（计算机应用技术专业论文）因特网上连续媒体多点播放的质量适应机制研究.pdf

i 特刚f 迫绩媒体多点播放的质量适心机制川究 y3 9 8 摘要 艋年来，因特网上出现了越来越多的实时多媒体多点播送应用，如视频 、 会议、实况视频播放等等。在这种应用中一般都有大量的接收方，由于网络 带宽的变化和网络的异构性使得每个接收方有不同的服务质量要求。因此研 、 究适合这种应用的机制就成为一大课题。) 本文首先介绍连续媒体多点播放机制的发展概况和现存机制的缺陷，在 此基础上，分析了视频分层编码及分层传输技术。本文对视频多点播放中的 代理控制分层传输算法进行了深入研究，提出种改进的代理控制分层传输 算法，该算法能较好地解决链路振荡问题并体现公平性原则，较大地提高了 接收方的接收质量。本文还对网络代理的缓冲机制进行了研究，提出一种改 进的代理缓冲质量适应机制，该机制能够使接收方的播放过程具有平滑性。 以网络支持为架构，本文还提出了一种网络控制的分层多播速率控制质量适 应机制，该机制不仅能对拥塞做出快速响应，而且在充分利用带宽的基础上 保证了高流行度的视频流具有较好的服务质量。 斑讯微芗觥晓艉箩雕输瓞髓 i 型堡型! ：丝竺塑堡兰生丝些塑垦里垩坐些型型垄 r e s e a r c ho nm e c h a n i s m so fq u a l i t ya d a p t a t i o nf o r c o n t i n u o u sm e d i am u l t i c a s ti ni n t e r n e t a b s t r a c t r e c e n ty e a r s ，m o r ea n dm o r er e a l t i m em u l t i m e d i am u l t i c a s ta p p l i c a t i o n sh a v e b e e nd e v e l o p e di ni n t e r n e t ，s u c ha sv i d e oc o n f e r e n c e ，l i v ev i d e op l a y b a c k ，e t c i n t h e s ea p p l i c a t i o n st h e r ea r ea l w a y sl a r g en u m b e r so fr e c e i v e r s d u et ot h ev a r i a t i o n o fn e t w o r kb a n d w i d t ha n dt h eh e t e r o g e n e i t yo fn e t w o r k ，d i f f e r e n tr e c e i v e rr e q u i r e s d i f f e r e n t q u a l i t y o fs e r v i c e t h u sm e c h a n i s m so fs u c h a p p l i c a t i o n s r e m a i n p r o b l e m s t ob es t u d i e d a tt h eb e g i n n i n g ，w ei n t r o d u c eg e n e r a ls i t u a t i o no fc o n t i n u o u sm e d i am u l t i c a s t m e c h a n i s m sa n dl i m i t a t i o no f e x i s t i n go n e s o nt h eb a s eo f t h i sw o r k w ea n a l y z e t h et e c h n o l o g yo fv i d e ol a y e r e de n c o d i n ga n dl a y e r e dt r a n s m i s s i o n i nt h i sp a p e r , w ep r o p o s ea ni m p r o v e da l g o r i t h mo fa g e n t c o n t r o l l e dl a y e r e dt r a n s m i s s i o ni n m u l t i c a s tv i d e od i s t r i b u t i o n ，w h i c hc a nw e l ls o l v et h ep r o b l e mo fl i n eo s c i l l a t i o n a n dr e a l i z et h ef a i m e s sp r i n c i p l e t h u sc a n l a r g ei m p r o v e r e c e i v e dq u a l i t ys e c o n d l y , a f t e rp r o b i n gi n t oc a c h i