（计算机软件与理论专业论文）基于数据广播的文件推送服务研究.pdf

浙江大学硕上学位论文 y8 2 8 1 3 1 摘要 网络时代的出现和发展使越来越多的入融入到信息社会中来，各种信息的获 取、知识的学习以及娱乐节目的收看等媒体信息越来越被更多的人所希望，然而 多媒体服务信息量逐渐庞大，超出单纯信息交互的要求，因此迫切需要新的网络 服务模型来解决这样的矛盾。本文所研究的基于数据广播的媒体服务平台和文件 推送服务就是从满足大量用户对媒体服务的要求出发的，而如何实现众多接收用 户对信息推送的有效接收，如何更好地根据用户的实际需求和使用现状来实旎媒 体的广播推送服务等问题是这类服务所需解决的关键问题，也是本文所要分析的 重点。 本文就基于数据广播的文件推送服务的平台结构和推送方法策略方面进行 了较为深入的研究，主要包括以下几个方面： 1 分析了目前国内外较为典型的基于数据广播的服务平台架构，在对比过 程中，提出了将c a t v 网络与i n t e m e t 网络相结合开展媒体服务的优势。 2 系统化地分析了基于数据广播的文件推送服务类型，介绍了目前国内外 常用的相关技术，并分析了该服务所需解决的关键问题。 3 研究了主动方式的文件推送模式，提出了基于时间段高热性和文件热门 性统计的自动推送计划编排策略；研究了请求方式的文件推送模式，提 出了基于时间补偿和带宽补偿的按需推送策略。 最后本文所研究的文件推送策略已经在浙江省农村党员干部现代远程教育 系统中得到了充分的利用和实现，并已经在浙江省内建立了上千个接收站点，有 效地实现了对教育课件的摊送和接收，受到了专家和用户的高度评价。 偿 关键词：数据广播，文件推送，主动推送，请求推送，时间补偿，带宽补 浙江大学硕1 学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ea p p e a r a n c ea n dd e v e l o p m e n to fc y b e r t i m e s ，m o r ea n dm o r ep e r s o n s i n c o r p o r a t et ot h ei n f o r m a t i o n i n t e n s i v es o c i e t ya n dn e e dm e d i a si n f o r m a t i o ns u c ha s t h eo b t a i n i n go fi n f o r m a t i o n 、k n o w l e d g ea n de n t e r t a i n m e n tp r o g r a m s b u tt h ea m o u n t o ft h em u l t i m e d i a - s e r v i c eb e c o m e st o oh u g e rt ob em a n a g e r e db ym e s s a g e c h a n g e o n l y , s oan e wn e t w o r ks e r v i c em o d e li sn e e d e dt os o l v es u c hac o n t r a d i c t i o nu r g e n t l y w h a tt h es t u d yo ft h i st e x ti st h a tt h em e d i as e r v i c ep l a t f o r mo nt h eb a s eo fd a t a b r o a d c a s ta n dt h es e r v i c eo fp u s h i n ga w a yf i l e s ，m e e t i n gal a r g en u m b e ro fu s e r s d e m a n df o rm e d i as e r v i c e a n dt h ep r o b l e m ss u c ha sh o wi m p l e m e n ti tt h a tag r e a t l o to fu s e r sr e c e i v et h ei n f o r m a t i o np u s h e da w a ye f f e c t i v e l ya n dh o wa c c o r d i n gt o a c t u a ld e m a n da n dc m t e n ts i t u a t i o nt h em e d i ai sp u s h e da w a yb yb r o a d c a s t i n gb e t t e r , i st h ek e yp r o b l e m so ft h i ss e r v i c ew h i c hi sn e e d e dt os o l v ea n da l s oi st h ef o c a lp o i m t h a tt h i st e x ts h o u l da n a l y z e t h i sp a p e ri n v e s t a