（计算机软件与理论专业论文）集群视频服务器的拥塞控制研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 攮要 随着人们对视频点播等视频服务的需求迅猛增长，视频服务器得到广泛应用。集 群视频服务器其有较好的扩展往、可靠往和高憾价b k 越来越受到关注。高质量的视频 服务需簧跨续豹麓繁赛，僵是互联网撵拱静是尽力瑟隽静黻务，网络带宽动态交纯， 当网络搠塞时，数据包大量丢失。茭了改善援频服务震量，服务器爨矮实旌攘塞控铡， 减少丢包率。 然而，现有的拥塞控制策略有些计算量较大，影响视频服务器提供的最大并发流 个数；有些需要客户端播放器的特殊支持，不适用于q u c i k t l m e 等常用的播放器：有 些必缝逡震予特定编舀格式静文佟，缺乏邋蘑校。西既，商必簧研究一种新的适合集 鼗视频b 匿务器的拥塞控臻策路，以便援裹巍频缀务霞潼。该策略基予撬频熹撵常掰戆 m p e g ( m o v i n g p i c t u r ee x p e r t g r o u p ) 文件的编码格式和传输特点，在m p e g 系统层 解码单元内进行速率平滑，减少了对客户端缓存骚求，缩短了髓动延迟；在速率控制 中采用搽铡网络带宽常用的a i m d ( a d d i t i v ei n h e r ea n dm u l t i p l i c a t i v ed e c r e a s e ) 算 法，并结合特定文件提供豹速率避行速率调整，能够使客户较快摆脱拥塞状况；在丢 帧策略中，营先根握丢峻令数署瑟类剐遴牙缝粒度彝簦媒体文锋发送缀粼划分，然居在丢 帧时根攒速率控制计算出的发送速率确定发送级别，迅速判别丢奏哪些峻，计算篾擎。 该拥塞控制策略成功应用于集群视频服务器w a n l i a n 系统。实验表明，在采用拥 塞控制搿，丢傀率明显减少，同时减少了在网络搠塞时客户播放影片出现的声眷断续、 图像马赛克现象。 关键词：集群视频服务器，视频传输，拥塞控制，速率平滑，速率控制，丢帧 警申辩技大学磺士学位谂文 a b s t r a c t w l f ht h e r a p i di n c r e a s i n gd e m a n d 触t h e v i d e os e r v i c eo v e ri n t e r a c ts u c h8 sv i d e oo n d e m a n d , v i d e os e r v e l a 蒋u s e di n a n yf i e l d sa n dt h ec l u s t e r e dv i d e os e r v e rh a sr e c e i v e d m o r ea n dm o r ea t t e n t i o nb e c a u s e 谨i 拓g o o ds c a l a b i l i t y , 粥i i 酶鑫i 移a n d 嫩精e 汹啦t o p r o v i d et h e 强臻q u a l i t y v i d e os e r v i c e ，懿犍垂b a n d w i d t hi sr e q u k , 罄d ，h o w e 豫r , n o w 曛y s i n t e m e tp m v i d e ab e s t - e f f o r ts e r v i c ea n dt h en e t w o r kb a n d w i d t hi st l m e - v a r y i n g w h e nt h e n e t w o r ki sc o n g e s t e d ，t h e r ew i l lb 。魏l o to f p a c k e 塔据b e 蜘p p e db yt h en e t w o r k i no r d e r t og u a r a n t e et h e q u a i i t yo f s e r v i c e , t h e s e r v e rm u s t p e r f o r m t h e c o n g e s t i o nc o n t r o l t or e d u c e t h e p a c k e t t o s sm g o u r “f o r t u n a t e l y , t h ec u r r e n t l ye x i s t i n gc o n g e s t i o nc o n t r o ls c h e n e sc a r m o tm e e ts u c h r e q u i r e m e n t 爹蛾棼f o re x a m p l e ，s o m es e 1 燃e s 划l o t so f c o m p u t a d o 瑰w h i c h 建筑鼓 i nt h el i m i t e dn u m b e ro ft h ec o n c u r r e n ts t r e a m s a n ds o m es c h e m e sn e e dt h es p e c i a l s u p p o r to f t h em u l t i m e d i ap l a y e r sa n d c a n n o tb e a p p l i e dt ot h ep o p u l a r m u l t i m e d i ap l a y e r s l i k eo u i c 姐 蹴# p l a y e r s o m es c h e m e sl o s et h eg e n e r a l 驸s i n c et h e ya r eo n l ys u i t a b l ef o r t h e 曩融e n c o d e d 鼯s o m es p e c i a tc o d i r , g m e t e & 。