n gm e c h a n i s mo fn e t w o r kp r o x y , w ep r e s e n ta ni m p r o v e d p r o x yc a c h i n gq u a l i t ya d a p t a t i o n m e c h a n i s mf o rm u l t i m e d i am u l t i c a s t t h i s m e c h a n i s mc a no f f e rs m o o t h n e s sf o rr e c e i v e r sp l a y b a c k t h i r d l y , o nt h es u p p o r to f n e t w o r kf r a m i n g ，w ep u tf o r w a r dan e t w o r k b a s e dr a t ec o n t r o lq u a l i t ya d a p t a t i o n m e c h a n i s mf o rl a y e r e dm u l t i c a s t i ti s p r o v e dt h a t t h i sm e c h a n i s mc a nn o to n l y r e s p o n dt oc o n g e s t i o nq u i c k l yb u ta l s o ，m a k i n gt h em o s to fb a n d w i d t h ，p r o v i d e b e t t e rs e r v i c eq u a l i t yf o rm o r e p o p u l a rm e d i as t r e a m i n g k e yw o r d s ：c o n t i n u o u sm e d i am u l t i c a s t ，l a y e r e de n c o d i n 【g l a y e r e dt r a n s m i s s i o n ， q u a l i t ya d a p t a t i o n 川 i h1 连续蚁件多点捕欣的质量适随机制圳宄 第一章引言 1 1 连续媒体多点播放机制发展概况 迕续姒体多点捕放是现存平术米的网络服务中一个很重要的绢成都分，如视频点 番、视频会议、实况视频 甭放等等。最初的冈特网并没有对连续媒体传输提供服务质掣 ( q o s ) 保证，使得这种赢州不能满足众多接收方的服务质革要求。另外，媒体流多点播 放服务在i n t e r n e t 这样的尽力服务网络中的广泛戍川必将消耗人耸的资源，尤其是对带 宽的要求，它们与传统的t c p i p 应川的共存导致两种不同应州之间的协调问题，即如 何有效地公平分配带宽笛资源。针对连续媒体多点播放的特点，研究者们提山了一系列 机制，从单流多点播放机制剑重复流多点播放机制，但这些机制都存在不少缺陷 7i t 2 6 , 2 7 i 。 1 9 9 2 年，s h a c h a m 等人提出了一种基r 分层编码的多点播放机制i ”它不仅能有效 利川带宽，而且针对网络的异构性，能够同时满足众多接收方的不同服务质颦要求。这 种分层编码及分层传输机制得剑了较为* 遍的研究，主要分为二类方案：一类是基r 发 送方的控制方案，即发送方根据网络带宽调警备个数据层的传输速率h 1 i ；兄一类是墓丁 接收方的控制方案，即发送方不必关心接收方的接收情况，由接收方白身根据其接收 能力调整接收的数据层数；还有一类是基丁网络的控制方案1 2 0 , 2 1 】，由网络中间路由器对 链路的拥塞及带宽分配进行控制。这二种方案把控制机制放住网络的不同部分，各有优 缺点，而目前研究得较多的是斤两种方案。 本文首先简单介荆单流多点橘放及重复流多点播放机制，然后在视频分层编码及分 层传输理论的基础上，介纠目前流行的连续媒体多点播放质量适麻机制、现存的问题以 及针对原有方案的缺陷提出新的质培适应机制，并h j 网络模拟器n s 2 t ”i 进行算法模拟平 性能评价。 1 1 i 连续媒体多点播放的特点 住i n t e m e t 中进行实时连续媒体多点服务不同t - 传统的基r 超时重传的t c p 协议， 它要求有一定的服务质昔( q o s ) 保证，包括数据分组的延迟约束和接收方的接收分组丢 火率约束等l ”i 。 首先，接收方为取得稳定的视频质最，它们以f 卅定的速率进行播放，而发送方对视 频数据进行编码后的输出可能是变化速率的位流，若接收方在预定的播放时间到达时还 l f 塑! l ! ! ：堡堡鉴堡兰! ! 堡堕塑堕篁塑坐! 垫! 坐壅 没收剑所需要的分组使认为该分组丢火。为满足数据分组的延迟约求要求( 即分组必须 住播放时间点之前剑达) ，网络的量正迟变化要小，对r 实时性交山式心h j ，婴求端剑端 的逛迟也要小。往接收力引入缓冲机制可以缓解微小的传输量正迟所带米的影响，使得视 频质掣。