（计算机科学与技术专业论文）面向流媒体传输研究的模拟器设计与实现.pdf

国防科学技术大学研究生院硕+ 学位论文 摘要 当前如何支撑大规模流媒体的传输已经成为互联网研究的热点。流媒体传输 不但涉及网络层、传输层和应用层的多种技术，而且受到用户行为、i s p 策略及 i c p 的服务器部署等因素的影响。由于互联网行为复杂难以刻画，因此采用模拟 的方法对支撑互联网大规模流媒体传输的技术进行研究已经成为主流。 目前的网络模拟器，如n s 2 ，难以针对流媒体传输的特点模拟大规模网络的 行为，而且难以建立p 2 p 、c d n 等多种场景对各种算法进行模拟。为了支持对 互联网流媒体传输的研究，我们基于p y t h o n 实现了s t r e a m s i m 模拟器原型。该 模拟器基于事件驱动模型，支持对多种场景的模拟，为流媒体传输研究提供了新 的手段和工具。本文的主要工作和创新点包括： ( 1 ) 研究了互联网中用户、网络和服务器等节点的行为特征，针对用户行 为特征提出了用户满意度模型；通过将网络和节点分别抽象为控制系统，提出两 种模拟网络行为的方法。 ( 2 ) 基于上面研究的模型和方法，设计了s t r e a m s i m 模拟器的总体框架。 对模拟器中关键类的实现及重要数据结构进行了详细的剖析。在此基础上，提出 了基于事件驱动模型的s t r e a m s i m 模拟器工作流程。 ( 3 ) 针对课题组提出的支持流媒体传输的e d g e t o e d g e 模型，利用s t r e a m s i m 模拟器设计了模拟场景，并对网络边缘部署的c a c h e 容量，带宽利用效率以及用 户启动延时等参数之间的关系进行了模拟，验证了e d g e t o e d g e 模型的有效性。 综上所述，本文面向流媒体传输研究设计了s t r e a m s i m 模拟器，并在具体的 研究中得到了实际应用。 主题词：互联网，流媒体传输，模拟器，e d g e t o - e d g e 网络传输模型 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，l o t so fs t u d i e sf o c u so nh o wt os u p p o r tt h el a r g es c a l es t r e a m i n g m e d i ad i s t r i b u t i o ni ni n t e m e t n o to n l yt h et e c h n i q u e so fn e t w o r kl a y e r , t r a n s p o r t l a y e ra n da p p l i c a t i o nl a y e ra r ei n v o l v e d ，b u ta l s ot h ef a c t o r so fu s e ra c t i o n s ，i s p p o l i c i e sa n di c ps e r v e r s d e p l o y m e n ta l le f f e c to ns t r e a m i n gm e d i ad i s t r i b u t i o n i t s c o m p l e xa n dd i f f i c u l tt oc h a r a c t e r i z et h ea c t i o no fi n t e m e t ，s ou s i n gt h es i m u l a t i o n m e t h o dt os u p p o r tt h ei n t e m e tl a r g e - s c a l es t r e a m i n gm e d i at e c h n o l o g yr e s e a r c hh a s b e c o m em a i n s t r e a m t h ec u r r e n tn e t w o r ks i m u l a t o r ss u c ha sn s 一2 ，i sd i f f i c u l tt os i m u l a t et h eb e h a v i o r o fl a r g e - s c a l en e t w o r kf o rt h es t r e a m i n gm e d i ad i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，a n da l s o d i 伍c u l tt oe s t a b l i s hl i k ep 2 p ，c d nav a r i e t yo fs c e n a r i o st os i m u l a t eav a r i e t yo f a l g o r i t h m s w eu s ep y t h o nt ow r i t eas i m u l