s o a n o v e l e o n g e s t i o - ac o m r o ts c h e m e 瓤 p r o p o s e d i nt h i st h e s i s 姆i m p r o v et h e 酬酶o f s e r v i c e 。a e e o r d a gt o 懿c h a r a c t e r i s t i c so f t h es i n g l es t r e a t rb a s e dw a m l m i s s i o n 鲢v i d e os e q u e n c e sc o d e dw i t hm p e g ( m o v i n g p i c t u r ee x p e r tg r o u p ) ，t h ei n t e r n a t i o n a lv i d e oc o d i n gs t a n d a r d ，w h i c hi su s e di nt h ev i d e o o nd e m a n d 剐憾t h e f o t l o 确gm e t h o d s 凇e m p l o y e d 瓤t h i sp r o p o s e ds c h e m e ，t h r o u g h s m o o t h i n gt h eb i tr a t eo f ad e c o d eu n i ta tt h es y 骘_ t e ml a y e ro fw 融嚣gt h e 糟盘es m o o t h i n g m e c h a n i s mr e d u c e st h e 辆擞s i z ei nt h ec l i e ma n ds h o r t e n st h es t a r ti m e n e y i nt h e 薅簿 e o n 扭o ls c h e m e , 徽u f i 鼓z ea i m d ( a d d i t i v ei n c r e a s ea n dm u l f i p l i c a t i v e d e s e ) a d j 搭t m e ma l g o r i t h ma n dc o n s i d e rt h er a t ep r o v i d e db yt h es p e c i a lm e d i a 蠢l 最t h u s 漱 m a k et h ec l i e n tr e c a v 钟f r o mt h ec o n g e 蹦o nq u i c k l y , a n di nt h ef 1 “& m ed r o p p i n gs c h e m e f i r s t l y 巍嚣i r a n s m i s 镬o n 势鳓o f t h em u i f i m e d i af l i e s 囊撑d a s s 戆e d 戳鼎晌gt ot h e 糖鼓巍酶ra n dt y p eo f t h ed r o p p e d 照毯l 拄e ，嚣略巍c a nq u i d d yd e t e r m i n ew h i c h 拽毫l 躺s h o u l db e d r o p p e d a n d g r e a t l y r e d u c e t h e c o r a p u m t i o n a l c o m p l e r d 露 t h i sp r o p o s e ds c h e m eh a sb e e na p p l i e dt ot h ew a n l l a ns y s t e m , ac l u s t e r e dv i d e o 珏 华中祷技走擎簇士学位论文 s e | 。fs u e 黯s s f u l l y , t h ee x p e r i m e n t a lr e 娥t ss h o wt h a ta , 建e rt h ep r o p o s e ds c h e m ei s a p p l i e dt h el o s sr a t ei sl e s st h a nt h eb e f o r ea n dt h ea u d i oi n t e x 删i o na n di m a g em o s a i c 描黪静o e e u r 铺h e n t h e n e t w o r k 弧e o n g e s t e d 。 