g e st h ep l a t f o r ma r c h i t e c t u r ef o rt h ed a t a - b r o a d c a s t i n gb a s e d f i l ed e l i v e r ys e r v i c ea n dt h ed e l i v e r ys t r a g e r y t h ef o l l o w i n ga s p e c t sa r ei n c l u d e d 1 a na n a l y s i so ft h et y p i c a ld o m e s t i ca n df o r e i g nd a t a b r o a d c a s t i n gb a s e df i l e d e l i v e r ys e r v i c ep l a t f o r ma r c h i t e c t u r e si sm a d e i nt h ep r o c e s so fc o m p a r a t i o n ，t h e a u t h o rg i v e st h ea d v a n t a g eo fm e d i as e r v i c eb a s e dc o m b i n i n gt h ec a t vn e t w o r ka n d t h ei n t e r n e t 2 d i f f e r e n tc a t e g o r i e so fd a t a - b r o a d c a s t i n gb a s e df i l ed e l i v e r ys e r v i c e sa r e a n a l y z e di nas y s t e m a t i cw a y t h er e l a t e d t e c h i n i q u e sw i d e l yu s e dh o m ea n d o v e r s e aa r ea l s oi n t r o d u c e d b e s i d e s ，t h ea u t h o rp o i n t so u tt h ec r i t i c a lp r o b l e m st ob e s o l v e df o rt h ed a t a b r o a d c a s t i n gb a s e df i l ed e l i v e r ys e r v i c e 3 t h ea u t h o rs t u d i e st h ea c t i v ef i l ed e l i v e r ym o d ea n dp r o p o s e st h ea u t o m a t i c s c h e d u l i n gs t r a t e g yw h i c hr e l i e s o nt h et i m es e c tl o a da n dt h es t a t i s t i co ft h ef i l e p o p u l a r i t y f u r t h e r m o r e ，t h ea u t h o re x p l o r e s t h eo n d e m a n dm o d ea n dg i v e st h e o n d e m a n ds t r a t e g yb a s e do nt i m ec o m p e n s a t i o na n db a n dw i d t hc o m p e n s a t i o n t h ef i l ed e l i v e r ys t r a t e g y sp r o p o s e di nt h i sp a p e rh a v eb e e na p p l i e di nt h em o d e m r e m o t ee d u c a t i o ns y s t e mf o rr u r a lc a d r e si nz h e j i a n gp r o v i n c e t h o u s a n d so fr e c e i v e r s i t e sh a v e b e e ns e tu pi nz h e j i a n gp r o v i n c ew h i c hi m p l e m e n tt h ec o u r s e w a r e d e l i v e r yt a s k se f f e c t i v e l y t h es y s t e mh a sg o tah i g ha p p r e c i a t i o nf r o mt h ee x p e r t sa s w e l la st h eu s e r s k e y w o r d s ：d a t a b r o a d c a s t i n g ，f i l ed e l i v e r y , a c t i v ep u s hm o d e ，o u - d e m a n d p u s hm o d e ，t i m ec o m p e n s a t i o ns t r a g e r y ，b a n d w i d ec o m p e n s a t i o ns t r a g e r y 2 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 随着我国经济社会事业日益快速发展，人们在享受富足的物质生活的同时也 f j 益注重精神文化生活的品质。