a t o rc a l l e ds t r e a m s i mt os u p p o r to u r r e s e a r c ho ns t r e a m i n gm e d i ad i s t r i b u t i o ni ni n t e r n e t o u rs i m u l a t o ri sb a s eo ne v e n t d r i v e na n ds u p p o r t ss e v e r a lo fn e t w o r kd i s t r i b u t i o nm o d e l s ，a n dh a sp r o v i d e dn e w m e a n sa n dt o o l sf o rt h er e s e a r c ho ns t r e a m i n gm e d i ad i s t r i b u t i o n t h em a i nw o r ka n d c o n t r i b u t i o n so ft h ed i s s e r t a t i o na r e ： ( 1 ) w ea n a l y z et h eb e h a v i o rc h a r a c t e ro ft h eu s e r ，t h en e t w o r ka n dt h es t r e a m i n g m e d i as e r v e ri ni n t e r n e t b a s eo no u rr e s e a r c h ，f o rt h eu s e rb e h a v i o rc h a r a c t e rw e p r o d u c e t h eu s e rs a t i s f a c t i o nm o d e l ”f o rt h en e t w o r kb e h a v i o rc h a r a c t e r , w e p r o d u c et w ok i n d so fs i m u l a t i o nm e t h o db ya b s t r a c t i n gt h en e t w o r ka n dn o d ea st h e c o n t r o ls y s t e mr e s p e c t i v e l y ( 2 ) b a s eo nt h ea b o v er e s e a r c ho ft h em o d e l sa n dm e t h o d s ，w ed e s i g nt h e f r a m e w o r ko ft h es i m u l a t o ra n da n a l y z et h ek e yc l a s s e sa n dt h ei m p o r t a n td a t a s t r u c t u r e b a s eo nt h e s ew ea n a l y z et h es t r e a m s i m sw o r kp r o c e s sw h i c hi sb a s eo n e v e n td r i v e nm o d e l ( 3 ) e d g e - t o - e d g em o d e lw h i c hi sp r o d u c e db yo u rg r o u ps u p p o r ts t r e a m i n gm e d i a d i s t r i b u t i o na n dw eu s es t r e a m s i ms i m u l a t o rt od e s i g ns i m u l a t i o ns c e n e w es i m u l a t e t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec a c h ec a p a c i t yw h i c hi sd e p l o y e da te d g en e t w o r k ， b a n d w i d t hu t i l i z a t i o na n du s e r s t a r t u pd e l a ya n dv e r i f yt h ev a l i d i t y o ft h e e d g e - t o e d g em o d e l a c c o r d i n gt h ec o n c l u s i o no ft h ep a p e r , w ed e s i g nt h es t r e a r n s i ms i m u l a t o rw h i c h i ss u p p o r tt h es t r e a m i n gm e d i ad i s t r i b u t i o na n do u rs i m u l a t o rh a sl o t so fa p p l i c a t i o ni n o u rr e s e a r c h k e yw o r d s ：i n t e r n e t ，s t r e a m i n gm e d i ad i s t r i b u t i o n ，s i m u l a t o r 。