（计算机应用技术专业论文）基于应用层组播的流媒体直播系统的研究.pdf

基丁应用层组播的流媒体直播系统的研究 摘 近年来，随着i n t e m e t 的迅速发展和普及， 视频会议、网络视频直播、多媒体远程教育、 蕾e ；c 在i n t e m e t 上产生了诲多新的应用，例如网络 远程会诊等，这使得带宽急剧消耗，带来了 网络拥挤问题。为了缓解网络瓶颈，人们提出了i p 组搔和应用层组播技术，i p 组播由路由 器来构造组播转发树，当数据包从树的根结点器p 数据源发出后，数据包沿着转发树在不同 的结点路由器上进行分发，晟后到达每个接收终端。应用层组播将组播功能从路由器转移 到端系统，由端系统完成所有组撵组通讯的功能，部署更容易，可以支持大量的组，扩展 性好，可以很好的解决组播组地址分配不足的问题，为组播的大范围开展与应用开辟了新 的途径。 本文在对现有应用层组播进行了深入研究，主要研究内容和创新工作分为如下几个方 面： ( 1 ) 深入研究现有的应用层组播协议，飚前应用层组播协议的实现方法分为网状拓 扑优先方法、树状拓扑优先方法以及隐式方法三大类。针对面向流媒体的直播系统的应用 背景，重点分析了基于隐式方法的应焉层组播一马晕兰大学提出的n i c e 。马景兰大学的 n i c e 协议是一种可扩展的应用层组播协议，主要针对大量接收者的低带宽、数据流应用， n i c e 在扩展性、低延时和健壮性等方面都能满足大规模流媒体传输的需要。 ( 2 ) 针对网络异构性问题对n i c e 做了改进，主要方法是提出了带宽约束模型，对于 改进后的拂议进行了详细的设计和分析。 ( 3 ) 应用n s 2 对所改进的协议进行了仿真，仿真实验分为两个方面，一是仿真考查 改进后协议的组播树的相对延时代价，二是仿真比较改进后的协议和n i c e 的最大延时，平 均延时及二者的伸展度比率，仿真结果表明随着群规模的不断扩大，改进后协议的优越性 越明显。 ( 4 ) 设诗实现了基于应用层组撩的流媒体直播系统，系统主要包括流媒落服务器、 组播数据源，汇聚点，客户端四部分。而各个主要功能模块都在客户端实现，在客户端主 要实现用户管理模块，组搔管理模块，流媒体数据处理模块，流媒体数握接收转发和传输 模块，控制报文传输等。该系统能够为大规模用户提供实时多媒体数据传输服务。对系统 及其各个功能模块进行了测试和评价，主要测试内容包括组播组的创建，组播组的加入和 逐出以及结点失效的处理，测试结果表明系统基本达到了设计要求。 关键词：应用层组播，n i c e ，网络异构性，流媒体 罄- j - ! z t - f f 詹至j t s f f f w , j 讥淋件且何尔巩玎v 彬f 九 a b s t r a c t w i t ht h eh i g h s p e e dd e v e l o p m e n ta n dp o p u l a r i z a t i o no fi n t e r n e tt e c h n o l o g y , al o to fn e w a p p l i c a t i o n sa p p e a r m a n yo ft h e m ，s u c h 嬲t h en e t w o r kv i d e of r e q u e n c yc o n f e r e n c e ，t h e a o d n o d 、s t o c km a r k e tq u o t a t i o ni s s u e ，t h em u l t i m e d i ad i s t a n c el e a r n i n g 、t h el o n g d i s t a n c e c o n s u l t a t i o nn e e d sh i g hb a n d w i d t hm u l t i m e d i a t h i s t y p eo fa p p l i c a t i o nh a v ec a u s e dt h e b a n d w i d t hc o n s u m es u d d e n l y i no r d e rt oa l l e v i a t et h en e t w o r kb o t t l e n e c k ，t h ep e o p l ep r o p o s e