形式多样、内容丰富的文化娱乐、教育培训等方 式已经被人们所重视。与此同时，宽带网络技术不断向前发展并日益成熟，给人 们带来了前所未有新的生活、学习方式，并正逐步为人们所接收。人们通过各种 宽带网络服务，享受各种娱乐节目和学习各种知识，极大的丰富了精神生活内容， 提高了精神生活品质。 信息时代的到来使得公众对各种数据业务，包括各种公众信息、远程教育内 容、金融商务信息、数据分发、视频点播等各种多媒体数据服务内容的需求不仅 是现实的而且有些还是相当迫切的。如何满足广大用户对大容量多媒体数据的需 求，是一个很迫切的问题。同时，现有大量的多媒体信息、数据信息、视频节目 要发送到广大的用户，这些都对数据广播业务提出了巨大需求。举个简单的例子： 假如我们现在需要将实时股票行情信息传递给很多的观众，如果我们使用点对点 的通讯协议，我们就不得不为每个观众建立一个专门的连接，这样的代价将是很 高的而效率却是很低的。但是如果我们将这些数据通过一条带宽受控的信道以广 播的方式发送出去，并且使得只有被授权的用户才能够接收到，就可使得所有的 数据只发送一次，而且可以控制接收者却不限制接收的人数，这将省去为每个接 收者建立专门的连接，无论在效率上还是经济效益上都是极明显的。 大量的数据信息、文件信息、视频信息可以通过数据广播的方式发送到用户， 但是现在的i p 网络并不能有效的支持广播方式发送，由于其本身网络的复杂性 和不确定性，使得对数据广播难以很好地控制其可靠性和确定性。对于服务提供 商来说，服务器不断增多，现有的i p 网络的带宽远不能满足向距离遥远( 网络 距离) 的内容服务器或者最终用户提供内容分发服务。同样对于最终用户而言， i p 网络的带宽限制使得他们对于网络大体积数据资源的下载受到限制，例如因 为接入数量限制而无法访问( 常见的f t p 下载或者w e b 服务器限制访问人数) 或者由于同时访问者增多导致服务质量下降。虽然i p 数据多播( m u l t i c a s t ) 的 提出降低了内容分发服务对带宽和服务器的要求，但多播应用在现有的i p 网上 还不能广泛的开展，由于种种原因，很多广域网路由器都关闭了多播路由功能。 因此就需要一种新的方式来支持数据广播。 然而目前我国庞大的有线电视网络是一种非常适合数据广播服务的网络，其 浙江大学硕 j 学位论文 网络的发散性特点和“以点到面”网络模型，充分满足了数据广播的特性。充分 利用这一巨大的资源，满足公众对广播数据服务的需求，具有重大的社会和经济 价值。而且目前随着i po v e l d v b 即利用d v b 网络传输l p 网络数据的技术的成 熟，使得利用该网络成为非常现实的可能。对于运营商来说，d v b 网络具有空 闲的带宽资源和非常独特的网络优势，广电的光纤同轴混合网( h f c ) 以其主干 网为高容量光纤网，到用户端为同轴电缆，频率资源丰富，用户量大，覆盖面广。 这种网络，首先特别适用广播型业务。因此，c a t v 网络是天然的内容分发和 m p e g 2 传输网络。它覆盖范围广，并且是天生的多播或广播网络，到达终端用 户的带宽高而且不会因为用户数增多而降低带宽。同时，m p e ( m u l t i p r o t o c o l e n c a p s u l a t i o n ) 技术解决了d v b 网络上传输i p 数据报文的关键问题。( i p 数据 报文插入在m p e g 2 帧中向客户端发送，客户端通过特定的硬件设备还原为i p 数据报文) ，加上丰富的带宽资源和q o s 质量保证，在c a t v 上开展基于广播或 组播式的文件推送服务系统显得尤为可行。 1 。2 研究的目的和意义 在迫切需要一种新的模型来改变网络的多媒体服务的大前提下，又随着有效 支持数据广播的c a t v 网络利用和i po v e rd v b 等技术的成熟，使得在数据广播 模式下的媒体服务形式的研究显得非常迫切。 目前存在不少基于数据广播的视频媒体服务，比如：视频广播、在线视频等 服务，而且很多视频节目的点播也逐渐转向与广播形式靠拢，以发挥充分利用网 络资源和提高服务吞吐量。 但是基于数据广播的文件类推送服务较少，很多仍然采用单用户独立下载的 方式进行文件下载服务。尽管目前基于p 2 p 技术的文件传输与共享在一定程度 上解决了下载的困难，但是却增加了不少网络的负荷。 而基于数据广播的文件推送模式，特别是应用于类似有线电视网络的情况 下，能够显示出其巨大优势，比如不受用户数的限制、传输带宽稳定可靠等。 但是，数据广播本身也存在着一定的缺陷，比如盲目性是一个最大的缺陷， 即数据广播端并不知道其听众是否存在或存在多少，从而会导致很多无用功。