趋r 平滑，但在网络带宽发生人幅度变化而导致链路振荡的情况f ，必颁要有其 他的控制机制加以调帮才能避免视频质餐的人幅度变动。 其次t 连续媒体流的传输与传统的t c p 协议的麻州相比较，对】：数据传输的呵靠 性要求较低，而实时性要求较高。但如果由t 网络拥塞造成人量的分卵丢火，将会影响 接收的视频质域。为把分组丢火率控制住一定范嗣内，就需要有速率控制机制对拥塞进 行控制以避免更多的分组丢火。另外，还可庄延迟约求范闱内通过差错重传机制或前向 纠错机制提高传输的可铝性。 另外，连续f 1 1 l 体多点播送所处的网络环境有其自身的特性。目前的冈特网是全球范 陶的共通的网络由r 组成挚个网络的备个子网的拓扑结构的筹异、运行在网络中的各 个府h i 协议的筹异、网络带宽的筹异以及各类终端处理能力的筹异使得冈特网具有异构 性，而处在这种异构性环境r 的接收方有各白不同的q o s 要求1 3 0 3 3 】。住视频多点稀送中 为同时满足人耸接收方的不同要求需要有相廊的控制机制对网络带宽进行公平合理的 分配，使得整个网络的所有接收者能够达到以f 所描述的理想情况i ：每个接收方所接 收的视频质茸应该与其白身处理能力及沿剑达该接收方的链路带宽容鼙相符合，而与其 他接收方的接收情况无关。 针对以上所描述的连续媒体多播的特点而提出的质颦适戍机制有两种，一种是资源 预留机制，即对网络资源进行预先估算和保留，从而对传输延迟、链路振荡及分组丢火 加以控制，然而在冈特网这样随时变化的网络环境p 很难精确有效地进行资源预留，更 为理想的是采取另一种机制，即根据变化的网络资源进行相应的速率凋整从而对视频质 昔加以控制。本文f 面章仃所讨论的备种机制均是属丁速率调整的适应机制。 1 1 2 连续媒体多点播放的体系结构 住冈特网上进行有效的多点 番放服务就必须为分组的多播提供一种支持体系，该体 系结构的特点可以门结如f ： 1 支持分组的绢地址传输( 或多 番，m u l t i c a s t ) ，即分组可以同时传输给属丁i 该组的多 个接收方，发送方不必关心接收方的具体身份，体现了可扩展性。 2 所有加入组的接收方都称之为组成员，这些组成员溜着分组的传输方向分别与发送 方之间建立一条路径，所有路径的组合构成一棵能够覆盖所有成员的树。 3 当有新成员加入多播组，便修改树结构，使得树中有一条连接发送方和新成员的路 2 1 1 垫型! 些竺堂竺兰皇堡坚塑鉴篁垩坐! ! 型型壅 住：当f 成员不n 接收数据而离开多插组时，任何多余的路i _ 便可从树结构中删玉。 】口已彳多种彳；同的多插路由协议川米构造这样一棵多播树2 - i 二”。 1 1 3 单流多播机制及其缺陷 单流多 番机制最甲由j - cb o l o t 等人提出，它是一种简单直观的多橘机制m 叫，其 基本思想是：发送方传输一个单的视频编码数据流组中的所有成员接收这同速率 0 质射的流，并且把接收情况反馈给发送方，发送方再根据接收方的反馈信息凋挚它的 数据传输速率。单流多点播放的结构如幽】所示。 i n r i a 视频会议系筋! ( i n r i av i d e o - c o n f e r e n c es y s l e m , 简称i v s ) 就是健刚这种单流多 橘机制的视频会议系统。该系统的接收方根据接收的分组序号计算分组丢火率，并把丢 火率作为反馈信息传给发送方：发送方调擎编码参数：刷新率、苗化等级等，从而凋挚 视频流的输山速率。 单流多 甭机制存在很人的缺陷。首先，当接收方数目比较人时，若每个接收方都同 时反馈信息给发送方，则会引起反馈爆炸，导致网络极度拥塞而造成人龌的分组丢火， 影响视频质苗。另外，该机制不能很好地针对冈特网的异构性进行有效的带宽分配，单 纯的发送方述率控制只能从人体上满足小部分接收方的要求，而不能更进一步满足不同 接收方的不同服务质昔要求。 j l 一二二 ，r o u t e rr o u t e rj 臣蟹意而由自 ! 鬯：竺! ) 、7 ( ：! ! ! ! ：! ) 图1 1单流多点播放结构 3 嵩匐 甸 蠹 f 州特陶l 连续媒体多点播放的赝麓适心机币曲f 究 1 1 4 重复流多播机制及其缺陷 重复流多捅机制是由x u el i 等人针对网络异构性提出的一种机制，它是对单流多橘 机制的简单扩展，其基本思想是【1 7 18 ：发送方对同一视频数据以不同的压缩参数进行编 码，编码厉的视频流具有不同的住速率和不同质鼙的视频效果。发送方同时发送所有不 同速率的流，每个流对应有一个多播组地址，接收方根据其处理能力及链路带宽人小选 抒加入某一个组，接收在该组中传输的某一质姑的视频流分组。重复流多点 需放的结构 示例如幽1 2 所示。发送方同时发送同一视频数据的二个不同质培的编码流，接收方1 接收第一个编码流，接收方2 肃l3 接收第二个编码流，接收方4 和5 接收第二个编码流。 图i - 2 重复流多点播放结构 目标集组合协议( d e s t i n a t i o ns e tg r o u p i n gp r o t o c o l ，简称d s g ) e i 是重复流多播机制 的个席h j 。