d t h em u l t i c a s tt e c h n o l o g y a tp r e s e n t ，t h es e r v i c em o d e lo fi pm u l t i c a s ta n dp r o t o c o lh a v es o m e d e f i c i e n c yw h i c hm a k ei tn o tb ew i d e l ya p p l i e di nt h ei n t e r n e t u n d e rt h i sc o n d i t i o n ，p e o p l e c h a n g et h e i rw o r kt or e s e a r c ht h en e wm u l t i c a s tf r a m e w o r k - - a p p l i c a t i o nl a y e rm u l t i c a s t a p p li c a t i o nl a y e rm u l t i c a s tc h a n g e sm u l t i c a s tf u n c t i o nf r o mr o u t e r s t o e n d s y s t e m s 。 e n d s y s t e mi st ob eu s e dt or e a l i z ea l lc o m m u n i c a t ef u n c t i o n so fm u l t i c a s tg r o u p ，f o re x a m p l e ， t h ec o n s t r u c t i o no fm u l t i c a s t t r e e ，c o p ya n dd i s t r i b u t eo fd a t ap a c k e ta n ds oo n 。m a n y d e v e l o p m e n tf a c i l i t i e sh a v ep r o p o s e dt h e i ro w na p p l i c a t i o nl a y e rm u l t i c a s ta g r e e m e n t t h ep a p e rs t u d i e sm o s to ft h ea p p l i c a t i o nl a y e rm u l t i c a s tp r o t o c 0 1 t h em a i n l yt a s k s i n c l u d e ： ( i ) w es t u d i e st h ep r o t o c o lo f a p p l i c a t i o nl a y e rm u l t i c a s t 。t h et y p e so ft h ep r o t o c o lo f a p p l i c a t i o nl a y e rm u l t i c a s ta r em a i n l yi n e l , 4 et h e m e s h ，t h e t r e e a n dt h ee s p e c i a l l o g i cf r a m e w o r k n i c ei sap r o t o c o lo fa p p l i c a t i o nl a y e rm u l t i c a s tb a s eo nt h ee s p e c i a l l o g i cf r a m e w o r k 。i ti sc a l lb eu s ei nt h es y s t e mo fl a r g e s c a l ev i d e ol i v i n gb r o a d c a s t 。 ( 2 ) t h e nw ei m p r o v e sn i c ep r o t o c o lb a s e do na n a l y z i n ga p p l i c a t i o nl a y e rm u l t i c a s t p r o t o c o ln i c e i tm a i n l ys o l v e dh o wt ob a s et h eh i e r a r c h ys e l e c tt h el e a d e ro ft h e g r o u pa n dh o w t h en o d e j o i nt h eg r o u pa td i f f e r e n tb a n d w i d t hc i r c u m s t a n c e ( 3 ) w e a n a l y z ei tb ys i m u l a t i o nw h i c hm a i n l yc a r r i e sw i t ht h en i c ep r o t o c o l 。f i r s t ，w e s i m u l a t et h em a x d e l a y ，a v e r a g ed e l a ya n dt h es t r e t c ho ft h en i c ea n dt h ei m p r o v e d n i c e ；t h e nw es i m u l a t et h er d po fi m p r o v e dn i c e t h er e s u l th a sc o n f i r m e di t sg o o d p e r f o r m a n c e 。 ( 4 ) a r c h e t y p a ls y s t e mi sd e s i g n e db a s e do nt h i sn e wp r o t o c 0 1 t h i ss y s t e mc a np r o v i d e s e r v i c eo fr e a l t i m em u l t i m e d i ad a t at r a n s m i s s i o nf o rt h el a r g e s c a l eu s e r i nt h i s s y s t e m ，w er e a l i z et h ec o n s t r u c t i o no fm u l t i c a s tg r o u p ，j o i na n dl e a v em u l t i c a s tg r o u p a n dt h ed i s p o s eo fn o d ef a i l u r e 。a tl a s t ，w et e s tt h ep e r f o r m a n c eo ft h i ss y s t e m 。a n dt h e t e s tr e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h ep r o t o t y p es y s t e mh a sa c h i e v e dt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s b a s i c a l l y k e yw o r d s ：a p p l i c a t i o nl a y e rm u l t i c a s t ；n i c e ；s t r e a m i n gm e d i a ；d i f f e r e n tb a n d w i d t h l l 曲阜师范大学博士硕士学位论文原创性说明 ( 在口划“ ) 本人郑重声明：此处所提交的博士口硕士日论文基于应用层组播的 流媒体直播系统的研究，是本人在导师指导下，在曲阜师范大学攻读博士 口 硕士留学位期间独立进行研究工作所取得的成果。论文中除注明部分外 不包含他入已经发表或撰写的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的 个人和集体，均已在文中已明确的方式注明。本声明的法律结果将完全由本 人承担。 作者签名：孙公日期：翮袅夕 曲阜师范大学博士硕士学位论文使用授权书 ( 在口划“”) 基于应用层组播的流媒体直播系统的研究系本人在曲阜师范大学攻读博 士口硕士留学位期间，在导师指导下完成的博士口硕士雷学位论文。本 论文的研究成果归曲阜师范大学所有，本论文的研究内容不得以其他单位的 名义发表。本人完全了解曲阜师范大学关于保存、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和 借阅。