e d g e - t o e d g e 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 n e t w o r kdi s t r i b u t i o nm o d e i 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院硕+ 学位论文 表目录 表2 1 流媒体传输技术比较2 1 表3 1 用户交互动作概率2 3 表3 2 用户观看记录格式2 4 表3 3 用户行为特征模型2 5 表3 4 两种网络模拟方法参数值31 表3 5网络模拟的两种方法的性能3 2 表4 1 事件结构3 7 表4 2 请求结构3 8 表4 3 媒体对象结构。3 8 第1 l i 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 图目录 图1 1 流媒体系统结构小2 图1 2 基于发送端的拥塞控制体系结构3 图2 1 代理型应用层组播1 1 图2 2p 2 p 网络15 图2 3 p a t c h i n g 技术1 6 图2 4 代理辅助的前缀缓存p a t c h 技术17 图2 5p 2 c a s t 技术。17 图2 6 c d n 网络l9 图3 1媒体下载和播放速率函数图2 3 图3 2 用户动作2 4 图3 3用户观看记录2 4 图3 4 互联网i s p 域2 9 图3 5 将网络看出一个控制系统的模拟方法3 0 图3 7网络节点模拟方法。3 2 图4 1s t r e a m s i m 总体设计框架3 7 图4 2s t r e a m s i m 工作流程图3 9 图4 3 事件结构模型4 0 图5 1 e d g e - t o - e d g e 的网络传输模型5 0 图5 2e d g e - t o - e d g e 传输的数据交互过程5 2 图5 3e n i 的c a c h e 缓存。5 3 图5 4c a c h e 容量增长趋势。5 3 图5 5e n i 资源发现5 4 图5 6 节省流量与c a c h e 大小关系5 5 图5 7 流量节省与用户启动延时性能分析5 6 第1 v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：亘自速搓体笾捡珏究鲍搓挞墨遮盐皇塞理 学位论文作者签名：笪主煎 日期：矽口7 年l 月日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阕；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文作者签名：望豆芨 作者指导教师签名：孑4 芏厦! = i 日期：加口7 年17 月；l e t 日期：吖年f 叫日 f 国防科学技术大学研究牛院硕士学位论文 第一章绪论弟一早三百y 匕 近十年来，互联网技术得到了飞速的发展。人们对视频会议、视频点播、远 程教学、在线游戏等应用的需求越来越广泛。互联网已经从过去简单的数据传输 载体逐步发展成为支持语音和视频等流媒体传输的平台。如何有效支持大规模流 媒体传输已经成为互联网研究的热点。 1 1 研究背景 伴随互联网飞速发展，网络通信技术和多媒体技术相结合，产生了流媒体的 概念【l 捌，其技术受到业界广泛的关注。流媒体技术是指在互联网中怎样使用流 式传输技术传输连续的媒体数据，如：音频、视频等多媒体文件。一般情况下， 在互联网中存在两种流媒体传输模式，即下载模式( d o w n l o a da n dw a t c h ) 和流 模式( c l i c ka n dw a t c h ) 。在下载模式中，用户必须将整个媒体对象下载至本地 主机才能够播放，这对想及时播放的用户来说是不可接受的。在流模式下，用户 不用将整个媒体对象下载就能够及时播放，是一种边下载边播放的传输模式。用 户不必下载整个文件就能够播放，缩短了用户的启动等待时间。 互联网只提供尽力服务( b e s t e f f o r t ) ，缺乏足够的q o s 保障，因此设计流 媒体对象的相关机制和协议是一项具有挑战性的工作。为了更好的设计流媒体对 象的相关机制和协议，存在六个关键技术领域【3 】需要考虑，即视频压缩、应用层 q o s 控制、媒体传输连续性服务、流媒体服务器设计、媒体同步机制和流媒体相 关协议，如图1 1 1 3 j 所示。 第l 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 互联网 图1 1 流媒体系统结构 视频流体系结构包括流媒体服务器、用户和互联网三大部分。