它主要包括两个子协议：流内协议和流间协议。流内协议指的是根据某个 流所对应的纲成员的反馈信息对该流的速率进行一定范同内的调整，流间协议指的是接 收方随网络带宽的变化在不同质量的流之间进行切换，这种情况只有在接收方欲调整的 流速率将要超过该流的上卜限度时才发生。 重复流多播机制同样存在不少缺陷。表现在：网络中同时存在多个重复的视频流， 导致网络带宽的极大浪费；网络带宽的随时变化使得接收方在流之问不断地切换，导致 接收的视频质量时好时坏，因此需耍拥塞历史检验等机制加以控制以避免视频质量振荡 的发生。 以上所提到的单流多播和重复流多播机制是比较简单的连续媒体多播机制，但这种 简单性的背后却存在不少隐患。研究者们便思考是否有其它截然不同的编码和传输技术 4 旦堡! 型塑燮堡兰皇塑堕塑堕里垩坐! ! ! ! ! ! ! 塑壅 ： 来适戍连续媒体多播席，l j ，仪幸运地，他们找剑了这么一条出路，这就是本文所要重点 研究的视频分层编码及分层传输机制，本文所做的i ：作都是基丁这种基础开展开来的。 1 2 连续媒体多点播放的质量适应机制 住一个由丁拥塞控制而产生带宽变化的网络中，对连续媒体的传输加以调整，使得 在网络带宽的允许范闱r 尽可能提高接收方的播放质鼙，同时义使播放过程具有平滑 性，这种调咎机制称为质域适应机制4 l 。本小肖首先讨论目前较为流行的视频分层编码 和分层传输技术，然厉介纠两种以该技术为基础的分层多播质量适廊机制。 1 2 1 视频分层编码及分层传输技术 视频分层编码及分层传输技术的思想最初是由s h a c h a m 等人提出的，该思想具体 描述如f ：发送方的原始视频数据编码为n 个层次，第一层称为基本层，可以独直译码， 提供最低限度的质量；其他备层称为增强层，用以提高视频质量，而且每一层的译码都 必须依赖丁_ 低层的所有数据层。发送方同时发送编码后的n 层数据流，每层数据流都对 应有一个多橘组，接收方可以根据自己的服务要求来决定接收的最高层数，但必须从基 本层开始增加层次。接收方同时接收各层数据并一同对层1 一j ( i 为收到的最高层数) 进行解码，重构原始数据，若层数越多，则重构的数据失真度越小，视频质量越高。 视频分层多点播放的模弛如幽1 3 所示。发送方把视频数据编码为三个数据层，即 一个基本层和两个增强层，并同时发送这三个数据层。接收方根据自己的实际情况接收 一定数簧的数据层。其中接收方1 由丁与发送方之间有较高的带宽而接收全部的数据层， 视频质量最女，；接收方2 和3 接收两层数据，质量次之；而接收方4 和5 由于带宽有限， 只能接收最低的基本层，视频质鬣最著。 这种分层编码技术及分层传输技术与前面提到的单流多播和重复流多插技术比较， 不仅有效地肖省了带宽，而且很好地解决了网络异构性这个问题，能同时满足大量接收 方的不同服务质量要求。由这种技术发展而来的连续媒体多播质量适应机制主要有以下 两种不同方案，下面分别进行介绍。 旦竺型：堕堡鉴堡兰生塑堕塑垦墨垩坐! ! 型堕塑 圈i - 3 视频分层多点= i l 放模型 1 2 2 基于接收方的分层多点播放机制 基丁接收方的分层多点播放机制的基本思想是：接收方根据其接收的分组丢失率米 判定网络的拥塞状况，从而自行决定数据层的增加和丢弃，由此米调整接收速率。发送 方不必明确知道每个接收方的接收情况，它只管发送编码后的所有数据层。 该机制把带宽分配与拥塞控制放在接收方来实现，减轻了发送方的负荷，但由于网 络中间路由器没有进行拥塞控制与速率调整，使得这种方案不能及时对拥塞做出快速响 应，还容易产生链路振荡而影响视频质量，在公平性问题上也体现不了很好的性能。这 类机制的协议有：由加利弗尼亚州柏克利人学的m a c c a n n e 等人提出的接收方驱动的分 层多点播送协议( r e c e i v e r - d r i v e nl a y e r e dm u l t i c a s t ，简称r l m ) 【1 2 2 i ；由贝尔实验室的 x u e l i 等人提出的重传的分层视频多点播送协议( l a y e r e dv i d e om u l t i c a s t w i t h r e t r a n s m i s s i o n s ，简称l v m r ) 1 7 1 。 1 2 3 基于网络路由控制的分层多点播放机制 基丁网络路由控制的分层多点播放机制的基本思想是：由路由器对网络链路的状态 进行评估，然后根据其拥塞程度对所经过的视频流的数据层加以调摧，接收方只管接收 路由过来的己被调整的数据层，而不必进行拥塞控制。 该机制能够在拥塞发生时做出快速响应，并且能全局性地掌握接收方的接收情况， 6 型竺型! ：堡堡坚堡兰生堡竺塑堡里堕竺坐型! ! 垒 从而进行较为合理的带宽分配。这类机制需要在原有的路由器中加入控制机制，这种变 动增加了一定的复杂度，而且目前的控制机制在多个视频流共存的情况r 没能很好地体 现接收方的兴趣科度t 不能盘总体接收质鼙上进行公平的权衡。