本人授权曲阜师范大学，可以采用影印或其他复制手段保存论文，可 以公开发表论文的全部或部分内容。 作者签名：否b 揍 嗍陟 友) 导师签名：商卞舍日期：二弼。孕，彩 基于应用层组播的流媒体商播系统的研究 1 - l 研究背景 第一章绪论 近年来，随着i n t e m e t 的迅速发展和普及，在i n t e m e t 上产生了许多新的应用，其中不少 是高带宽的多媒体应用，例如网络视频会议、网络音频视频广播、a o d n o d 股市行情发布、 多媒体远程教育、c s c w 协同计算、远程会诊等，这使得带宽急剧消耗，带来了网络拥挤 问题。为了缓解网络瓶颈，入们提出了组搔技术，臻组播技术有其独特的优越性。在维播 网络中，即使用户数量成倍增长，主干带宽也不需要随之增加。这个优点使它成为当前网 络技术中的一个研究热点。 1 9 8 8 年d e e r i n g 提出了将组播的功能机制增加到数据网i p 层的组播实现体系结构，这种 体系结构称为i p 组播( i pm u l t i c a s t ) 1 2 1 。i p 组播由路由器来构造组播转发树，当数据包从树 的根结点郎数据源发出焉，数据包沿着转发树在不同的结点路由器上进行分发，最后到达 每个接收终端，能有效地减少数据包的复制。 l p 组播提供不可靠的、尽力丽为( b e s t e f f o r t ) 的服务。传统的l p 缀播基于开放的服务模 型，对主机和用户创建组播组、发送、接收组播数据没有限制，不提供任何接入控制。组 播组的成员可以动态变化，主机有权选择加入或者退出某个组播组。主机可以加入多个组 播组，也可以向自己没有加入的组发送数据。希望接收到组播数据的主机通过与运行 i g m p t ) ) ( i n t e m e tg r o u pm a n a g e m e n tp r o t o c 0 1 ) 协议的路由器交互加入组播组，加入之后就能 接收到组播源点发送的数据。组播数据沿一个连接所有组播组成员的树型结构发送，这个 树型结构称为组播树。组成员可以动态的加入和退出，组播树也必须同时动态更新。 然而屋b u i p 组播的服务模型和协议存在着一些问题，使得l p 组播至今没有能在i n t e m e t 上得到广泛部署【4 j 。 f 1 ) i p 组播体系结掏缺乏可扩展性。路幽器需要为每个活动的组维护路由状态信息，而 且这些组播地址不能聚合，网络中大量的活动组将需要路由器巨大的存储和处理丌销。此 外，组播组成员的动态变化使网终必须动态维护路幽状态，更增加了组播路幽器的处理牙 销。 ( 2 ) 开放的i p 组播模型在开放的因特网环境中难以支持有效的管理和控制机制。标准的 i p 组播业务模型是一种a n ys o u r c e ，a n yr e c e i v e r 的开放模型，任何结点都可以创建组，可以 向组发送数据，结点可以加入任何感兴趣的组接收数据，发送结点不知道具体的单个接收 结点，接收结点也不需要知道发送数据酶结点。在这种模型下，接入控制、维管理、缀地 址的协调机制一直没有有效的解决方案 ( 3 ) i p 组播还没有清嚷的商业费用模型，霹络运营商之间有不同的剥益取向。基前骨干 基予廊_ f j 层纽播的流媒体直播系统的研究 网运营商以带宽使用获得收益，对承载的是i p 单播业务还是i p 组播业务没有必要区分，也 就没有动力在路由器中增加对l p 组播的支持。 出于以上的考虑，近年来霆外一照研究者开始研究新的组撩蘩擒，试图绕开l p 组播的 种种难题，因此提出了基于成用层的组播协议，即在应用层实现组播的功能，而不再依靠 霹络层路交器来实现。隽组播的丈范避开震与应雳提出了一静新的途径。 应用层组播网【5 l 的结点是组播成员主机，数据路由、复制、转发功能都由成员主机完 成，成员主祝之闯建立一个叠龆在l p 阚络之上的、实现组撵业务逻辑的功能牲网络，稼为 叠加网( o v e r l a yn e t w o r k ) ，主机基于囱组织算法建立和维护叠加网。应用层组播思想提出 后的短短几年内，多个研究机构开展了应用层组播体系结构的研究项目，如今应用层组播 覆处于研究的热点阶段。尤其是针对大规模蕴播树静创建过程串舱一些要求如扩展性、低 延时、健壮性及异构性问题，目前的协议各有千秋，但少有完全满足上述四个条件的。如 何设计满足上述要求麓应用层缓播癸议已成菊研究的热点。 