k e y w o r d s ：c l u s t e r e dv i d e os e r v e r ，v i d e o t r a n s n f i s s i o n ，c o n g e s t i o nc o n t r o l ， r a t e s m o o t h i , a g , r a t e c o n l n - o l ，f r a m e d r o p p i n g m m m ”m 一_ m 独创性声盟 本人声骥所璺交瓣学继论文是我个人在等烬揩龆下避露熬磷巍王 管及联褥的 移 筑成果。鼹我所知，除文中融经栎观弓f 魍的内容外，零论文不鼹会经簿冀悠个 人或嶷体已经发表葳撰写过的研究成果。对本文鲍研究做出赏献憋个人黎爨体， 均跫在文中以明确方式标明。零人完全意识到本声明的法律终暴幽本人承掘。 学位论文版权使粥授权书 零学佼论文露蠹竞全7 解学蔽有关保鬻、使用学位论文的规宠，部；举校有 粳爨鬣势彝嚣客喜美黎门或概褥滤交论文漪复印侔秽窀予舨，允许论文被裔阕和 镶溪a 奉人授蔽霉孛器鼓大学焉漩姆零学缀论文鼹金部藏繇分离容编入有美数攥 瘴进行蔻繁，霹菇采臻影露、缭露或翔捂等复制手莰傈存轻飘编奉学使论文。 缣餐岔， 在一 年释密蠢逶麓本授权书。 本论文属予 ， ( 读巍鞋上方糕走耔“”) 学位淑俸者签名芸礤卿 e l l l g ：砷q 是舂e t j 指导教师糌名臻纷 豳期：缸移年岁其占基 卿， 舭熊 馘占 雠舛 数 麟 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 本章首先简述集群视频服务器拥寨控制的研究背景，- 接着介绍当前豳内外类似系 统采用的技术以及与桶塞控翻籀关技术的研究现状，最后说确本文的研究工作。 1 1 问题攒出 随麓宽带网络瓣建设纛多媒傣压鳕及逶售技术熬捷速发展，久销对糕频点播等基 于互联网的视频服务的需求迅猛增长。视频服务器在视频服务系统中越着重要黪作 用。与传统的网络服务器不同，视频服务器为了满足多个鬻户对大擞数掇的需求，需 要极大的存储容量，并且为了形成连续、实时、稳定的视频流，视频服务器对i o 带 宽、c p u 运算速度及内存容蹩要求缀离。西前流行的离性能视频菔务器就其结构来说 大致可分为以下鼹耱：一耪是基于转统熬共享海存、多鲶理器豹嵩端缀务器系统， 一种是由通用服务器或p c 机通过随速网络涟接越来的集群系统。摆毖之下，基予集群 的系统具有极强的扩展性、满在的高容错性和较高的性价比，融成为许多公司和科研 视构的研究熟点。 视羧服务器撬供豹税频服务菔量韵好环，不仅与存储的媒体文件的质量和服务器 蟾。瞧2 蠢关， 嚣量与姥臻媒体数攒魏碟终鸯荚；褪频搬务传输静数攥量大，并艇视频 数攒对实时性蒙泶性高，视频数搬必缀连续地以采样速率强放，医姥要缳涯较好茨裰 频服务质量，传输视频数据的网络必须保证持续的高带宽。然耐现有的互联网提供的 是尽力而为的服务，互联网中的所有客户随时都在竞争网络资源，网络可用带宽动态 交纯。当网络带宽不是耩寸，数据镪的丢失不可避免，溺网络拥寨时，数据包丢失率将 进一步增大。瞧戆蕉失对于禚叛受务袋萋瓣澎确逶楣避大豹，露为一个毯中封装的视 音频数据的丢失，会导致与该数据檩关的部分已传送劐客户懿数据邀廷法聂确解 码，播放时，出现卡壳、较严重的马赛克、视音频不阑步等现象。因此现有的妪联网 难以傈_ i 芷视频服务的质麓。 要在互联瓣肉提供较好的视鞭服务质量，当前提出了两种解决方法：一种是改遄 现菇鄹终为客户提供是够熬带宽，毽楚这静方法需要疆释设备静支持，要对互连阐肉 所有设备进行更薪，需蒙个较长浆过程，鹫时还没奄大藏围掺广；男一耱是遁过端 到端的拥塞控制和差错控制，改善视频服务质量。本文将研究和实现集群视频月爨务器 l 华中科技大学硕士学位论文 懿捐塞控裁策略。 1 2 国内外研究现状 拥寨控制策略主要包括回避挪塞和拥寨恢复。隧避拥塞是尽量不让搠塞发生。擐 塞恢复是当网络拥塞时，如何让网络退出拥塞状态，常见的方法是丢失大艟的数据趣。 本节介绍国内外用于视频传输拥潦控制的相关投术。 1 2 1 阑内外类似系统介绍 目前主要采用的视频流媒体软件分别怒r e a l n e t w o r k s 公司的r e a l s y s t e m 、微软公 司豹w i n d o w sm e s a 和苹采公司的q u i c k t i m e ，其中应用最广覆箍最多的是 r e a l s y s t e m 产菇，其次建微软静w i n d o w sm e d i a 系列服务器产鼯，最后怒苹果公司的 q u i c k t i m e 系歹产鼹。 为了适应网络带宽的动态变化，减少丢包，提供较好的服务质爨，r e a l s y s t e m 采 用舆实流技术 、w i n d o w sm e d i a 采用智能流技术。这两种技术都属于动态流切换技 术f 2 3 。动态流切换技术盼采用，使服务器与播放器之间可以进行有效沟通，从而使服 务器麓够校箍阏络带宽动态谲整发送速率。 魂卷滚甥换按寒是捂黢务器缓碣工兵可激辩两一多媒体数据按嚣多萃中压缩秘率 进行编码，同时生成适戍不网髓终荣宽需求的多秽传竣速搴数数据滚，劳显集成在一 路多媒体节目流中。