该类机制的协议有：由 b h a t t a c h a r j e e 等人提出的网络支持的视频多点发布协议( n e t w o r ks u p p o r tf o rm u r i c a s t v i d e od i s t r i b u t i o n ) 1 2 0 1 ；由永京人学的n a k a u c h i 等人提山的网络支持的分层多点播送协 议( n e t w o r k s u p p o r t e dl a y e r e dm u l t i c a s t ，简称n l m ) 。 1 3 1 网络模拟器的发展历史 1 3 网络模拟器( n s ) 目前，因特网上的网络协议雨l 算法得到了更深入的研究，为了使这些研究能够真止 应_ l l j 丁现实网络，必须对它们进行止确性验证。尽管小规模的仿真系统有一定的实用价 值，但它们成本人、灵活性差且很难在约束条件f 进行重复性测试。 而多协议的网络模拟器能以较低的开销提供一个良好的实验环境。适用于各种不同 研究的通j _ j 模拟环境能够实现：对现有协议更进一步的验证；为开发新的协议提供良好 的基础结构；研究协议之间的相互影响以及对研究结果进行比较。u s c i s i ，x e r o xp a r c ， l b n l 和u cb e r k e l e y 等联合研究开发的v i r t u a li n t e r n e t w o r kt e s t b e d ( 简称v i n t ) 是 由d a r p a 资助的一个项目，它的目标就是建立一个能够在其下进行多协议研究与开发 的网络模拟器【3 8 l 。v | n t 土要包括网络模拟器n s 及其相关软件。 1 3 2i q s 网络模拟器的特性 多协议网络模拟器必须能够对各种网络条件下的网络协议进行模拟和评价，井能够 对各个协议之间的相互影响进行模拟和分析。n s 模拟器的特性很好地满足了这些要求， 它有如下这些特性： ( i ) 抽象性。n s 提供了多个层次的抽象，通过调整模拟器的抽象层次，可以在模拟性 能和精确度之间进行折中。增加抽象级别可以实现更大规模的模拟，而降低抽象 级别可以提高模拟的精确度。n s 的抽象机制允许研究者不用改变模拟器本身就能 够在备种不同的模拟粒度上进行模拟和比较。 一型堡型! ：堡堡鉴堡童生塑壁塑堡墨垩尘! ! 型丛壅 ( 2 ) 仿真。n s 的仿真功能使得一个运行的模拟器能够与外部可操作的代码进行交互， 提供了一个与现实网络结构的接【j 。 ( 3 ) 背景生成器。n s 提供了一个背景生成器，它能够自动生成：拓扑结构、流昔模式、 测试事什以及网络动态事件。 ( 4 ) 可视化可视化对网络协议的行为提供了动态表现，有助丁开发人规模平1 1 高复杂 度的协议并有助丁协议的调试。v i n t 的可视化l ：贝即为n a m + o l 。 ( 5 ) 可扩展性。n s 采h j 了分离的编榉模型，它使得新协议的扩展变得容易并提高了协 议的开发效率。 t 3 3n s 的体系结构 不同功能的模拟实现往往要求不同的编程模型。象底层的枣什处理或经过路由器的 分r 传输都要求有较高的性能，所以它们要h jc + + 这样的编泽语言米实现。而象协议对 象的动态配管是经常变化的，这就要求用类似予t c l 的交互性脚本语言米体现其灵活 性川。 n s 采h j 的是一种分离的编程模型。模拟内核( 即高性能的操作原语) 是用编译语 言c + + 米实现的，而模拟的定义、配置以及控制是由t c l 脚本语育来实现。这种方法 把模拟器的设计、维护、扩展以及调试与模拟实验分离开来，很火地提高了协议的开发 率，为州户提供了一个易丁| 使j j ，可重新配置以及可编程的模拟环境。另外，它还促进 了模块化的编科风格，把代表简单操作的对象与内置的控制机制分离开来，提高了代码 的重川性。 在这种分离编程模型中，细颗粒的模拟对象用c + + 来实现，并与t c l 脚本结合起 来实现强大功能的高层次的“宏对象”。在n s 中，我们采用了t c l 的面向对象的扩展 ( 称为o t c l ) 来设计这种宏对象模型。使_ i jo t c l 编程模型，每个宏对象都是一个o t c l 类，它由一系列方法组成，而宏对象义可以嵌入其它宏对象而形成一种支持多层抽象的 层次化的体系结构。开发者既可以处于高层( 如创建和配置现有的宏对象) 也可以处于 中间层( 如在于类中对现有宏对象行为进行修改) 或处于最低层( 如生成新的宏对象或 把对象分解为n s 核心代码) 。本文所涉及的算法都是在网络模拟器r l s 2 卜进行模拟实 现的。 8 塑堑! 坐堡些燮兰皇塑堕塑堕里堕生! ! 型坐塑 1 4 本文所傲的工作 本文重点研究连续媒体多点播放的分层传输质鼙适戍机制，主要j ： 1 门结如f ： 1 对目前的基丁视频分层编码及分层传输的多点橘放质鼙适鹿机制进行深入研究与分 析。 2 对斧错重传的分层视频多点捅放机制( 简称l v m r ) 进行研究，重点探讨其代理控 制机制，并针对其存在的链路振荡及公平性问题，提出改进算法。