因 此，基于数据广播的文件推送策略研究就是能够尽量减少这种盲目性，使得广播 的效率最高。 总之，我们在基于数据广播的文件推送策略方面研究的目的和意义在于： 1 分析文件推送适宜的网络环境，为该类服务的应用找到合适的场所。 2 分析文件推送服务的类型，为该类服务的实际开展提供参考。 3 分析文件推送服务的策略，尽量减少盲目性，提高服务的效率。 6 浙江大学硕士学位论文 1 3 论文的组织结构 围绕着本研究所希望达到的目的和意义，为基于数据广播网络( 如c a t v ) 的文件推送服务的实际运行和实施提供理论基础，本文对服务的应用模型和推送 策略等接收作了深入的研究、设计和实现。文章剩余部分的结构安排如下： 第二章首先介绍了基于数据广播的文件推送服务平台的现状，然后阐述我 们所设计的服务平台的结构，以及在c a t v 网络上开展的有利之处。 第三章阐述了面向数据广播的文件推送服务的技术现状，并分析了主动方 式和按需方式文件推送的策略和实现方法。 第四章描述了本文所提出的结构模型和策略在实际项目中的运行情况。 第五章对当前的工作进行总结，并对以后的研究方向和问题进行了总结。 7 浙江大学硕士学位沧文 第二章文件推送服务平台研究 2 1 基于数据广播的技术现状和服务应用系统 2 1 1 数据广播技术 数据广播是继音频和视频广播之后融合音频、视频以及数据为一体韵第三代 广播方式。数据广播有效的利用数据电视的有关标准，使用基于d v b 的m p e g - 2 传输标准，提供数据发送。通过数据广播，可以向用户提供高速的信息访问方式 解决访问i n t e r n e t 网络慢，不能有效提供广播业务的要求。 1 数据广播标准 鉴于数据广播的重要性，欧洲的d v b 、美国的a t s c 以及日本的i s d b ( 综 合业务数字广播) 在这一领域展开了激烈的争夺，其中d v r 标准在1 9 9 9 年6 月正式成为欧洲标准时交互业务标准就是欧洲电信的标准( e t s ) 。a t s c 的数据 广播标准则由t 3 技术组的s 1 3 专家组负责。 无论是d v b 还是a t s c 或者其他的数字电视广播标准，都是基于m p e g 一2 的传送流机制，而标准只是定义了如何在各种不同的传输媒质上进行t s 包传送。 根据i s o i e c l 3 8 1 81 协议，所有数据被分割成1 8 8 字节大小的定长分组数据包， 这些包在数字电视广播中用来传送数字视音频以及相关的信息。实际上，这种定 长的数据包叫以用来传送各种信息。数据广播标准就是规定了用t s 流柬传送面 向多种应用的数据的方法。 除了t s 流以外，i s o 1 e c1 3 8 1 8 - - 6 数字存储媒体的命令和控$ | ( o s m - - c c ) 是数据广播的另一基础。所谓d s m - - c c 是一种特殊的协议，用于提供在数字存 储媒体上管理m p e g 码流所需的基本控制函数和操作。此协议位于操作系统层 之上、应用层之下，独立于所管理的数字存储媒体、所关联的网络协议以及所在 酌操作系统，也和数字存储媒体是本地的还是远程的无关。d s m - - c c 是一个庞 大的规范，数据广播标准只是其应用的一个领域。 d v b 系列数据广播协议标准包括t1 0 12 0 2 d v b 数据广播规范执行指南 和e n3 0 11 9 2 d v b 数据广播的规范。而a t s c 的数据广播标准则是2 0 0 0 年7 月发布的a 9 0 a r s c 数据| 播标准，两者从原理上来讲很接近。 2 数据广播的基本原理 数据广播可以分成四种类型，这四种类型分别针对不同的应用a 数据广播可以分成四种类型，这四种娄型分别针对不同的应用。 浙江大学硕士学位论文 第二章文件推送服务平台研究 2 1 基于数据广播的技术现状和服务应用系统 2 1 1 数据广播技术 数据广播是继音频和视频广播之后融合音频、视频以及数据为一体的第三代 广播方式。数据广播有效的利用数据电视的有关标准，使用基于d v b 的m p e g 一2 传输标准，提供数据发送。通过数据广播，可以向用户提供高速的信息访问方式， 解决访问i n t e m e t 网络慢，不能有效提供广播业务的要求。 1 数据广播标准 鉴于数据广播的重要性，欧洲的d v b 、美国的a t s c 以及日本的i s d b ( 综 合业务数字广播) 在这一领域展开了激烈的争夺。其中d v b 标准在1 9 9 9 年6 月正式成为欧洲标准时交互业务标准就是欧洲电信的标准( e t s ) 。a t s c 的数据 广播标准则由t 3 技术组的s 1 3 专家组负责。 无论是d v b 还是a t s c 或者其他的数字电视广播标准，都是基于m p e g 2 的传送流机制，而标准只是定义了如何在各种不同的传输媒质上进行t s 包传送。 根据i s o i e c l 3 8 1 8 1 协议，所有数据被分割成1 8 8 字节大小的定长分组数据包， 这些包在数字电视广播中用来传送数字视音频以及相关的信息。实际上，这种定 长的数据包可以用来传送各种信息。数据广播标准就是规定了用t s 流来传送面 向多种应用的数据的方法。 