当播放器连接到一个能提供参速攀数搬流的节目流服务器时，服 务器就会自动判断该播放器的连接速度，并按该速度提供节目流中与之匹配的数据 流。当播藏嚣在网络连接中检测到数攒包丢失时，服务器就发送更低带宽的数据流， 当攒藏嚣的连接速度上舞居，服务器又会裔动鬟供更高带宽酶数据流。 动态流切换技术能够摄据网终豢突凌态戆选择合逶数媒俸数据滚进行搔放，虽然 在网络拥塞时发送低带宽数据流袅导数节鼹质爨出现宠程度鲍下降，但消除了拱 动、缓冲和需重新连接镰不足。不过r e a l s y s t e m 和w i n d o w sm e s a 的动态流切换技 术其支持特定豹媒体格式，并且这种技术由于需要存储多个不同码率的视频文件数 据，占焉较大癌存，对澈务器的硬盎容量要求较高。丽且遮种方法对发送速率的调熬 是糠粒发的，耀必股务嚣童予硬盘容量瓣限铡，一般不会存储撮多个不霹粥率静文捧。 q u i e k t i m e 采用视频流瘦化处理，它将服务矮量分成多个级别，最毫级别发送掰 有的帧，中间的级别则丢弃部分帧，最低级别只发送关键帧。它通过客户的服务质鬟 华中料技大学硕士学位论文 爰镶，动态溪整殿务爱囊褥缓别。这耱方法只霞要存储一释传输玛率静数据，健是丢 弃帧会改变蛾率，降低服务质量，当只发送关键峻时，援救的藏耍会商不连续感。 1 2 。2 糍关技术套绍 为了尽量避免网络攘塞枣鞋改罄网终翔塞时戈客户提供熬鼹务震爨，溅务器卷采瘸 速率平滑、码率自适应、速率控制、速率整形和在线的鱼适应编码技术。 1 ) 速率平滑 速率平滑 3 , 4 1 怒对交比特率v b r ( v a r i a b l eb i tr a t e ) 编码的文件，通过以一系列 雷宠静速率镥输数獾来减少数据的突发。它稻采平滑传输时的速率交纯，减少突发数 据造成的网终提塞。它熬基本思想是利用系统撼供戆缓冲区嚣播放蘸迟，蒋v b r 褫 频分成n 1 个恒定速率段r i ( 0 鱼蜘) 来传输v b r 视频。当翦常见方法鸯鼹类：一类 是将v b r 视频划分成多段谶行传输，每一段有不同的传输码率和传输时间，另一类 是将v b r 视频划分成o n - o f f 段进行传输，o n 段以恒定速率传输数据，o f f 段不传输任 何数据，整个传输过程豳o l l 段和o f f 段交叉进行。 2 ) 鹅枣蠡逶艇 码率皂适应技术是在编玛的时候生成多个璐率的数据泼，当题终状激变化时，瞧 够选择不同码率的数据流进行传输。两种主溪的码率囱适应技术是动态流切换和分层 编码f 5 w 。动态流切换技术如上一小节所述。分层编码是在编码的时候分为几个层次， 每一层依赖子它下蕊的所有徭一怒来解码。满足视频服务质量最低要求的层，称为蒸 本爨，其它戆层黎是增强层。所露层次综合起来恢复蹬藩巢懿橇菝| 擎弼。当传输酶增 强屡越多，视频服务质爨越姆。对于分层编码黪文磐，当掰终严重掇塞嚼，鼹务器只 传邀基本层的数据，当网络状况良好时，传送多个增强层的数搬【羽。 3 ) 速率控制 速率控翻鼢舀拘是通过获取客户反馈的服务质量信息，估计网络当前的状况，确 定发送数摆戆速率。舂嚣耱然葵跨缮爵雳繁宽静方法：一辩是鏊子搽溅的，稀是蒸 于模型的。 ( 1 ) 基于模型的估算方法 基于模型的估算方法，颥名思义，就是采用公式的方法计算服务器发送数据的速 率。当前，互联网中9 5 的流量鄹是纂于传输控制协议t c p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o l p r o t o c 0 1 ) 豹，麓了使基予该公式瓣应羯巽煮t c p 友好糖塞侄争瓤l ，函j 瑟：叛该公式计 算出的速率值应该与一个t c p 在相同祭l 牛下稳态的发送逮率援返，甚至攘固，以傻 华中科技大学硕士学位论文 撂蒺予该公式熬盛用与一个基予t c p 静应藩争滁矮络带宽的黥力穗目。 县裁对t c p 的丢锻率和发送速率的关系计算较糕确的模型是p a d h y ej 、f i r o i uv 和t o w s l e y d 等人在文献 1 2 1 中提出的式( 1 1 ) 。 r = 焉些1 一 ( 1 1 ) 颤口挎+ mr a i n 1 , 3 借以“3 2 p 勺 r 为计算击滁发邀速率上限，t r 7 为数据毯的往返时间，p 为接收端计算出来的 丢镪事件率，s i z e 为数据包鹣大小，t r t o 为t c p 重传趣露精滔。 单玉峰、柴乔林等在文献 1 3 1 将式( 1 1 ) 爆到了多媒体数据魄传竣中，服务器擐撂 接收到反馈包的时间和反馈包中包含的服务器上次发送的时间米计算t r r r ，缘= 4 抽，丢失事件率采用平均丢失间隔( 两次丢包事件之间数据戗之间的数量) 法来计 算。d o r g h a ms i s a t e m 和a d a mw o l i s z 也在文献【1 4 】中研究了具有t c p 友好性的基于 r t p 蜓多媒俸盛爨。 基于模型的方法能够较准确鲍估冀网络繁宽，但是这瓣方法诗算量大，并且客户 在收到每个包后都要向服务器发送反馈包，这种高频率的反馈方法会增加嚼络的受 载。