新算法对多个接 收方同时增加数据层和i 丢弃数据层的行为做进一步的优先级控制，有效地避免了网 络的链路振荡，使得接收方的总体视频质量趋r 平滑：而且保持了接收方之间的公 平性。 3 针对单一的接收方缓冲机制及完全的代理缓冲机制所存在的缺陷，提出一种改进的 代理缓冲质龋适应机制。这种新的机制将数据层在缓冲中进行有效的缓存分配和替 代，从而提高接收方的播放质鲑并使得捅放过程具有平滑性【3 6 1 。 4 住探讨网络路由控制的分层多 斋适应机制的基础上，提出一种新的基丁 网络控制的 分层多 番速率控制质量适麻机制。在多个不同的视频流共存于网络中的情况f ，路 由器能够根据接收方的兴趣程度，对视频流的流行度进行权衡，从而对各视频流的 数据层数加以调整，既保证了对拥塞的快速响应义能够在有效利用带宽的基础上在 接收方之间进行公平的带宽分配，使得高流行度的视频流在接收端拥有较好的服务 质鼙阳。 5 利用n e t w o r ks i m u l a t o r ( 简称n s ) 进行模拟，并评价实验结果。 全文主要包含以f 六个章1 y ：第一章引言包括连续媒体多点播放机制的发展概 况- 现有流行的质最适应机制及其缺陷，网络模拟器的介绍，本文所做的土要 作；第 二章视频多播中的代理控制分层传输算法研究包括差错重传的分层视频多点播放机 制，改进的代理控制分层传输机制及算法模拟与分析：第三章流媒体实时多点播放的 代理缓冲质量适应机制包括原有的接收方缓冲机制及代理缓冲机制及其缺陷，改进的 代理缓冲质量适应机制及算法模拟性能分析；第四章基于网络控制的分层多点播放速 率控制质量适应机制研究包括原有的速率控制质量适应机制的缺陷，一种基于网络权 衡控制的分层多捅速率控制质量适应机制及算法模拟；第五章结束语总结全文，并对 今后i ：作提出设想。 9 一塑壁型! ：垄堡堡堡兰生堡竺竺堕壁堕生! ! 型业塑： 第二章视频多点播送中的代理控制 分层传输算法研究 本章讨论视频多点分层传输代理控制模刑，在指出该模掣存在的链路振荡雨公平性 问题的基础上，着重就接收方增加雨丢弃数据层的算法进行讨论，井提山了改进算法， 实例表明新的改进算法具有较女r 的性能。 2 1 引言 在视频多点橘送中要求对网络的带宽进行调整，以适应不同接收方的q o s 需求c 1 2 ) 。 i 网络带宽调整机制主要分为基于发送方和基丁接收方两种。基丁 发送方的机制h 1 是发 送方根据接收方关丁q o s 要求的反馈信息调整发送速率，但在视频多点播送应h j 中很 难阏整发送方速率以同时满足所有接收方的要求；而基r 接收方的机制“纠则是针对网 络异构性提出的，网络的带宽分配与拥塞控制均由接收方米驱动，接收方的接收速率调 栏可以不涉及源发送方，从而减轻了发送方的负荷。文献 1 提出了一种基r 接收方的 分层传输模型以同时满足各个接收方的不同q o s 要求，且充分利用了带宽。但是如果完 全由接收方独立地调整接收的数据层米满足自身的q o s 要求而不考虑其它接收方的情 况，将会引起网络带宽分配的不均衡，从而导致网络性能较著。因此，文献 7 义提出 了一种代理控制机制，在网络中增加代理对接收方的数据层接收进行协调以提高整个网 络的性能。本文首先介纠这种代理控制分层传输模型的基本思想，然后着重对其存在的 链路振荡及公平性问题提出改进算法。 2 2 差错重传的分层视频多点播放机制( l v m r ) 筹错重传的分层视频多点播放机制( l a y e r e dv i d e om u l t i c a s tw i t h r e t r a n s m i s s i o n ， 简称l v m r ) 是由特兰火计算机学院的x u el i 和s a j o yp a u l 等人提出的【”。它是一 种在因特网上进行视频流分层编码和分层传输的系统，这个系统主要有两个特点：( 1 ) 在一定的时间约束范围内通过重传丢失的分组来提高接收质量，并且应用适应性的播放 点方案来提高重传的成功率：( 2 ) 使用层次化的速率控制机制来调整网络拥塞状态，并 适应网络的异构性。由于本文的重点是速率控制的质量适应机制，对分组的传输差错和 丢失不做进一步的研究，所以对于l v m r 机制我们只对第二个特点进行详细的分析与讨 1 0 持州l ：连续蝶体多点播放的质量适麻机制 j f 究 一 论。 在基r 发送方的速率控制机制中，完全由发送方对网络的拥塞状况做出调整：在基 r 接收方的速率控制机制中完全由接收方自身对拥塞做出调整，这两种单一的机制都 不能从网络整体结构出发，导致整体性能较差。而l v m r 体系使t l i j 层次化的思想，把网 络的状态信息分布丁发送方、接收方和网络中的某些代理之间，使得每个实体拥有与白 身相关的信息；并根据代理所维护的状态信息进行智能化的决策，优化了网络的整体性 能。 2 2 1l v _ i r 视频分层压缩编码 视频分层压缩编码的思想已经住引言部分给予了详细的描述。墓丁：该思想而发展米 的视频多点播放提供了更细粒度的控制机制，在由丁- 网络拥塞而导致人鼙分组丢失的情 况f ，可以丢弃某一或某些数据层来缓解拥塞状态，从而减少分组的丢火。