除了t s 流以外，i s o i e c1 3 8 1 8 6 数字存储媒体的命令和控制( d s m - - c c ) 是数据广播的另一基础。所谓d s m - - c c 是一种特殊的协议，用于提供在数字存 储媒体上管理m p e g 码流所需的基本控制函数和操作。此协议位于操作系统层 之上、应用层之下，独立于所管理的数字存储媒体、所关联的网络协议以及所在 的操作系统，也和数字存储媒体是本地的还是远程的无关。d s m - - c c 是一个庞 大的规范，数据广播标准只是其应用的一个领域。 d v b 系列数据广播协议标准包括t r1 0 12 0 2 ( d v b 数据广播规范执行指南 和e n3 0 11 9 2 ( ( d v b 数据广播的规范。而a t s c 的数据广播标准则是2 0 0 0 年7 月发布的a 9 0 a t s c 数据广播标准，两者从原理上来讲很接近。 2 数据广播的基本原理 数据广播可以分成四种类型，这四种类型分别针对不同的应用。 8 浙江大学硕士学位论文 ( 1 ) 数据管道( d a t ap i p i n g ) ：数据直接由m p e gt s 包的负载携带，数据 分割、组装和解释则都留给用户自己定义。 ( 2 ) 数据流( d a t as t r e a m i n g ) ：数据由m p e g 系统定义的p e s 的负载携 带，用来实现广播网上传送面向流的端到端数据。 ( 3 ) 多协议封装( m u l t i p r o t o c o le n c a p s u l a t i o nm p e ) ：将通讯扔议数据包 封装成d s m - - c c 分段，这种分段兼容m p e g - - 2 私有分段，最终实 现在广播网上传送多种协议的数据包如i p 数据包。 ( 4 )数据集和对象集( d a t ac a r o u s e la n do b j e c tc a r o u s e l ) ：定义在d c m - - c c 的数据集或对象集的基础上，将需要周期性发送的数据组织成 大小相同的块进行广播网发送。 数据管道协议说明并没有对如何从t s 包中取出数据给出具体说明，仅仅指 定了如何将数据封装到m p e g - - 2 传送流包中。和其他的应用相比，要实现这种 服务，发送和接收双方需要较多的先验知识：数据流协议说明是定义在m p e g 分组原始流( p e s ) 基础上的，协议定义提供了更多的功能，尤其是时间信息。 这样就可以用来传递异步、从同步和同步广播；多协议封装，数据集和对象集的 应用都是建立在d c m - - c c 的框架结构上，共同基于m p e g 一2 系统层定义的私 有分段基础之上。d v b 标准仅仅增加了关于如何让这种框架结构工作在d v b 网 络环境中的定义，尤其是和服务信息( s e r v i c ei n f o r m a t i o n ) 的接口说明。 在d v b 数据广播标准中，所有应用都被分割成两部分：控制和传送。其中 控制部分涉及到服务信息( s i ) 和程序特殊信息( p s i ) ，属于d v b 用户服务信 息协议定义的范畴，而关于数据传送部分的说明属于( ( d v b 数据广播规范定 义的范畴。 3 多协议封装 多协议封装( m p e ) 提供一种基于m p e g 一2 传送流的在数字电视广播网络 中传送数据的机制。m p e 技术解决了d v b 网络上传输l p 数据报文的关键问题。 i p 数据报文插入在m p e g 2 帧中向客户端发送，客户端通过特定的硬件设备还 原为i p 数据报文。实现方式是将数据包封装成d s m c c 分段，d s m ，c c 分段的 格式兼容m p e g 2 的私有分段。这种分段格式提供了一种有效的将数据表映射到 m p e g - - 2 传送流包格式的机制。 9 浙江大学硕上学位论史 旦 亘口口笥 圊 堕巫 二二亟亟- 匠二二 f 品磊i 厂一一丽赢磊- 一 厂一一1 元鬲i 1 一一 一1。_。1“1。1。1。 d v b q a m 有线电视 图lm p e 协议层次结构 m p e 并适用于u n i c a s t ，m u l t i c a s t 和b r o a d c a s t 等多种传播方式。这些都是通 过一个4 8 位的m a c 地址来实现的，但是d v b 并没有规定如何为用户分配m a c 地址。在m p e 标准中，m a c 地址从最低字节开始被保存在m a ca d d r e s s6 域 中。m a ca d d r e s sl 域则含有最有意义的位，1 表示这是一个多播m a c 地址。 ( 以上描述的都是指按照i n t e m e t 标准字节序的内存地址。因此 o l ：x x ：x x ：x x ：x x ：x x 就是一个多播地址) 。因为没有a r p ，所以d v b 打包机 中如何插入m a c 地址成了一大难题。有的做法是由用户在控制软件中手动设置。 如果目标是定向的，用户必须输入目的m a c 地址。单单是多播或组播的应用中 用户也可以输入一些组播、多播m a c 地址。6 字节的m a c 地址在数据段结构 中被划分成两个部分，这样做的目的是为了使接收端方便采用硬件方式进行包滤 波。