原始的视频或 音频数据经过一定的压缩处理后存储至流媒体服务器的存储设备。当流媒体服务 器接收到用户的请求后，将发送媒体数据至用户。在用户接收到数据之前，媒体 数据会经过流媒体服务器的应用层q o s 控制处理和传输层相关协议处理；互联 网流媒体传输连续性保障机制处理；用户的传输层相关协议处理、应用层q o s 控制处理、流媒体同步机制和解码处理后则能被用户播放。 1 ) 视频压缩 因为原始的媒体对象需要消耗很大的网络带宽，因此将媒体对象进行压缩处 理能够很大程度的提高传输效率，节省网络带宽消耗。支持流媒体应用的视频编 码技术大致分为两类：单码率和可伸缩性编码。在单码率编码中，服务器始终以 单一比特流的方式向所有接收者发送流媒体数据。这种编码方式控制粒度较粗， 公平性较差，而且容易发生网络拥塞。而可伸缩性编码方式能处理网络带宽抖动 一j ，适应网络异构的特性。该编码方法的核心思想是将视频内容分为多个互不相 交的视频层，用户只需要接收一定数量的视频层，就能解码还原到视频画面，而 质量取决于接收视频层的数量。这样不同的用户就能够根据自己的网络状况选择 接收视频层的数量。 2 ) 应用层拥塞控制 应用层拥塞控制的目标是避免拥塞和在出现报文丢失时最大化媒体播放质 量。其相关技术主要包括：拥塞控制和容错控制。拥塞控制主要由速率控制、和 速率整形技术实现【5 】。速率控制可以由发送端或接收端单独实现，也可以由二者 的混合联合进行控制。下副3 j 是基于发送端的拥塞控制体系结构。 第2 页 国防科学技术大学研究牛院硕十学位论文 图1 2 基于发送端的拥塞控制体系结构 速率整形的目标是使媒体数据的实际发送速率同系统目标速率向匹配。因为 媒体数据的实际发送速率可能同网络的可用带宽不匹配。速率整形主要是通过多 种类型的过滤器来实现，例如，频率过滤器、帧丢失过滤器等。过滤器的使用能 更好的节省网络资源，提高用户满意度，并减小网络异构带来的各种问题。容错 控制机制主要包括：f e c l 5 1 、重发机制、容错编码【6 】、错误隐藏等。 3 ) 媒体传输连续性服务 网络给予足够的支持对提高流媒体服务质量十分关键，因为它能减少传输延 时和报文丢失率。媒体连续性服务的设计目标是在只提供尽力服务的互联网环境 下为q o s 和有效传输提供保障，涉及到的技术包括：网络过滤、应用层组播和 内容复制。网络过滤的目标是在网络发生拥塞时还能够保证流媒体服务的质量。 部署在服务器端的过滤裂7 】能够根据网络的拥塞状况调整媒体的发送速率。服务 器本身的事务处理负载十分繁重，因此服务提供商不愿再将网络过滤的功能部署 在服务器上而将网络过滤的功能部署在网络上。其中路由器节点负责进行报文的 转发，过滤功能由f i l t e r 节点实现。网络过滤器的使用能够给流媒体传输的质量 提供保障，进一步还能够提高网络带宽的利用率。 应用层组播是由参与的终端节点构成一个逻辑覆盖网络( o v e r l a yn e t w o r k ) ， 在覆盖网络上建立组播树结构，实现组播功能。在应用层组播的实现过程中，对 目标主机的查询、对数据的打包、数据包的转发和接收工作都在终端节点的应用 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕+ 学位论文 层完成，屏蔽了物理底层的细节。由于应用层组播具有屏蔽物理底层细节的特性， 因此它能让内容提供商、网络提供商或是企业建立他们自己的组播网络。关于应 用层组播的相关细节将在下文介绍。 内容复制对节省网络带宽，减轻服务器负载，提高用户满意度，增强网络扩 展性和可靠性都十分有意义。内容复制可通过部署缓存( c a c h i n g ) 【8 1 或者镜像 ( m i r r o r i n g ) 方法实现，部署者既可以是网络提供商也可以服务提供商。部署缓 存和镜像的目的是将内容复制拉向用户端。镜像技术是将源服务器的一份拷贝分 散在网络各处。用户能够访问离他最近的镜像获取数据。镜像技术存在几个缺点， 如建立镜像的代价高昂、镜像的管理流程复杂等。缓存技术是指某个用户请求的 内容会在本地进行缓存，当其他临近用户请求相同的内容时，由本地缓存发送请 求内容，而不用加重源服务器的负载。通过这种共享c a c h e 的技术，能有效减轻 源服务器的负载和节省网络带宽。 4 ) 流媒体服务器设计 流媒体服务器在流媒体服务提供体系中占据十分重要的一环。为了提供高质 量的流媒体服务，流媒体服务器应该能够即时响应用户请求，且能为用户提供如 暂停、快进、快退等交互操作。传统的流媒体服务器由三个子系统组成：外连交 互系统、服务器操作系统和存储系统【9 , 1 0 。外连交互系统包括在服务器上部署应 用层和传输层协议。通过此系统服务器能够响应客户的请求。服务器操作系统与 传统的操作系统不同，它对流媒体应用的实时要求能提供较好的保障。存储系统 能存储海量的流媒体数据。 5 ) 媒体同步机制 流媒体应用与其它应用的一个显著区别是各种媒体流必须保持同步。例如在 远程视频教育中，视频流必须和音频流同步播放。