在l v m r 机 制中，使用简化的m p e g 国际编码标准，原始视频数据帧以三种模式进行编码： i n t r a f r a m e ( i ) 模式，p r e d i c t i v e ( p ) 模式，以及b i d i r e c t i o n a l l y - p r e d i c t i v e ( b ) 模式。以这三种模 式进行编码是支持分层编码的思想的：以每一种模式编码的数据均对应着一层数据，其 中l 帧是基本层，提供了晟低限度的质坫，可以独立译码；p 帧为第一增强层，必须与 l 帧一起进行泽码；b 帧为第二增强层，必须与l 帧和p 帧一起进行译码。每增加一层 数据，视频质鼙都将得到提高。 2 2 2 分级式代理控制分层传输模型 随着网络的不断扩人，为了对每个接收方进行协调以提高整个网络的性能，可以在 网络中增加一些代理机制米管理各接收方的接收情况。分级式代理控制的思想简述如f f 6 】：一个网络可以分解为若干个域( d o m a i n ) ( 域可以是物理意义上的区域，也可以是 逻辑概念上的区域) ，每个域中有一个中间代理( i n t e r m e d i aa g e n t ，简称i a ) 。域又可分 为若干个子网，每个子网有一个子网代理( s u b t l e ra g e n t ，简称s a ) 。s a 从子网收集各 种状态信息并逐级反馈给i a ，i a 根据这些信息做出智能化处理并把控制信息返回给各 s a ，最终接收方根据从s a 返回的控制信息做出优化的分布式决策。这些i a ，s a 以分 级方式进行组织，低级的i a 把收集的域信息发送给高一级的i a ，反过来高一级的i a 把决策结果返回给低一级的l a ，直至到达各相应子网。分级式代理控制分层传输模型如 图2 1 所示。其中s 表示发送方，r 表示接收方。 型竺塑! ：望竺鉴堡兰生堡堕塑堡墨垩坐! ! 型业壅 2 2 3 状态转换协议 | 兰| 2 - 1 分级式代理控制分层传输模型 接收方在任何时候处在以f 的其中一种状态：拥塞( c o n g e s t e d ) ，米过载( u n l o a d e d ) 和满载( 1 0 a d e d ) ，每个接收方周期性地计算接收的分组丢失率，若丢失率大于设置的 最人f 】槛值，则判定自己处于c o n g e s t e d 状态，若丢失率小于设置的最小门槛值，则判 定白己处t - u n l o a d e d 状态，否则处于中间状态l o a d e d 。每个接收方都要反馈状态信息 给s a 和i a ，i a 根据这些反馈信息判定域中的拥塞状况，然后对接收方数据层的增加和 丢弃做出决策，以调摧它们所处的状态，而使整个网络系统的带宽分配处于一种相对优 化的饱和状态。 若接收方处丁u n l o a d e d 状态且接收的视频流还没有达到自己的q o s 要求，则请求 代理增加数据层以提高视频质量，代理再对它们的请求予以处理；若增加数据层引起了 网络的拥塞，则马上丢弃该数据层。 若接收方处于c o n g e s t e d 状态，则把拥塞状态报告给s a 和i a ，并丢弃最高数据层。 若i a 收到多个拥塞报告，则强制拥塞子网丢弃高层数据流。 2 3 改进的代理控制分层传输机制 文献 7 】提出的分级式代理控制模型中，代理主要是根据接收方的反馈信息对备接收 2 一 w 特mf ：连续嫘仆多点播放的质量适心机制研究 。 一 ，_ _ - _ - 一 方的状态转换及数据层的增加和丢弃进行管理。但当有多个接收方同时试幽增加数据层 时，而后如果都发生拥塞，由丁不能确定是准引起的拥塞，丁是它们均丢弃晟赢层，如 此反复将导致网络的链路振荡；此外当有多个接收方发生拥塞，代理对接收方丢弃数据 层没有考虑其间的公平性l 。 内此我们在算法中引入了优先级概念，对接收方进行分等级服务，允许低服务质鲑 的接收方住中请增加数据层时拥有较高的优先级，而高服务质耸的接收方在发生拥塞丢 弃数据层时拥有较高的优先级。从而有效地解决了上述问题，提高了网络的整体性能。 为描述算法方便起见，先说明涉及剑的儿个参数及儿种消息的定义： s l 越k ，d l 描k 分别表示子网i 平域i 中所能接收的最高层数；6 为接收方持续停留 住某状态的时间；t 5 为接收方在增加i + i 层之前必须停留在u n l o a d e d 状态之卜的时 间：t 6 为接收方往丢弃i 层之前必须停留住c o n g e s t e d 状态之f 的时间；a d d r e q ( i ) 表 示接收方向s a 羽ii a 发送的增加i 数据层的请求：a d da c k ( i ) 表示i a 向接收方发送的 同意增加i 数据层的麻答；c o n g ( i ) 表示发生拥塞的接收方向子网、s a 和i a 发送的拥塞 状况消息其中i 表示该接收方的最高数据层数；f a i l ( i ，t 。