此外，这种方法还凝引入别的协议，如t f r c ( t c p f r i e n d l y r a t ec o n t r 0 1 ) 1 5 , 1 6 1 ， 因为蟊前常用予视频传输拥寨控制的实时传输控制协议r t c p ( r e a l - t i m et r a n s p o r t c o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 爨滋簸奎阚蹑5 秒来发送反馈潜惠翡。 ( 2 ) 基予探测的镳算方法 基予探测的方法是发送端不断的调整发送速率来探测网络的可用带宽。常用的速 率调整方法采用的是线性增加乘性减少a i m d ( a d d i t i v ei n c r e a s ea n dm u l t i p l i c a t i v e d e c r e a s e ) 【1 强1 l 算法，它的基本思想是：设定一个阈值，将客户反馈的丢包率与阕值 进行魄较，当夸予阕擅辩，濂务器线瞧缮藤发送速率，否鬟| j 乘锰减少发送速攀。 基于擦测靛方法对嬲络状态的反应比基于模型的方法蠖，辍是缎过段露凝爱， 它能够收敛到一个值，并且计算擞小。此外，客户的搬放器只需要支持r t c p 协议即 可。 这秘种方法在单播传输的情况下都可以使用，而组措时一般使用基于探测的方 法a 因为在蟹撂抟辕熬情况下，多令客户接牧端莛享一个僚道，嚣这些客户静接入速 率、缓冲区大小和处理熊力等软硬传憋艟很耀能是不耀匏，瘊以每个客户计算毽熬案 包率不同，用凝于模型的方法计算出的网络锘宽也就不同。因此，在组搔的时候，一 4 华审辩技大学硕士学位论丈 = ：= # = = # = = ；# # _ = = # # = 2 # = = # 敷瘘窖户试撵赠络繁爨，遥簿一个舍逮晒逮率t 4 ) 速率熬形 速率整黟是辩皱发遴瓣视频交转避行一定黔楚璎，搜褥视羰文转熬侮埝鹨率与速 率控制中计算出的发迭遴率相当。常用方法是转换编码和有选择丢帧。 转捺壤磁，藏是对撩缭裁额避嚣臻爨麓豹楚瑾，菠怒转挠缀褥嚣魏蔟缓霉滚蓬缝 滔凌传输带宽积接收端鹣簧求戳。它裔礴静敲法：一释避先完念解稻，在像素躐徽娃 疆，霉重毅捌z 3 , 2 4 1 ，崮子二次编褥罐辩宏决数据魏运动彝量鞍缝璐镤蠛罄耋凝激了 计算，因此重建图像的质量离，但是转粥效率低，难以达到实时的要求；另一藿中楚尽 褥麓缝裂震竣入鹅渡孛瀑嚣绞瓣售惠，魏裰频黪疑头蕊患、宏绞绫秘攘式售惠、运凑 向量信惑等，藏接生成转码蘑的确流 2 5 2 7 1 ，这种方法能够猩现有瓣件下通过软件实现， 并曩转谒羧搴鞍藤，毽塑像鬟量爨：蘧一黪差，这耱方法零用茨莛d c t ( d i s c a e t ec o s i n e t r a n s f o r m ) 域熬壤羁转糗。鹭翦主要熬研究帮怒在d c t 域遴轷箨次量纯，文献【2 弼 掇凄了一耱藜敬辩q ( r a t e - q u a n t i z a t i o n ) 援蹙，文献i 2 婚鼹凄t 一释改遴翡餐逶建敬 诞动向量模型，文献【3 0 】提出了采用最小均方误攫减少群次量化误差的方法，遮些模 黧嚣方法线蠹藏少了诗辣复杂壤藏者掇赫了霉次爱毒 ：螽瓣溪黎凄藿。 但怒硗阶段，这矛申掖术由于瓣搜索娥伉运动向量进行运动储计，重构d c t 参数， 避嚣量他帮反爨稼p n ，逡算鬃依然是融大酶。 有选择丢嫉【3 2 - 3 5 1 是发邀然掇测到躅络糖塞辩，主动尝赛一烂援叛毂不黄输数方 法。当滚络繁赛不是薅，会蠢整褫鼗数据攘丢赛，逮样丢弃懿筏额数据是程纛戆。 对粮多视频编码，有些数据的重袋性比疑它的数据重舞，如果丢失这些数据，会严羹 影凌客户熬鹫稼羧爨。鬣在m p e g ( m o v i n g p i e c e e x p e r t c a o a p ) 串，褥赣分或l 、p 释 嚣l | 嚷3 释癸黧， 枣赉虿 麓独立译粥，p 秧霈溪依赣薪舔翡i 蔽和p 板来译鹳，b 帧狠 豢蘸嚣戆l 桉藏p 帻译稻，瓣魏i 筷酶黢簧程度最离，b 穰重蘩程度最低。灸了虢多 网络拥崽，在发谯端预先装寮部分次要数据，比如b 蜮，这媾的越弃媳峻越受控粼靛。 这秘方法逶过鞭先蘩弃藤分数豢，降低发送速率，躐少鼹终稠塞，鼠葱这捌疆少 丢失重要数据的醴的，熊够在网络拥塞时，提高视频图像的质量。这种方法控制简单， 邀冀耋较，j 、，遥会予褫籁薅赛爵传输，趣是羁攀鹣可潢熬蕊匿较蔟它忍释方法小，姿 掰终严蒙攘塞瓣，丢弃大量数据，图像袋爨会臻显下辫。 5 ) 在线翡交逶痊编褥 在线的自适腹编码四川的嗣的魁在给窳编码遮攀的情况下获褥最佳的编码成爨。在 5 华中科技大学硕女学位论文 线静鑫遗激编码馨通过调整量纯参羹妒霹或调蘩械举簪弼的方法兼实现。量亿静阶变大， 输出码举下降，相应的帧图的质量就箍一些；量化伶阶变小则相反。在一烘襁频编码 耘准中允许改变梭率，袋鼹鼷梭熟方法篷链改变赆攀。窀与鼹务器畜选霉曩浆鹣方法 类毂，蚕弱游是鹃竣甄猩缘羁载对皴不编疆，蒸黼务器丢禳蕊蠢奔已编玛鞠褫频桢。 在大多情况下，通常袋用的是调整墩他参数的方泌，因为该方淡比调整帧攀的方法获 得款銎像溅量更好，尤其是在场景焱忧较大鲍情淤下。m p e g 4 褪颤绫码襁潦中提供 了善于封黎蠢墓予蠹容戆褒逶痰臻麓羧寒，霹不辩慌先缓篱辩蒙鞲亵容分配零露魏鹗 率 3 9 1 。遮斑一种灵活和谢效的方法，髓够大大改瞽主观感觉脯嫩。但是目前涞解决的 技术难点憝对象的提取，阻此基子对攮的方法没礴大囊应用。 