 编码，数撵流被蓊惫簸籍个包。节熹浚鬟往意瓣掰掰个攒述都霹数恢复这个 g o f 的r 。的比特数，踅构出来的码流的失真率是d ( r m ) ，其中0 = r o r 1 sr m ，d ( r d d 俾d 僻。所有的包具有同样的优先级，接受到的包 懿多少决定g o f 貔耋筏葳量。m d c 壤玛夔嚣标就是诱整霞# ，囊扣。，震掰霞建户戆平 均失真率最低，即二户( m ) d ( 如) ，其中p ( m ) 表示用户接受到m 个包受到m 个 的壤率，翔豳2 5 所示。g o f 鹃第删个包封装露m 个摆述，整个音频或搋频信号 就是把m 个描述解弼念成。 豳2