考虑到广播的实际安全性，封装协议通过支持对数据包的加密和动态改变 m a c 地址来保证安全。 分段机制允许将一个数据表分段映射入多个数据段，如果数据表的长度小于 或者等于4 0 8 0 字节f 包括可能有的l l c ( l o g i c a ll i n kc o n t r 0 1 ) 和s n a p ( s u b n e t w o r k a t t a c h m e n t p o i n t ) 头1 ，则数据表可以放入一个数据段而无需分段。 对于i p 协议数据，由于l l c s n a p 可以被忽略，则m t u ( 最大传输单元) 应 该被设置成4 0 8 0 ，这样可以让数据表无需被重新分段，如果考虑l l c s n a p 则 m t u 应该被设置为4 0 7 4 或者更小。 i p 组播技术的基础知识概述 1 m 组播技术的概念 i p 组播( 也称多址广播或多播) 技术，是一种允许一台或多台主机( 组播 源) 发送单一数据包到多台主机( 一次的，同时的) 的t c p i p 网络技术。组播 作为一点对多点的通信，是节省网络带宽的有效方法之一。在网络音频，视频广 播的应用中，当需要将一个节点的信号传送到多个节点时，无论是采用重复点对 点通信方式，还是采用广播方式，都会严重浪费网络带宽，只有组播才是最好的 浙江大学硕士学位论文 选择。组播能使一个或多个组播源只把数据包发送给特定的组播组，而只有加入 该组播组的主机才能接收到数据包。目前，i p 组播技术被广泛应用在网络音频 视频广播、a o d v o d 、网络视频会议、多媒体远程教育、”p u s h ”技术( 如股票 行情等) 和虚拟现实游戏等方面。 2 i p 组播组 使用同一个i p 组播地址接收组播数据包的所有主机构成了一个主机组，也 称为组播组。一个组播组的成员是随时变动的，一台主机可以随时加入或离开组 播组，组播组成员的数目和所在的地理位置也不受限制，一台主机也可以属于几 个组播组。此外，不属于某一个组播组的主机也可以向该组播组发送数据包。 3 组播分布树 为了向所有接收主机传送组播数据，用组播分布树来描述i p 组播在网络中 传输的路径。组播分布树有两个基本类型：有源树和共享树。 有源树是以组播源作为有源树的根，有源树的分支形成通过网络到达接收主 机的分布树，因为有源树以最短的路径贯穿网络，所以也常称为最短路径树 ( s p t ) 。 共享树以组播网中某些可选择的组播路由中的一个作为共享树的公共根，这 个根被称为汇合点( r p ) 。共享树又可分为单向共享树和双向共享树。单向共享 树指组播数据流必须经过共享树从根发送到组播接收机。双向共享树指组播数据 流可以不经过共享树。 4 逆向路径转发 逆向路径转发( r p f ) 是组播路由协议中组播数据转发过程的基础，其工作 机制是当组播信息通过有源树时，组播路由器检查到达的组播数据包的组播源地 址，以确定该组播数据包所经过的接口是否在有源的分支上，如果在，则r p f 检查成功，组播数据包被转发；如果r p f 检查失败，则丢弃该组播数据包。 5 i n t e m e t 组播主干( m b o n e ) 网络 i n t e m e t 组播主干( m b o n e ) 网络是由一系列相互连接的子网主机和相互连 接支持i p 组播的路由器组成。它可以看成是一个架构在i n t e r n e t 物理网络上层的 虚拟网，在该虚拟网中，组播源发出的组播信息流可直接在支持i p 组播的路由 器组之间传输，而在组播路由器组和非组播路由器组之间要通过点对点隧道技术 进行传输。 i p 组播路由及其协议 1 1 p 组播路由的基本类型 组播路由的一种常见的思路就是在组播组成员之i 可构造一棵扩展分布树。在 一个特定的“发送源，目的组”对上的i p 组播流量都是通过这个扩展树从发送源 传输到接受者的，这个扩展树连接了该组播组中所有主机。不同的i p 组播路由 浙江大学硕士学位论文 协议使用不同的技术来构造这些组播扩展树，一旦这个树构造完成，所有的组播 流量都将通过它来传播。 根据网络中组播组成员的分布，总的说来i p 组播路由协议可以分为以下两 种基本类型。第一种假设组播组成员密集地分布在网络中，也就是说，网络大多 数的子网都至少包含一个组播组成员，而且网络带宽足够大，这种被称作”密集 模式”( d e n s e m o d e ) 的组播路由协议依赖于广播技术来将数据”推”向网络中所 有的路由器。密集模式路由协议包括距离向量组播路由协议( d v m r p ：d i s t a n c e v e c t o rm u l t i c a s tr o u t i n gp r o t o c 0 1 ) 、组播开放最短路径优先协议( m o s p f ： m u l t i c a s t o p e ns h o n e s tp a t hf i r s t ) 和密集模式独立组播协议( p i m d m ： p r o t o c o l i n d e p e n d e n tm u l t i c a s t d e n s em o d e ) 等。 