2 研究现状 应用层组播系统的研究现在已经是下一代互联网研究中豹热点话题之，许多研究机 构都提出了自己的应用层组播挤议。 2 0 0 0 年，y c h u 等人提出基于n a r a d a 组网协议的e s m ( e n ds y s t e mm u l t i c a s t ) 怕j 。 i j a n n o t t ie ta i 提出t o v e r c a s t 7 1 ，它透过尽量将薪撅天成员放到远离根酶位置上，最大纯发 送者到接收者之间链路的带宽，提供了一种可靠的、可扩展的组播系统，适合于对带宽要 求较高酌应髑。y a t i nd i l i pc h a w a t h e 在毽豹博士论文中提出t s c a t t e r c a s t i z e 鄹系统，提塞了 基于服务器一客户端两层结构的组播系统。p f r a n c i s 发表了y o i d 组播系统的相关论文。 2 0 0 1 年，出d i m i t f i o sp e n d a r a k i s 等入提出种集中式应用层组播的构架a l m i l 9 ( a p p l i c a t i o nl e v e lm u l t i c a s ti n f r a s t r u c t u r e ) ，它适用于较小规模鹾l 成员较少) 的组搔缀，建立 共攀组播树，新成员加入只嚣获得部分组成员的信息。h b m i o l 凼vr o c a 等人于同年提出， 这也是一种集中控制的协议，但是加入者必须知道全都组成员的信息。s 。q 。z h a n g 发表基予 p e e r t o p e e “p 2 p ) 网络的应用层组播系统b a y e u x l s i ! 】，它给每个p 2 p 结点分配一个唯的结 点号，献结点号的最后一佼向馥，按顺序一使毽翡匹配柬进行掇文路出。l 。m a t _ b y 提窭 t b c p i 眩1 ，加入者计算与每个可能父母结点之矧的配雹方案，取最优的方案加入，同时考 虑到尽量减少汇聚时间( c o n v e r g e n c et i m e ) 。s r a t n a s a m y 提出了基于挖p 的应用层组攒系统 c a n ! b _ 4 1 ，它使用哈希函数，将组播组g 的地址映射到笛卡尔坐标空间中，使每个组播缀 都对应一个小的c a n 网络，在d , c a n 网络上避过泛洪实现组播转发。 2 0 0 2 年，h m t p 被提出。s u m a n 转a n 萌e e 发表了基子n i c 蛰强l 应用层组播的论文。 m c a s t r o 在j s a c 上发表t s c r i b e t l 6 1 ， s c r i b e 是建立在p 2 p 网络p a s t r y 之上的个应用层组播 系统，它通过获第一位塔嚣对结点号和维号按位匹配寒确定组播树的路径，具有较好静可 2 基于应用层组播的流媒体直播系统的研究 扩展性；另外，它借助底层p 2 p 网络p a s t r y 口- 以进行动态的自组织来适应网络条件的变化。 2 0 0 3 年，m h e f e e d a 提出 p r o m i s e 【l7 1 , 这也是在p a s t r y 网络之上构建的组播系统，它的 实现思想是：一个接收者可以从多个发送者处得到需要的数据，它不需要构建组播树，当结 点需要数据时，由底层p 2 p 系统查找到一系列满足要求的发送者，接收者再从中挑选一些 较好的发送者，他们并行的向接收者发送组播数据。d t r a n 提出了基于p 2 p 的层次型的应用 层组播系统z i g z a g 1 8 】。 2 0 0 4 年，a h m e ds o b e i h 提出一种基于环而非组播树的应用层组播协议vr i n g 1 9 】，与 n i c e 相比，它减少了环的控制代价。s h u j uw u 对组播协议的动态适应性能进行研究在i e e e 上发表了文章，与h m t p 相比，它能更好地探测出结点的失效，并能更有效的进行修复， 具有更好的鲁棒性。r o i em e l a m e d 也提出适用于动态环境下的组播系统a r a n e o l a 2 0 1 。 