媒体数据的同步存在三种级别： 流内同步、流间同步和对象间同步。流内同步是指连续的媒体数据或者时间相关 的数据在同一个流内，因此这些有逻辑关系的数据必须保持同步，否则媒体流的 播放会因为数据间隙而出现中断。流间同步是指不同的流之间必须保持同步，例 如要保证音频流和视频流的同步，否则用户看到的画面内容和听到的音频内容就 会失调。有时间相关的文本甚至图像等数据的集合称为一个对象。对象同步体现 了与用户的交互性，如在用户反复播放感兴趣内容或快速跳过不感兴趣内容，对 象间都要应保持同步。 6 ) 流媒体相关协议。 流媒体相关协议的设计是为了更好地控制传输节点间的通信。包括路由协 议、传输控制协议和会话控制协议。例如网络层的i p 协议、传输层的t c p u d p 协议、会话层的实时流控协议( r t s p ) t t t l 。 2 0 0 9 年课题组承担了国家重点基础研究( 9 7 3 ) 计划中的“大规模流媒体高 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕+ 学位论文 效传输控制课题 ，该课题主要面向互联网上当前海量流媒体传输要求，研究支 撑大规模流媒体数据分发的理论方法和机制。即研究互联网如何为流媒体应用提 供高效的媒体传输连续性服务。为了评估网络过滤、应用层组播和内容复制等机 制及关键算法的有效性，迫切需要一个支撑流媒体传输技术研究的模拟工具。本 文在此背景下展开研究。 1 2 面向流媒体传输的模拟技术 流媒体播放包括实时方式和顺序方式【l2 1 。实时传输方式要求媒体传输带宽 与网络可用带宽匹配，因此媒体可被实时观看。这种数据传输方式适合现场事件， 支持用户的随机访问或快进快退操作，但它需要专业的流媒体服务器和传输协 议，当网络可用带宽与媒体传输带宽不匹配或网络出现拥塞时，视频质量会大幅 度下降。顺序传输方式是用户在下载文件的同时在线观看媒体，但用户只能观看 已下载的那部分数据。这种传输方式不像实时传输方式须在传输期间根据用户的 可用带宽做速率调整，因此它适合高质量的短片段。顺序方式边下载边观看，因 此对于已经下载下来的媒体数据能够保证观看质量，但同时它也会由于用户带宽 的不同而产生不同时间长短的启动延时，特别在网络带宽小于媒体播放速率的情 况下，媒体播放的抖动非常大。 不论采用哪种播放方式，都必须考虑流媒体传输的以下特点【1 3 , 1 4 】： 1 ) 流媒体对象比传统的w e b 对象要大几个数量级。用m p e g 4 编码的- d , 时时长的视频至少要1 g b 的存储空间。这就限制了存储到缓存服务器( 如c d n 服务器) 上的媒体对象的数量，造成很低的请求命中率，不但会造成“颠簸”现 象，还会导致很大的启动延迟。 2 ) 流媒体服务的持续时间一般较长，整个会话期间对播放的连续性和实时 性都有很高的要求。这对当前的只提供尽力服务的因特网来说是一个很大的挑 战。 流媒体数据传输还包括需要数据的同步，实时性高，需要较好的用户交互性 支持，以及传输占用网络资源多等特点。此外，已有的研究表明，大部分的流媒 体对象都只有其中的小部分被用户观看【1 5 , 1 6 j ，因而传统静态的页面缓存技术来缓 存整个流媒体对象会浪费很大的空间和不必要的网络流量。 由于互联网广泛部署新技术比较困难，因此系统模拟是目前在大规模流媒体 传输研究中采用的主要手段。目前在网络研究中广泛使用的模拟工具包括n s 2 1 1 7 l 和o p n e t 等。n s 2 是一种面向对象的，离散事件驱动的网络环境模拟器，它推 出时间较长，本身涵盖的网络模型和协议非常丰富，支持在无线或有线网络上模 拟t c p i p 、路由、组播等多种协议。o p n e t 也是一个面向对象的离散事件模拟 第5 页 国防科学技术大学研究牛院硕+ 学位论文 器，它的核心是一个离散事件模拟器，所以它可以适用于任何离散事件的系统， 如通信网络、事件队列处理、多处理器、分布式系统，甚至是游戏。 然而现有的网络仿真和模拟工具，如上述n s 2 或o p n e t 1 8 j 等，更多用于 网络技术本身( 如网络层的路由计算方法和传输层的拥塞控制机制) 的模拟，不 但在描述应用数据内容属性上缺乏手段，难以通过扩展对流媒体对象的特点和用 户的行为进行描述，而且难以根据大规模流媒体传输实验需求，构造出包括 p 2 p t l 9 捌、c d n t 2 1 1 、o v e r l a y t 2 2 】组播或其它自定义的应用场景，因此难以支撑互联 网大规模流媒体数据分发研究的需求。 通过调研，我们发现，在大规模流媒体传输研究中，目前还没有出现一个得 到公认的、被广泛使用的模拟工具。因此本文重点研究面向流媒体传输的模拟器 的设计。 1 3 本文的工作 本文研究分析了流媒体传输的特点及其相关技术，为设计通用的、面向流媒 体传输的模拟器提供了理论指导。本文的主要工作包括： ( 1 ) 研究了互联网中用户、网络和服务器等节点的行为特征。针对用户行 为特征提出了用户满意度模型；通过将网络和节点分别抽象为控制系统，提出两 种模拟网络行为的方法。 ( 2 ) 基于上面研究的模拟和方法，设计了s t r e a m s i m 模拟器的总体框架。 对模拟器中关键类的实现及重要数据结构进行了详细的剖析。在此基础上，提出 了基于事件驱动模型的s t r e a m s i m 模拟器工作流程。 ( 3 ) 针对课题组提出的支持流媒体传输的e d g e - t o e d g e 模型，利用s t r e a m s i m 模拟器设计了模拟场景，并对网络边缘部署的c a c h e 容量，带宽利用效率以及用 户启动延时等参数之间的关系进行了模拟，验证了e d g e - t o e d g e 模型的有效性。 当然，由于流媒体传输对象大、传输时间长、用户访问行为难以刻画，而且 目前互联网上流媒体传输的解决方案也多种多样，因此设计通用的、面向流媒体 传输的模拟器具有很大的挑战性。本文的工作只是这方面的探索，还有很多具体 的方法需要研究，我们设计的s t r e a m s i m 模拟器也需要不断的完善和改进。 1 4 本文的组织内容 论文总共分为六章，各章内容组织如下： 第一章介绍本课题的有关背景知识和论文的主要工作。 第二章介绍流媒体传输的相关技术，包括组播技术、p 2 p 技术、p a t c h i n g 技 第6 页 国防科学技术大学研究牛院硕士学位论文 术和c d n 技术。 第三章研究了流媒体传输系统中用户行为，网络以及流媒体服务器的行为特 征，并提出了相关行为特征模型。 第四章介绍了s t r e a m s i m 系统模拟框架及实现流程。同时，对s t r e a m s i m 的 关键数据结构及代码进行了分析。 第五章介绍了e d g e - t o - e d g e 网络传输模型的设计思想及原理。同时，对 s t r e a m s i m 模拟e d g e - t o e d g e 网络性能进行了分析。 第六章为总结和展望。 最后是结束语和致谢。 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学伶论文 第二章流媒体传输相关技术 面向流媒体传输研究的模拟工具设计必须考虑能够很好的在支持当前各种 主流的流媒体数据分发技术，包括组播、p 2 p 、p a t c h i n g 和c d n 等。本章首先对 这几类技术的基本原理进行简要介绍，最后对各类技术的主要特点和模拟要求进 行分析和比较。 2 1 组播技术 目前面向流媒体传输的组播解决方案有i p 组播【2 3 】应用层组播两种。i p 组播 是d e e r i n g 博士于1 9 8 8 年首次提出的，t fr f c1 l1 2 描述和定义了i p 组播的 业务提供方式和形式，成为i p 组播的业务模型标准。主机组( h o s tg r o u p ) 是 i p 组播概念的核心，它由多个“共同兴趣的主机组成并由i p 组播地址标识， 以组地址为目的地址的组播报文被以“尽力转发”方式传输给主机组中的各个成 员主机。组播路由和转发控制功能由路由器承担。 目前i p 组播主要有a s m ( a s m a n ys o u r c em u l t i c a s t ) 模型和s s m ( s o u r c e s p e c i f i cm u l t i c a s t ) 模型。应用层组播包括主机型应用层组播【2 4 】和代理型应用层 组播。 2 1 1a s m 组播模型 任意源组播模型由i e t fr f c l1 1 2 对其进行了描述和定义，被称为标准i p 组 播模型或主机组( h o s t g r o u p ) 模型。 a s m 模型具有以下5 个特点： ( 1 ) 开放组：不限制主机产生组播组、不限制向组内发送数据、不限制接收组 内的数据。源只要知道组地址，就可以在任意时刻开始发送组播包；接收主机 只要知道组地址，即可加入组成为组成员并接收组播流量；( 2 ) 动态组成员： 组成员定义为组的接收主机，主机可以随时加入、离开组；( 3 ) 匿名性：源主 机与组成员之间是匿名的，源不了解单个组成员的情况，组成员也不知道源在何 处，不能识别组播流是否为真正的源发出的；( 4 ) 可以存在多个组播源，源主 机不必是组播组员；( 5 ) 不可靠：基于u d p ，以尽力服务( b e s t e f f o r t ) 方式分发 组播包。 组播路由协议是i p 组播协议体系中最核心的部分。a s m 的路由协议分为域 内( i n t r a - d o m a i n ) 和域间( i n t e r - d o m a i n ) 路由协议。 第8 页 国防科学技术大学研究牛院硕七学位论文 最初的m 组播路由协议将网络看成没有层次结构的平面网络，因而路由协议 只能应用在i p 网络的路由自治域内，称为域内组播路由协议。早期的域内组播 路由协议包括d v m r p ( d i s t a n c ev 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 ) 、 m o s p f ( m u l t i c a s te x t e n s i o n st oo s p f ) 等。