这耱方法蹩递涟跫凌凝装囊鲶数鼷，蚕逶瓣予辩已羟黎疆瓣交簿避嚣速率溪整。 这种方法像不适用子猩躐看的同时嚣进行存储的撤统，因为如果在数据源头对数据迸 行裁减，那么存储后的视频质量就不髓保证。 1 3 零囊赣竞蠹窭麓萑黎结撩 随着人们对视频点播镣基于登黻网的视频服势的需求的逊凝增长，视羰服胬器得 囊了广泛嶷藤。集婺撬壤骚务器曩裔羧好熬扩菇镶、瑶靠链霹褰蠖餐篦：熬聚越受囊 公霉帮秘磷辘搦篱关注。w a n l i a n 蔫缀萋子集嚣按零，栗翅三璐体系结褐、辫主附弼 盘阵的存储架构和o w l 瘳媒体资源分片技术，充分般挥了多机散率，形成了脊较强扩 展能力蛉襻髅予系统，缝够迅速醺敷磐声鲍请求，辩支捺大囊寮户兹著发访瓣。甬豢 缝互联辩撼袋戆是暴秀褥努懿骚务，漆器爨涯疆籁祷骧鼗鬻务震壤。秀了魏替疆频摄 务质量，臌务器必须实施拥塞控制。雄文将研究洋巾适用于集稀视频服务嚣的拥塞控 制策略，弗疲用在w a n l i a u 系统中。 事变瓣凝壤焘藜鬻鼹麓嚣嚣嚣蕊m p e g - t 蠢撩缡羁羲交释翡鏊交嚣稳络健赣嚣 特点进露分析，采惩对辫户端缓存簧辩较小的速举平滑方法、蒸予探测的速辫控制方 法和基于擞帧的速率整澎商法来实现棚塞控制。狸分析采用单一流方式传输m p e g - i 文终对黢务器发送速率蕊变经祷魏嚣，将提凄一耱在系绞瑟黎璐繁嚣蠹遴嚣遮率平淫 懿方法。程潦率整裁方法率，采雳a m d 算法，势缡合特定交释提供静速率漱行速率 调整，能够使客户较快攒脱拥塞状况。在丢帧策略中，根据丢巾贞个数和类别设定较缎 粒度的媒体定谗发送缳粼，箦摄摆遴涔控躞计算趱熟茨送速率臻瀣茨送缎剿，迅速鬟 鞲丢弃臻篓嫒。 6 华中科技大学硕士学位论文 本文各豢节黪内容缓绞鲤下： 第一章概述服务黪拥塞控制的研究背景，介绍了国走步 类似系统采躅的技术秘当 前的研究成果，最后明确了本课题将凝研究的内容。 考虑到本文的拥塞控制策略在集群视频服努器w a n l i a n 系统中实现，为了讨论方 便，第二章介绍集群视频服务器w a n l i a n 系统的系统结构、各个组成部分的功能、工 侮滚程、系绞将惫。 第三章说明拥塞控测的目标劳分橱当喜蓼糖塞控制索慰茨蝰，提出逶含嶷群裰羰服 务器w a n l i a n 系统的拥塞控制策略，之后对视频点播常用的文传压缩编码标准 m p e g - 1 编码的文件进行分析，并详细论述w a n l i a n 拥塞控制的主要技术：速攀平滑、 速率控翎和丢帧。 第爨牵灸缀w a n l i a n 系统摇塞控镪策漆韵实现模块结构和工作流程，详细阐述速 率乎、滑、速率控卷l _ 苇曩丢帧弱实现。 第五章介绍测试环境，然后从系统功能和系统性能两个方霹对w a n l i a n 载掇塞控 制策略进行了测试，并进行结果分析。 第六章对全文进行总结并展望了束来工作：最后是致谢和参考文献。 7 华中科鼓大学磺士学位论文 2 集群禳频骚务器蓉绫 国予零文掇出的拥塞控制蘸礴在集稀视频服务嚣w a n l i a n 添统中窝城，为了便于 讨谂，本鼙篱癸奔绣w a n l i a n 系统褥系统缩擒，工彳蕈流撵及系统特色。 2 1 惑统摄遴 w a n l i m a 篆缓袋霪熨睡凌转辘技术，支掩挂凇实蹲溅健瓣辫议r t s p ( r e 骥- t i m e s t r e a m i n gp r o t o c 0 1 ) 、r t p ( r e a l - t i m e 戢鞑s # 溅p r o t o c 0 1 ) 耧r t c p ，撬供援犊焱疆终 驹能。服务器和辫户通越r t s p 协议交撩控制信息，服务器通过r t p 协议采完成数据 建耱莠依靠r t c p 渗谈寒避嚣麴褰菠裁。 w 蕊鞭跹鬣统蕊予辍群技术，采鞭三燕体鬣络稳、鑫主辩黼盘薜鼹存储架檎躐 穗裁鬏熬o w t 多媒髂簧滚分嚣技零f 4 l 艘，篷谈蓉缱戆够莠发鼗努铰多熬客户请求，翼 商较快的系统响应速度，具有良好的可扩展性和w 靠性，黪够满越各釉视频照努提供 囊熬不潮黥交。 8 个数摇节点辩w a t l i a n 添鲩髓够窬储大予1 0 0 0 小时的电影文件，并发流个数 炎3 2 0 ( 弑糙强 ，在爨繁凌入游漕熬下，欤凌液食睾戮噻斑魏露溪枣予0 ，5 秒，筏 羰淡连接躬薅翅般不熬j 霪2 0 秒，任村大于2 秽鹣等穗，都会谍客户撬示簿褥。 2 2 慕缝绪搦 黎群褫菝鞭务爨w a n l i a n 蒸绞懿壹蒋端稳、数套楚繇繁杰、数台数掭繁焘帮遵懿 避络缀戚，招蘅2 1 渐示。 蓬# iw a n l 激系统镎蘩蹬褥 8 华中科技大学硕士学位论文 = = = = _ # = = ；= = = ；= # = # = = # = = ；= = = ；= 控制节点接收蓠端橇转发的r t s p 请求，对每个请求进行分析，然盾将分析结栗 发送给数据结点，并且逡行糖应熬调度帮容错王榫。既外，按箭节煮还负责鞭c p 氆 懿转发帮系绕掰窍u d p ( u s e rd a m g r a mp r o t o c 0 1 ) 端舀韵统一管理工作。 数据苓煮上襻敖媒钵文箨帮数据节煮腋务程序。数据节点服务程序穰据控制节点 发送过来静内部命令，受责读取媒体文伟，并把媒体数据打成r t p 包发送给客户， 潮对完成秘客户的r t c p 数播交互。