1 3 研究成果和组织结构 论文在对现有应用层组播协议进行深入研究的基础上，着重分析和研究了n i c e 在构建 大规模组播树过程中的性能，针对网络异构性问题改进了n i c e ，并实现了基于应用层组播 的流媒体直播系统。该系统具有较高的效率和较好的可扩展性，主要面向实时的大规模流 媒体的传输。论文的相关工作有： ( 1 ) 改进现有的应用层组播协议。针对异构性问题，对n i c e 进行了改进。主要方法 是提出了带宽约束模型，对于改进后的协议进行了详细的设计和分析。改进后的协议可以 针对用户对延时和带宽的不同需求提供可定制的服务，可以高效地处理结点的加入和离 丌，同时有可扩展性； ( 2 ) 对所改进的协议进行了仿真，仿真实验分为两个方面，一是仿真考查改进后协 议的组播树的相对延时代价，二是仿真比较改进后的协议年d n i c e 的最大延时，平均时延和 二者的伸展度比率，仿真结果表明随着群规模的不断扩大，改进后协议的优越性越明显； ( 3 ) 实现基于应用层组播的流媒体直播系统，系统运行改进后的组播协议。 ( 4 ) 对系统及它的各个功能模块进行了测试和评价。 本论文主要分为七章，一、二、三章主要是相关理论和技术的研究，第四、五、六章 是对n i c e 的分析改进和设计以及基于应用层组播的流媒体直播系统的实现和测试，第七章 则是论文的总结和未来的工作，具体安排如下： 第一章绪论。介绍了论文研究的背景、现状，研究的成果和组织结构。 第二章应用层组播和流媒体传输的相关技术的研究。介绍并分析一些本课题所涉及的 相关技术，首先介绍应用层组播的概念，接着介绍j m f 开发工具以及多媒体数据传输所采 用的传输协议r t p 和i 盯c p 。 第三章应用层组播协议n i c e 的研究。详细深入的研究了n i c e 在构建大规模应用层组 播树过程中的性能。 基于应用层组播的流媒体直播系统的研究 第四章改进后的n i c e 的设计与仿真。对n i c e 进行改进，并对改进后的协议改进后的 n i c e 进行了详细的设计与仿真，分析它的性能和优势。 第五章基于应用层组播的流媒体直播系统。对系统的设计思想，系统结构作了详细阐 述，并实现了主要功能模块。 第六章系统测试。对第五章实现的系统进行了测试，测试其性能。 第七章结束语。总结论文，提出了未来将要做的工作。 1 4 本章小结 本章首先详细论述了课题研究的背景和现状，然后说明了课题研究的内容及创新点， 最后给出了论文的章节组织及每章讨论的内容。 4 基于应刚层组播的流媒体直播系统的研究 第二章应用层组播和流媒体传输的相关技术 本章将介绍并分析课题所涉及的相关技术，首先介绍应用层组播的概念，接着介绍j m f 丌发工具，以及多媒体数据传输所采用的传输协议r t p 和r t c p 。 2 1 应用层组播3 2 1 1 应用层组播原理 应用层组播网的结点是组播成员主机，数据路由、复制、转发功能都由成员主机完成， 成员主机之间建立一个叠加在i p 网络之上的、实现组播业务逻辑的功能性网络，称为叠加 网( o v e r l a yn e t w o r k ) ，主机基于自组织算法建立和维护叠加网。 应用层组播的实现方式如图2 1 所示，将其与i p 组播的传输方式作比较，图中a ，b ，c ， d 代表端主机，1 ，2 ，3 ，4 ，5 代表路由器，实线代表传输路线，a 为发送者，在i p 组播中， 数据包从a 到路由器1 ，路由器l 复制三份相同的数据包，分别经路由器2 n 达b ，经路由器 4 到达d ，经路由器5 和3 到达c ；在应用层组播中，a 发送两份相同的数据包给b 和d ，b 再 复制一份发送给c 。由此我们可以看出应用层组播与i p 组播相比优势主要在于以下几点： ( 1 ) 应用层组播不需要路由器支持，不需要改变底层网络，组播服务的部署容易。 ( 2 ) 不需要在路由器上维护组播组的状态，可以支持大量的组，扩展性好。 ( 3 ) 可以根据网络条件的变化，动态的优化组播树的结构，实现服务定制功能。 ( 4 ) 还可以利用t c p 的拥塞控制机制使应用层组播具有更好的可靠性。 ( 5 ) 应用层组播可以很好的解决i p 播组地址分配不足的问题。 图2 1 i p 组播和应用层组播 应用层组播 基于应用层组播的流媒体直播系统的研究 2 1 2 应用层组播中的关键技术 2 1 2 1 组播结点的组织方法 组播结点的组织方法决定了结点之间的关系，目前主要为“树”( t r e e ) 、“网”( m e s h ) 和 隐式的方法。 ( 1 ) 基于网的组织方法中，组的成员首先自己组织成一个网状的拓扑，即控制拓扑， 每两个成员之间有多条路径。在这个网状拓扑中，每一个成员都会保存这个组中其他的所 有成员的状态信息，而这个信息将会得到周期性的刷新。m e s h 可靠性较高，但维护开销较大， 扩展性较差一般应用于小规模的视频会议。 目前较成熟的此类协议有n a r a d a 协议，是由c m u 组播通信组开发的最早的应用层组 播协议之一。当有新成员加入时，此成员会从某一个r p 获得所有已加入的组成员的列表， 然后随机选择部分成员作为自己加入的邻接点，当至少有一个成员成为这个新成员的邻接 点时，此新成员就成功加入了这个组播组。成功加入后，此新成员开始和它的所有邻接点 交换状态信息。n a r a d a 中每个成员都会保留所有组其它成员的信息，当组成员发生改变时， 改变信息将会通过控制拓扑传输到所有成员中，也增加了整个系统的健壮性。同时每个成 员也会周期性地产生一个状态刷新消息来及时刷新自己所保留的所有成员状态信息。这样 分发每个成员状态信息给其它所有的成员将会导致整个系统控制信息的系统开销增大。 n a r a d a 的数据传输拓扑实际上就是控制拓扑的生成树。它使用了距离向量协议来使每个成 员得到整个网络的路由信息：成员间定时地交换路由信息( 包括到每个其它成员的路由花 费和相应的路由) ，并且只和相邻成员交换这种信息。n a r a d a 的数据传输拓扑特定 数据源传输树是采用类似d v m r p 的反向路径转发算法在每个接受者和源点间计算得到 的。 由于数据传输路径直接是从网状拓扑得到，那么网状拓扑中连接的质量会直接影响最 后得到的数据传输路径。由于成员的加入和离开、网络环境的变化等等都会影响到拓扑的 质量，因此n a r a d a 会周期地对控制拓扑进行优化：每个成员会定期与随机选出的数个成员 进行传输延迟量测，根据这些量测结果利用一个最佳化算法来保持叠加网络成员间路径的 最佳化。 ( 2 ) 基于树的组织方法中，端系统组播协议首先会建立起一个共享的数据传输树拓 扑。然后，根据这个树状拓扑增加一些成员间的连接便可组成控制网状拓扑。一般大组播 组中使用t r e e ，t r e e 实现简单，维护开销小，扩展性好，但可靠性较差。 目自i 比较成熟的代表协议是y o i d ，所有基于数据拓扑优先方法的组播协议都会创建一 个共享的数据传输拓扑树，每个成员的任务就是找到合适于自己的父结点。既然y o i d 是 直接建立的数据传输树，那么为了使组播达到更好的性能，它就会对树的结构给出直接的 6 基丁应用层组播的流媒体直播系统的研究 限制，例如每个成员结点的度、邻接点的选择等。当有新成员需要加入时，其会查询r p 得 到的已加入成员的信息，然后新成员通过这些信息找到合适的父结点。一个结点如果成为 这个新成员的合适的父结点必须满足两个条件：如果选其做新成员的父结点，数拓扑上将 不会出现循环；如果选新成员做其子结点不会超过其度的要求。如果新成员找到了多个合 适的父结点，那么它将根据具体实际量度的要求来找出最合适的一个父结点。由于每个成 员都会自己选择合适的度即子结点的个数，则很有可能导致树的深度加深，使得数据传输 出现比较长的传输路径。 为了防止由于某个非叶结点的意外断开而使得整个数据传输树被分割，y o i d 中的每个 成员会在数据传输拓扑上随机选取一些非父结点填加到其的连接，这样便组成了控制拓 扑。 ( 3 ) 基于隐式的组织方法，主机按照层次结构组织，这个层次结构隐性的定义了覆 盖层数据转发路径，在度量主机间距离时，使用延迟作为度量指标。这种方法扩展性好， 且不需要路由算法，典型的代表为马旱兰大学的n i c e 协议，将在第三章详细讨论。 2 1 2 2 组播结点的维护方法 组播结点的维护包括结点的加入、退出和“失效”结点的检测。结点的加入是指新的结 点发现组播组的存在、加入到组播组中。目前大部分算法都假设存在“集中 点”( r p ：r e n d e z v o u s p o i n t ) ，通过r p 完成加入，r p 很容易成为系统的瓶颈。结点退出时需要发 出退出组播组的通知，有些算法要对结点的组织进行调整。“失效”指结点没有发出退出组播 组的通知但已无法正常工作。 一般通过定期发送k e e p a l i v e 报文实现“失效”结点的检测。 