i ) 表示试幽增加数据层而 火败的接收方向s a 和i a 发送的火败消息，其中i 为试| 璺| 增加而火败的数据层数；d r o p ( i ) 表示i a 向子网发送的强制丢弃消息，接收数据层数为i 的接收方收到该消息肝便丢弃i 数据层。 2 3 1 增加数据层算法 若在同一时刻，有多个接收方试图增加数据层，而后义都发生拥塞，由丁i 不能确定 是准引起的拥塞，丁是它们均丢弃晟高层，如此反复将引起链路的不断变动，这种现象 称为链路振荡。考虑到接收方增加数据层并不对其它所有接收方都造成影响，r 是可以 分析接收方之间在增加数据层中的相关性，由i a 对它们的并发请求做出优先级响应， 从而在一定程度上避免了接收方之间的冲突，减弱了网络的链路振荡。i a 要做出优先级 响应，必须根据持有的信息库知识，包括子网之间的相关性，增加层操作的影响范同。 为说明简单起见，这里采用两级代理控制，该控制机制同样适塌于多级代理。 增加数据层算法j s f 印j 若接收方当前所能接收的最高层数为i l ，且处于u n l o a d e d 状态的时间6 t 七1 ， 则向s a 发送a d d r e q ( i ) 消息，尝试增加数据层i ，若i s l m a x ，则s a 把该消息上传 给i a ，并且设置t a 为个较小的值，以便发生拥塞可以立刻丢弃该层。若i a 或s a 收到多个并发请求，便根据信息库加以分析赋予每个接收方以优先级响应，一卜面分 1 3 塑生塑! ：鎏堡鉴堡童生塑堕塑望里垩生! ! 型坐壅 儿种情况加以分析。 1 ) 若i ，j 一 s l m a x ，由】：这两个并发尝试互不影响，j j ! i j 优先级相同，可以同时进行。 2 ) 若s l m a x i ，j d l m ： a 当两个接收方同属一个子网时，则比较i ，j 值，较小者优先级较高，先响麻相应 的请求： b 当两个接收方不同属一个子网时，i a 根据尝试的拥塞历史记录c o n g 雨if a il 可以 分析得剑它们是否互相影响，若相互影响，则i ，j 值较小者优先级较高，若互不 影响，则可同时进行。 3 ) 若i ( j ) s l m a x ，s l m a x 1 ) ，并且苴t 1 d k m 。 s t e p 3 否则丢弃i 层井且把f a i l ( i ，t l d ) 消息传给s a ，而s a 进一步把消息传给i a ，同时接 收方重新赋值t 甜= t 日+ o ，以避免连续尝试均失败。 2 3 2 丢弃数据层算法 一口接收方发生拥塞，并不立刻丢弃最高数据层，而同样要考虑到其它接收方的情 况。如果同一子网中的a 、b 均拥塞，且接收的展高层分别为i ，j ( i j ) ，则认为拥塞状 况是由b 方的最高层数据流所致，因此要先丢弃b 方的i + l 到j 数据层以体现子网内的 公平性。如果两个子网s 1 和s 2 均拥塞，且s l 撼 i t 则相对增加t 的值，使得拥有高数据层的接收方先丢弃数据层以保持子网内的公平 性。 1 4 特刚i ：连续媒体多点捕放的质量适心机制研究 一_ - - _ ，- 一 s t e p 2 ，若一段时间内，s a 收到于网中n c 个拥塞消息，且n c n ( n 为子网中接收者总数) 人丁一fj 槛值，便通知i a 该子网拥塞。 s t e p 3 若一段时间内i a 收到多个s a 的拥塞报告c o n g ( s l m a x ) ，则比较各s l m a x 的值，值 较小者所对戍的子网在丢弃数据层上优先级较低，丁是发送d r o p 消息给s l m a x 值较 人者所对应的子网，强制那些子网内的接收方先丢弃高层数据以体现子网间的公平 性。若i a 同时收剑f a il ( i ，t 消息，则通知域中各接收方更新它们的t 乞值。同 时若接收方当前接收层数为i 一1 ，且处ru n l o a d e d 状态，则把6 值苴为0 。 s t e p 4 若接收层数为i 的接收方处丁c o n g e s t e d 状态且6 t 0 ，或者侦昕剑d r o p ( i ) 消息， 则丢齐第i 数据层( 即最高数据层) 。 2 3 3 算法举例及分析 幽2 2 所示为网络的一部分，属丁两级代理结构。整个结构划为一个域，域中有四 个子网。其中r o u t e r 表示路由器，i a 表示中间代理，s a 表示子网代理。这里假设中间 代理的功能由某一特定路由器来完成，子网代理的功能由子网中某一特定接收方来完 成。 i )若某一时刻r l 请求增加第2 层，由丁s l d 乩= 2 ，丁- 是请求成功而且不会影响任何其 他接收方。 2 )若某一时刻r l 、r 2 、r 3 均发生拥塞，则增人r 1 的他值，使得r 2 、船先丢弃第2 层来保持子网的公平性，同时保证每个接收方都得到最低限度的服务质量。 3 )若某一时刻r 2 请求增加第3 层，则发送a d d r e q ( 3 ) 给s a i ，s a l 义告知i a 。当r 2 收到麻答后增加第3 层时，导致子网n 2 发生了拥塞，丁：趄s a 2 发送t o n g ( i ) 给i a 。 同时s a i 发送f a i l ( 3 ) 给i a