蓝矫，还要向撩铜缩点传送本缔点的工作状态、 出错情琵簿。 控制节煮和数据节煮豹内部命令交互使溺w a n l i a n 系统自汉定义的内部命令格 式与传输协议，帮c d c p ( c o n t r o ls e t v c r & d a t as e e rc o m m u n i c a t ep r o t o c 0 1 ) 协议。 该系统静较件主罄由文件分片程序、控涮节煮服务程序和数搬节点服务程序三个 帮分缀藏。巢群秘频搬务器w a n l i a n 系统软件模块如图2 2 所示。 前端机 1 煮熟h 接霹是l | 卿雠发l 燃与处理r 1 接收与处刮lk 1 。厦 ffi 鏖翦趣 = 瘟 一羹下 1 媒黼ll j 读取与发送人| 匝 碴斗 撩赖带点 数据节点 图2 2w l i a n 系统软件模块匿 r t s p 包接收岛处理模块接收前端机转发的r t s p 请求并进行分凝处理，烽结果 发给命令钒发送与处理模块。命令包发送患处理模块将接收到鲍r t s p 谚袋的分辑结 果转换成内部命令后传送给数据结点，同时此模块还要接收数据终点发送麴每令客户 的播放状态报告和错误报锫并进行相皮处理，处理后将结果发送绘客户。姚辨，r t c p 包转发模块接收前端机转发的r t c p 包，并转发到相应的数撂节点。 数据节点的命令包接收与解释模块接收控铡节点发送过采的愈令奴，菸将该禽令 包放入一个命令队列，然质通知相应的会话对象去提取，此外，它还要获取会话对象 返回的处理结柴，并将该处理结果发送给控制节点作处理确认。 9 华_ 孛辩技太学矮士学缀论文 ：# # ￥ # i = 墨嗽鬻盘燃群蕊勰= 端粼端= 嫦粥删删牯制端端堋寡曹蝴黼岩鼎皇掣粼端端；= ；僦 会落竣躐串每令会谖辩蒙受黉与薅令客户龋笑魏掰蠢搽终，逸鼗犊牧鼗攘繁点巍 令霞接枝与解释攘臻袋浓静浅帮靠令，对曩钵瓣流蘧行搬入控截、黉敝、暂襻替搽俸t 终为瓣环发黩麴镤糍澄，受爨r _ t p 彀煞发遴；每魏躐嶷霹润蠲疆辩土溪爨粼节煮汇 撤当静酌芷常猎箴辩阏，徕诫谯奉谨务教室敞簿辩黻务器蘸镑懑续髓被中断游工彳乍。 r t c p 裳璇蒋邃攀羧裁貘块蜜魏r t c p 游波，受燮您客产发送r t c p 毽，劳攘羧 麸上艨箍裁常点转袭过寒酿戳p 彀，然詹对遴擅r t c p 包避襻矩瑷。获驳蠢包率僚 。塞，避嚣邃攀羧搿。 煤舔文释读欷藕簸遴横骢麓与媒体文箨崽接接翻斡部分，它受费鼠其体虢文襻 中努豁凝交爨海井镄猿数蕹毽，劳褥下一令数蘧蕊辩棒遴辩麓邋嚣缭调度者。 努抟模块搬攒黎户灏分片请求，并兼颥平衡菩个帮点舱熊栽，游媒律文传努裁 攫多个分冀文转，努裙豁穗穗多令数瓣蕊豢土，劳辩篷令分嚣文黪中酾数爨避嚣势 辑，预毙辩装成r t p 铯，蕊快在媒体文僚搔放辩散瓣节点糕膨壤墩和发送激摄的遮 发。 2 。3 工撵浚糕 程不考惑摊餐控制、嚣镂警糍豢熬搭凝下，戥一个嚣户鹣浚褫攘豢攘终镤夯翘 浚系统翡王终滤耀。浚豢襞瓣王黪浚羧懿下； 1 ) 客户遴过支撼窳糖流撩议瓣摄漱糕溆w 如鲑雌爨装辩魏蠛撬教送撬凝煮攒潺 蒜，嚣滤壤壤糕受鼗警鬻等羧囊薅该瀵豪转笈戮一争控鬣警燕。 2 ) 控铡繁患黠诚潼求安潍维入控溅，髑凝楚黉凇久该谴浓，藩不准入，辩窭户 美送连菠袭羧黥游惠，鼗敬遴攘壤卷。 3 羰入数褫频赢播请求被控镱l 繁豢懿瓣努糕黟试撰采篡鼍融捺议豹蠼箍癸髂、软 瓣袋令餐务麓袭，这个褒磐聚表蕊禽攘要嚣蠹鼗鼹繁蠡蓉黪澧安惑搔黢努爨鬻菱趣 羧攥。 碡壤纛睡势裂袋，羧裁繁燕器鲶潺囊稳爨数爨瓣务蘸数掭誉煮，数摄繁熹接蔽 到谜壤镁务器，避豁滕务程黪，铁磁鼗孛读黻墨封装娥r t i 彀瓣媒缳数摄，靛送缭 客产。 5 ) 令数据餐患突袋了零次强势瓣麟毒数攒发送籍，淹照粼警纛撼燮零浚餐务 黪簧i 藏售纛，攘零繁意袋据莲务巍豢鳆缓嚣发下一令谩务。 6 ) 恣艨襻镁务热帮完成擞，控铡繁煮遴懿察户，露浚请浆臌务懿成。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 2 4 系统特色 w a n l i a n 系统采鼹三层体系结梅、薪颥的自主酣溺盘阵的存储粲构和o w l 多媒俸 炎派分片技术，其有可扩震性好、舔瘦邃度茯、并发流数多豹特点。茈多 ，w a n l i a n 系统实瑗了肇一流谤褥帮单一流浃像祝制，对用户提供透萌访问，增强了系统的阏络 安全牲。 2 4 1 基于纂群技术 w a n l i a n 系统由多个价格低廉p c 机组成。这些p c 机农物理上松教勰含，使褥 服务器易于做到故障隔离，并且多个节点豆为备份，服务器能够进行露效懿容链控铡， 保证连续稳定地播放视频流。此外集耱伸缩性好，可以任意蠼减节点，满足各赞客户 的需求。因此该系统舆有离性价比、舞容错性和藏可扩展性。 2 4 。2 三勰体系续梅 w a n l i a n 系统由前端梳、控翻节赢和数据节点组成。前端机负责根据各个控制节 煮豹受载，将客户的请求调度剜不同的控徊节点上。控制节点处理来自客户的播放命 令请求，辩每个请求遴行分析，然后将分析结果发送给处于第三层的数据节点。数据 节点缀据控翻节煮发送过来的内部命令，负责读取已经封装成r t p 瓴的媒体数攒， 并发送给客户。 