组播路由的第二种类型则假设组播组成员在网络中是稀疏分散的，并且网络 不能提供足够的传输带宽，比如i n t e m e t 上通过i s d n 线路连接分散在许多不同 地区的大量用户。在这种情况下，广播就会浪费许多不必要的网络带宽从而可能 导致严重的网络性能问题。于是稀疏模式组播路由协议必须依赖于具有路由选择 能力的技术来建立和维持组播树。稀疏模式主要有基于核心树的组播协议( c b t ： c o r eb a s e dt r e e ) 和稀疏模式独立协议组播( p i m s m ：p r o t o c o l i n d e p e n d e n t m u l t i c a s t s p a r s em o d e ) 。 2 密集模式协议 ( 1 ) 距离向量组播路由协议( d v m r p ) 第一个支持组播功能的路由协议就是距离向量组播路由协议。它已经被广泛 地应用在组播骨干网m b o n e 上。 d v m r p 为每个发送源和目的主机组构建不同的分布树。每个分布树都是一 个以组播发送源作为根，以组播接受目的主机作为叶的最小扩展分布树。这个分 布树为发送源和组中每个组播接受者之间提供了一个最短路径，这个以”跳数” 为单位的最短路径就是d v m r p 的量度。当一个发送源要向组播组中发送消息 时，一个扩展分布树就根据这个请求而建立，并且使用”广播和修剪”的技术来维 持这个扩展分布树。 扩展分布树构建过程中的选择性发送组播包的具体运作是：当一个路由器接 收到一个组播包，它先检查它的单播路由表来查找到组播组发送源的最短路径的 接口，如果这个接口就是这个组播包到达的接口，那么路由器就将这个组播组信 息记录到它的内部路由表( 指明该组数据包应该发送的接口) ，并且将这个组播 包向除了接受到该数据包的路由器以外的其他临近路由器继续发送。如果这个组 播包的到达接口不是该路由器到发送源的最短路径的接口，那么这个包就被丢 弃。这种机制被称为”反向路径广播”( r e v e r s e p a t hb r o a d c a s t i n g ) 机制，保证了 浙江大学硕l 学位论文 构建的树中不会出现环，而且从发送源到所有接受者都是最短路径。 对子网中密集分布的组播组来说d v m r p 能够很好的运作，但是对于在范围 比较大的区域上分散分布的组播组来说，周期性的广播行为会导致严重的性能问 题。d v m r p 不能支持大型网络中稀疏分散的组播组。 ( 2 ) 组播开放最短路径优先( m o s p f ) 开放最短路径优先( o s p f ) 是一个单播路由协议，它将数据包在最小开销 路径上进行路由传送，这里的开销是表示链路状态的一种量度。除了路径中的跳 数以外，其他能够影响路径开销的网络性能参数还有负载平衡信息、应用程序需 要的q o s 等。 m o s p f 是为单播路由组播使用设计的。m o s p f 依赖于o s p f 作为单播路由 协议，就象d v m r p 也包含它自己的单播协议一样。在一个o s p f m o s p f 网络 中每个路由器都维持一个最新的全网络拓扑结构图。这个”链路状态”信息被用来 构建组播分布树。 每个m o s p f 路由器都通过i g m p 协议周期性的收集组播组成员关系信息。 这些信息和这些链路状态信息被发送到其路由域中的所有其他路由器。路由器将 根据它们从临近路由器接收到的这些信息更新他们的内部连接状态信息。由于每 个路由器都清楚整个网络的拓扑结构，就能够独立的计算出一个最小开销扩展 树，将组播发送源和组播组成员分别作为树的根和叶。这个树就是用来将组播流 从发送源发送到组播组成员的路径。 ( 3 ) 独立组播密集模式协议( p i m d m ) 独立组播协议( p i m ) 是一种标准的组播路由协议，并能够在i n t e m e t 上提 供可扩展的域间组播路由而不依赖于任何单播协议。p i m 有两种运行模式，一种 是密集分布组播组模式，另一个是稀疏分布组播组模式，前者被称为独立组播密 集模式协议( p i m d m ) ，后者被称为独立组播稀疏模式协议( p i m 。s m ) 。 p i m d m 有点类似于d v m r p ，这两个协议都使用了反向路径组播机制来构 建分布树。它们之问的主要不同在于p i m 完全不依赖于网络中的单播路由协议 而d v m r p 依赖于某个相关的单播路由协议机制，并且p 1 m d m 比d v m r p 简 单。 p i m - d m 协议和所有的密集模式路由协议一样也是数据驱动的。但是既然 p i m - d m 不依赖于任何单播路由协议，路由器某个接收端口( 就是返回到源的最 短路径的端口) 接收到的组播数据包被发送到所有下行接口直到不需要的分枝从 树中被修剪掉。d v m r p 在树构建阶段能够使用单播协议提供的拓扑数据有选择 性的向下行发送数据包，p i m - d m 则更加倾向于简单性和独立性，甚至不惜增加 数据包复制引起的额外开销。 浙江大学硕士学位论文 i p 多播( m u l t l e a s t ) 模型介绍 多播是指一对多( 1 ：1 1 ) 的通讯形式，一个组由一个d 类i p 地址来标示 ( 2 2 4 0 0 0t o2 3 9 2 5 5 2 5 5 2 5 5 ) ，这类地址是抽象的标记，不代表任何主机的地 址。 