由于这些协议可扩展性较差，以及依赖于特定 的单播路由协议，逐步被淘汰。后来研究提出的基于核心树的组播路由协议 ( c b t ) 。c b t 协议使用双向共享树，双向共享树以某个核心路由器为根，允 许组播信息在两个方向流动，提高了组播的可扩展性，但c b t 导致核周围的流 量集中，网络性能下降，因此c b t 并没有被广泛应用，至今几乎没有已实现的 c b t 网络。目前常采用的域内组播路由协议主要是p i m d m ( p r o t o c o li n d e p e n d e n t m u l t i c a s t d e n s em o d e ) 和p i m s m 。 域间组播路由协议解决大型、分层结构网络的组播路由问题。域间组播是被 处于域边界的路由器使用的，他使组播数据可以跨域传输。目前业界支持较广的 域间组播路由协议是m b g p p i m s m m s d p 三个协议结合的方案，由p i m s m 负 责域内的组播转发树构建，m b g p 负责传递不同a s 间的组播路由信息，m s d p 负责传递不同域内的组播源通告信息。 2 1 2s s m 模型及其相关协议 由于a s m 在可扩展性、组管理、安全性、组地址冲突、难于域间部署等方 面的缺陷，组播技术的研究和实施一度进入困境。随着对i p 网络组播研究的深 入，业界普遍认识到仅仅依靠a s m 模型无法很好地支持所有的组播应用。由于 大量的、可以预见的组播应用是源节点可以确定的应用。由此，h h o l b r o o k 等 于1 9 9 9 年提出了特定源组播模型。并于2 0 0 1 年形成特定源组播s s m 协议的 i n t e m e td r a f t ，以有效支持单源组播应用。 s s m 采用了严格的一到多业务模型，它保留了传统p i m s m 模式中的主机显 式加入组播组的高效性，但跳过了p i m s m 模式中的共享树和r p 规程，是一种 区别于a s m 的新的i p 组播业务模型，它使用( s ，g ) 对来标识一个组播会话，其 中s 表示发向组播组g 的特定源的i p 地址( 数据发送源) ，g 表示一个i p 组播组 地址，s s m 的一个( s ，g ) 对也被称为一个频道( c h a n n e l ) ，以区分a s m 中的组播组。 s s m 可直接支持域问组播路由，s s m 的频道的信息通过某种方式( 如w e b 页 或目录服务等) 向接收者公布。接收主机得知活动的s s m 频道后，即可通过 i g m p v 3 ( 对i p v 4 网络) 或m l d v 2 ( 对i p v 6 网络) 消息报告对该频道的兴趣。通过 i g m p v 3 或m l d v 2 ，该主机的d r ( 指派路由器) 可以知道主机对该频道的兴趣， 然后，d r 向到源s 的最短路径方向发出( s ，g ) j o i n 消息并在沿途的路由器建立相 应的( s ，g ) 状态，从而建立一个以s 为根，通向各个接收方的单向s p t ，由s 发 出的组播流量将沿该树传送到接收方。目前支持s s m 的模型的组播路由协议是 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 p i m s s m ，它作为与p i m s m 一个相兼容的扩充部分而存在。 s s m 的设计主要支持单源组播应用，不能直接支持多对多的组通信应用。由 于a s m 的困境和s s m 的优良特性，业界许多专家认为，应跨越目前的a s m 模 型和协议，探索在s s m 协议下支持多源组播通信，或改造s s m 模型和协议，建 立新的a s m 模型及相关协议，使其直接支持多源组播功能。多频道s s m ( m u l t i c h a n n e ls s m ，m c s s m ) 的思想是通过多个单源组播频道来支持多源组播 应用。组播应用的接收者须用j o i n 消息加入多个频道，以建立以每个组播源为 根的组播分发树。 会话中继s s m ( r e l a y b a s e ds s m ，r b s s m ) 的思想是采用类似p i m s m 的中 继转发机制，每个发送者利用隧道将组播流发送到汇聚点l i p ，所有的接收者须加 入频道 ，以便从这一公共频道接收组播包。这些协议或方案仍存在可扩 展性差、源发现机制复杂、数据包时延大、单点失效、安全性差等重要缺陷。基 于s s m 设计出简单、可扩展、高效、安全的多源通信模型和协议是目前尚未解 决的关键问题之一。 与a s m 相比，s s m 体系结构简单，易于管理维护；频道( c h a n n e l ) 概念的引 入，解决了组地址冲突问题；其组播树都是以源为根的最短路径树，摆脱了对汇 聚点( r p ，r e n d e z v o u sp o i n t ) 的依赖，可以直接支持跨域组播；部分解决了访问控 制问题，只有特定的源才能向频道发送数据，位于不同子网的假冒源发出的数据 直接被丢弃。 