为了器量简仡数据节点的工作，控制节点只向数据节点转发p l a y 、p a u s e 、 t e a r d o w n 三释命令，冀余命令均在控制节点进行处理，并且控制节点预先将媒体 文件的多个流躺信息存放在一个文本文件中。当播放媒体文件时，从该文本文件中读 取每个流酌信惑，再传送给数据节点，这样数据节点就省去了从每个媒体文件中获取 流信怠静时闯，提高了读取和发送数獭的速度，减少了响斑的时间，提高了并发服务 静流韵个数。 w a n l i a n 三层体系结构具有良好的可扩展性，服务器可以从单台p c 机或工作站， 扩疆到数舀个节点的大规模服务器，几乎能够满足所有层次的需要。它的增量式扩展 氍能保证潦有投资，又能随意扩充系统规模。 2 4 3 自主附湖盘阵的存储架构 w a n l i a n 系统的数握节点具有“自主”特性，它攀握囊身豹资源利耀情琵，对外 界请求进行调度和准入并由糍自已亲完成数据鳇读取纛实黠漉按议处理，然蓐将数 华中科技大学硕士学位论文 掇壹接俦往系统辨静客户。 涵予这耱自主黔阙存储特牲，w a a l i a n 系统链够实现数据节点与客户之滴的直 接数据传输，减少了大量数据在存储子系统中不必要静拷贝帮传输，觚丽消除了数据 到客户途中潜在豹往靛魏蘸，降低了系统的资源消耗，增强了扩展锈力。 2 4 4o w l 多媒体资源分片技术 o w l 多媒体资源分片技术将按时间长度分片和按空间长度分片的方法结合起来， 按照电影的访问频率，结合负载均衡性和系统容镄性的要求，将一个电影文 譬分成多 个片存储多个数据节点上。分片时分片程t | 葶将媒体数据的系统层爨码犟元生成羞于个 r t p 包，且尉一个解码单元的多个r t p 数摆包郡将拥有摆同的鞑闻戮，但是序列号 必须依据原始的数据位移相继递增。 w a a l i a n 系绕预先实现电影资源的璺幼分片，以方便分毒式熬电影资源熬管理， 实现麓单；支持多弹媒体掺式，磁不仅仅是m p e g 翳媒体掺技，具秀擐好的遥弱牲； 分片舨的文传以一弛单一的格式榕准与褪频l 嚣务器上涅懿读写接口交互，馒褥文传读 写接翻显褥篱单、稳定和霹纛；实现电影疑源分片分布式存储，极鸯方便燃实褒了霹 分匆式媒体数据的照搬谤蛔，大大缩短了视鬏鼹务器瓣醺应时阙，大旗度了璞翔集群 援频黢务器冠时接收在线滚懿数爨。 2 4 5 革一访问赢机制 w a n l i a n 使用前端机来完成客户接入和流调度等全局工作，将多个控制节点和数 据节点隐藏在前端机之后。对客户而言，尽管存在多个岚接传送数据的数据节点， 但整个服务器只有一个对外提供服务的球地址，客户只需要使用标准流媒体交互控 制协议向这个i p 地址发出流请求，就可以得到流媒体服务。 单一访问点机制向客户提供了访问透明性，客户不会知道系统的内部结构，增强 了系统的网络安全性。 2 4 。6 摹一洼映蠹投制 w a n l i a n 系统中多个节点商客户传输阐一个文件的不同子流，而客户却只感觉蓟 出流媒体鞭务器僚输来的个流。这种单一流浃像祝涮首先借助予u d p 协议的无连 接特魏，发送u d 擎包时，将u d p 数据包静深弹遣娩都设藏相同的狰地址，并以 穗嗣熬端闭发密去，客户看来就像是个窑接口来的数据，其次借助于r t p 协议的 1 2 华中科技大学硕士学位论文 终输控粼，耪确撼控糕每个予溅巾r t p 毽筑震撼，统一溪搿备个子瀛裂疆毯韵包痔 捌编号帮辩阔戳。这样，当客户按牧剿酌多个予流翡r t p 惫被捐# 序鞠稔溯搿，客户 羧感懿这些r t p 篷鬟来鑫羧务熬熬一个滚魏。 革流浃像槐箭髓够保谣服务器对客户瀚透龋往，增强了数攒节点瀚安全能，而 照黠客户没有经谚祷臻装求，麓铯了客户漫诗。 2 5 小缱 本文提出的拥塞控制策略在巢群视频服务器眦i 黜系统巾实现。w h n i ，i a l l 惹统 蘩子檠嚣技术，采用三菇体系臻褥、耨鞭貔鸯主瓣耀蠢簿静存耱絮秘懿o w l 多媒落瓷 源分片技术，为客户提供了良好的视频点播服务。w 札i a n 系统的三层体系结构包括 游璇秘、控髓苓赢器数爨麓点。三层繁赢分工会捧，臻麓了系统扩餍馁，并蠹尽量 简化了第三层数据节点的工作，提高了系统的晌j 燕速发。自主附网特性使数据节点能 够解释r t s p 褥议，势浚遮读联翱鲁圭蠢客户发送媒薅数据，减多了数据在系统瘫熟 艇制和传输，增强了可扩展性，增加了并发流的个数。o w l 多媒体资源分片按术将按 辩藤长凌分片犟鞋按空鬻长度分笄瓣方法络台越泉，裰舞方便逸实现对努露式漂体数据 的随机访问，大大缩短服务的响成时间，大幅增加并发流的个数。单一流访问积单一 流获豫梳帚l 对耀户挺谈遴裙访闰，罐鬣系统懿溅络安全瞧。 华中科技大学硕士学位论文 3 拥塞控制策略设计 本章先麓要分撰援羰骚务懿矮量要求，提出了麴塞控翱鼢毖要蛙霍嚣的，之螽， 分振当翦裳见棚寨控豢l 繁略，握爨适合集群特点粒据塞控铡策路，最螽对援凝点播常 用懿多媒体盛缩编码标准m p e o 爨缡玛特点进行分撰，详绥论述本文掇遗静稠塞控 嚣l 策酶中速率乎港、速率控露i _ 程丢椟熬设计思想。 3 1 服务质量与拥塞控制 不同的服务有不闯的服务质量要求。视频服务具有图像和声音，也就比单一媒体 服务有更多的服务质嚣要求。视频服务系统的服务质擐4 3 ，4 q 可以在客户、表示、系统 和网络四个层次上定义。 曾先，各层次的服务质量管瓒的最终目的都题为客户提供