由于多播一对多的传输特殊性，各类网络对多播的支持不尽相同。局域网在 物理层便支持多播，比如以太网，多播在局域网内的实现是有效而简单的；而对 于广域网多播，如上一节所述，需要多播路由器的支持，使用i o m p 和多播路由 协议( 如d v m r p ，p i m d m ，p i m s m ，p i m s s m ，m s d p ，m b g p ，b g m p ) ： 一般来说，在同一个管理域内路由是简单和有效的，域之间的路由不仅复杂而且 可操作性不高，因此，从总体来说，当前的互联网络还未能有效的支持多播路由。 相比与大量单播连接服务，多播服务有如下特点： 无限的可扩展性( s c a l a b i l i t y ) ：多播服务支持的用户数量没有限制，实 际上，多播传输服务与用户的数量无关，一个用户接收和上千、上万个 用户接收对于多播服务来说没有差别。 降低代价：利用多播一对多的传输特性，在服务端( 也称源端或发送端) ， 只要维持一份分发的内容便可为大量用户( 也称接收端或客户端) 服务， 相比与单播中n 个用户对应在服务端需要n 份分发内容的拷贝和发送服 务资源占用，多播对服务器设备的配置要求降低了，可以使用便宜的主 机，同时不需要高的带宽接入。 服务速度的增加：带宽利用更加有效，不会因为接入用户数量多而引起 网络带宽紧张引起的拥塞，从而使得发送速度增加。 单播 多撬 图2 单播与多播的对比示意图 多播提供了三类多播分发模型： a 单轮推送模式 是一种要求接收端和服务端同步的分发模型，服务端在某一时刻开始发送数 据，至所有接收端( 一开始按时接收的用户) 都接收完结束。这种模式要求高的 可靠性，并且由于需要和服务端同步，即要求在推送之前准备好数据的接收，这 限制了接收用户的数量。 b 多轮推送模式 4 浙江大学硕士学位论文 这种模式通常用于热门流行数据内容的分发( 如视频片断、软件、升级数据 等) ，利用多播循环不断的分发下去，用户可以在任何时间加入组下载，然后离 开，由于没有实时性要求，该类分发模型参与的用户数量可能多大上百万。 c 流式数据传输模型( 如发送视音频) 多媒体数据通常由于体积庞大，要求高的分发效率，也要求分发方式具有实 时眭，并支持一定可靠性( s e m i r e l i a b l e ) ，本文只讨论文件数据的推送，流式数 据的传输不在本文的讨论范围之内。 2 1 2 数据广播在数字媒体方面的应用 因为多媒体信号是交互的、互动的，它对网络提出了以下的应用要求： ( 1 ) 吞吐( t h r o u g h t p u t ) 的要求：是指对高传输带宽、大存储缓冲带宽的要求 和对流量的控制。 ( 2 ) 可靠性的要求：在这里对可靠性的要求不是重点。适当的数据丢失不 会过多影响视频播出的实际效果。 ( 3 ) 网络延时要求：对网络延时、抖动要求较高，因为多媒体视频流对网 络传输延时和抖动比较敏感。如传输的视频信号与音频信号必须同步等。 因为网上信息的交互性和互动性，使网络中的信息传输量日益剧增，网络传 输的瓶颈问题是突出的。在多媒体应用中，视频传输带来的网络带宽问题更突出。 当n 个i p 地址同时接收网络多媒体视频流时，设每个视频流所需传输带宽为1 5 m b p s ，按现在网络结构，所需带宽为n 1 5m b p s ，同时会带来无法忍受的网络 延时和抖动。现有的大部分网络多是使用t c p i p 点到点的协议构置，因此我 们研究的重点是如何在现有网络条件下不作过多的改变来实现视频的传输，即i p 组播解决方案要与现有网络兼容。 多媒体视频流对数据可靠性要求不高，适当的数据丢失不会过多影响视频播 出的实际效果。虽然多媒体视频流对网络传输延时和抖动比较敏感，而i p 组播 在网络中延时与抖动是很少的。所以用i p 组播通信来传输i p 视频信号是可行的。 i p 组播技术在多点视频数据传输方面的优势 目前在i p 网上提供视频服务的方式主要有两种： ( 1 ) 完全利用路由器的m u l t i c a s t 技术，不需另加服务器转发，但会增加路 由器负担，有“广播风暴”危险，网络路由协议也需调整。 ( 2 ) 利用软件和服务器，在整个口宽带网上叠加一个处理媒体流的叠加网， 由叠加网实现点到多点组播、媒体流路由和多点注入等功能。 现在采用视频服务方式一般为方案( 2 ) 。具体地说就是：计算机配合专用软 浙江大学硕土学位论文 件组成服务器，实现实时控制。控制的目的是：对于多媒体视频服务器端，必须 具有最大效率的发送机制，也就是说，系统能够最大限度地在最短时间内响应和 满足从多媒体视频接收端送来的视频请求，一次完成指向需求用户所有地址的数 据发送，计算机实时控制系统随时监控视频传输的质量，同时自动调整带宽等。 当然传输方法的实现能与目前的网络设施兼容。 该方案实旆过程中，计算机( 服务器) 时刻监控着系统，达到尽可能好的广 播质量和高效率，绝不发生如“广播风暴”等危险。 用i p 组播实现视频传输的系统由由4 部分组成：即视频发送、视频转发、 视频接收、视频控制。 视频发送为预制视频或者称为实