2 1 3 应用层组播模型 i p 组播发展和部署走入困境，特别是域间i p 组播问题【2 5 】尤为突出。研究者 开始反思i p 组播体系结构自身的问题，提出主机型应用层组播。主机型应用层 组播是在成员主机之间建立以口网络为基础的覆盖网络，组播路由控制和数据 转发均由成员主机完成。这种思想的提出体现了对端到端思想拉6 j 的认识。 代理型应用层组播是以主机型应用层组播为基础提出来的，它能够更好的提 高组播传输的稳定性和规模可扩展性。目前，对代理型应用层组播的研究主要集 中于提出可行的体系结构并给出该体系结构下的组播覆盖网拓扑构造方法。典型 的代理型应用层组播体系结构有o v e r c a s t 2 7 1 、r m x l 2 引、a m c a s t l 2 9 1 、s c a t t e r c a s t t 3 0 1 、 o m n i 31 】和t o m a l 3 2 1 等。 第l o 页 国防科学技术大学研究生院硕+ 学位论文 o v e r i a y 代理 。路由器 。终端节点 o v e r l a y 虚拟连接 一网络物理连接 图2 1 代理型应用层组播 如图2 1 所示，代理型应用层组播通过部署专门的代理服务器来构建骨干覆 盖网，组播树在代理之间产生，用户节点通过与代理节点之间的单播或本地组播 来获得请求的媒体数据。 2 2p 2 p 技术 传统的c s 传输模式存在两个主要问提。一是随着用户数量增加，服务器资 源必需有相应的增加才能满足用户需求。二是随着用户数量的增加，单个用户获 得的服务质量下降。为了解决传统模式所带来的不便，使得流媒体技术能够应用 得更加广泛，p 2 p 传输模式产生。 2 2 1p 2 p 工作原理 p 2 p 提出了一种对等网络模型，在这种网络中各个节点是对等的，具有相同 的责任和义务，彼此互为客户端服务器，协同完成任务。对等点之间通过直接 互连共享信息资源、处理器资源、存储资源甚至高速缓存资源等，无需依赖集中 式服务器资源就可以完成。与传统的c s 模式形成鲜明对比。p 2 p 技术主要指由硬 件形成网络连接后的信息控制技术，表现形式在应用层上基于p 2 p 网络协议的各 种客户端软件。p 2 p 技术白面市以来一直受到广泛的关注。最近几年，p 2 p 技术 更是发展迅速。i b m 则对p 2 p 赋予了更广阔的定义，把它看成是由若干互联协作 的计算机构成的系统并具备如下若干特性之一：系统依存于边缘化( 非中央式服 务器) 设备的主动协作，每个成员直接从其他成员而不是从服务器的参与中受益； 系统中成员同时扮演服务器与客户端的角色；系统应用的用户能够意识到彼此的 存在而构成一个虚拟或实际的群体。 研究结果表明，p 2 p 模式通过新的算法调度，将流媒体服务器的资源做进一 第l l 页 国防科学技术大学研究生院硕+ 学位论文 步的合理利用。只用很少的用户终端直接连接服务器，俗称为“种子 ，而又通 过这些“种子 ，使得大量的用户可以共享各自之间的宽带资源，而运营商并不 承担这部分成本。因此，即使用户增加，服务器端的资源也几乎不用增加，这就 很巧妙的解决了上面提到的第一个问题。而当有大规模突发事件发生时，p 2 p 网 络可以自行扩张，这是由于p 2 p 网络最根本的特性是用的人越多，效果越好，人 越多，共享的数据的可能性越大，所以，自然也就解决了第二个问题。因此一些 专家学者认为，从技术上来讲p 2 p 网络视频传输模式是一个突破性的新技术，将 互联网的多媒体化变为现实。 p 2 p 流媒体技术是一种低成本高效率的流媒体传输技术。他充分利用用户的 闲置上行带宽来协助服务器分发流媒体内容。在p 2 p 模式下，并非所有的客户端 都从服务器获取媒体数据，客户端也连接其他客户端来获取媒体数据，因此在增 加用户的同时无须相应增加服务器和带宽，从而大大降低了服务器的负载和带宽 占用。 p 2 p 技术是分布式计算的重要发展方向，是未来高速网络中内容分发的基础。 p 2 p 技术的优势在于最大限度的利用数据分发体系中每一个节点的资源，分解了 服务器的负担，提高了数据分发的效率、稳定性、可扩展性。可以实现快速并且 低成本的将数据分发到大量节点。 将流媒体技术和p 2 p 技术两者相结合，构成了可持续发展的网络服务一p 2 p 流 媒体。 ( 1 ) 非集中化：网络中的资源和服务分散在各个节点上，信息的传递和服 务直接在节点之间进行，可以完全不需要服务器的介入，消除了中心化可能产生 的瓶颈。p 2 p 非集中化的基本特点带来了其在可扩展性、健壮性、隐私保护等方 面的优势。 ( 2 ) 可扩展性：在p 2 p 网络中，用户可以随时加入，随时退出。在加入的时 候，不仅服务的需求增加了，系统整体的资源和服务能力及其性能等方面也在同 步地增加，p 2 p 网络却能始终较容易地满足用户的需要。在退出的时候，以往的 服务模式下，服务的提供者突然退出，导致有的资源短缺，甚至完全瘫痪。而p 2