2 1 2 3安全 i p 组播中安全就十分重要，应用层组播中数据通过可信度不高的主机转发，安全更为重 要应用层组播中安全包括：加入组播组控制；对读取组播组内传递的数据控制：避免转发 数据被篡改。前两个问题可通过在r p 增加机制解决。解决第三个问题比较困难，一种方法是 在使用m e s h 结构时，每个结点可把收到的数据做数字签名后传递给邻居结点，如果有结点 恶意篡改，可以从其他结点发出的数字签名发现。 2 1 3 应用层组播算法的性能参数和评价方法 应用层组播的性能参数主要包括数据分发路径质量的三个指标以及终端的性能指标。 ( 1 ) 数据分发路径的质量，主要有下面三个指标： 强度( s t r e s s ) 。在一条物理链路中发送相同数据包的数量。显然i p 组播进行转发的时 7 基丁= 应用层组播的流媒体直播系统的研究 候并进行多余的复制，所以是最优值l 。 伸展度( s t r e t c h ) 。就是在覆盖网分发拓扑中从源到成员的延迟与利用单播直接传输 的延迟的比例。 资源利用率( u s a g e ) 。所有参加到数据传输中的成员，他们的延迟和强度的乘积的总 和。这个指标用于评定传输过程中网络资源的利用情况，假定链路的延迟越高，花费越大。 ( 2 ) 终端的性能 失效后包丢失：单个结点突然失效后，平均的丢包数量。强调突发事件发生的鲁棒性。 收到第一个包的时间：当成员加入到组中，收到第一个包的时间。 ( 3 ) 控制负荷( c o n t r o lh e a d ) 为了有效地利用网络资源，对每个成员的控制负荷必须尽量的小，这是能否很好扩展重 要的指标。 应用层组播算法的特点是它的设计针对某种应用进行优化，常用的评价标准包括： ( 1 ) 带宽的使用：应用层组播会比i p 组播消耗更多的带宽。e n ds y s t e mm u l t i c a s t 消耗的网 络带宽大约是i p 组播的2 倍。 ( 2 ) 延迟：可以用数据传播的时间，构建大规模组播树时也可用树的深度来反映延迟， e n ds y s t e mm u l t i c a s t 的延迟大约是i p 组播算法的2 2 - - 2 8 倍。 簿 ( 3 ) 可扩展性( s c a l a b i l i t y ) ：只在大规模组播算法时才需要考虑。 ( 4 ) 鲁棒性( r o b u s t n e s s ) ：应用层组播应提供一定的鲁棒性，并适应不同应用的要求。可以 使用“洪泛”机制在系统中增加冗余，提供快速错误发现和修复机制。 ( 5 ) 易推广性( e a s eo f d e p l o y m e n t ) ：是应用层组播提出的一个推动力。不仅不改变现有 的网络体系结构，还要解决n a t 和防火墙带来的问题。 ( 6 ) 组播组维护的开销：包括保存状态信息的数量；组播结点之间为维护组播组的交互 信息数量；组播结点加入、退出、失效等信息在组播组内同步的时间开销等。 ( 7 ) 组播结点的“度”( d e g r e e ) ：主机的资源有限，所以需要限制结点的“度”。 2 2j m f 介绍 2 2 1j m f 的多媒体功能汹3 j m f ( j a v am e d i af r a m e w o r k ) 可以让基于j a v a 的应用实现音频、视频的捕捉、处理、 播放、传输等功能。利用它可以实现音、视频播放，网络视频聊天、视频会议等功能。可以 在j a v aa p p l e t 和应用程序中播放各种媒体文件。它提供了对各种主要媒体形式和编码的支 持，如j p e g 、h 2 6 3 、m p 3 、m a c r o m e d i a sf l a s h ，j m f2 1 1 还支持多种媒体类型如q u i c k t i m e 、 m o v 、m i c r o s o f ta v i 和m p e g 1 。j m f 所提供的多媒体功能如下： 基丁：应刚层组播的流媒体直播系统的研究 ( 1 ) 在互联网上传输音频和视频数据流。 ( 2 ) 可以利用摄像机一类的设备截取音频和视频并保存为多媒体文件。 ( 3 ) 处理多媒体文件转换文件格式。 ( 4 ) 在互联网上广播音频和视频数据。 2 2 2j m f 基本架构幽1 j m f 的两层架构： ( 1 ) 相对上层的负责多媒体文件的控制，使用和处理，并支持网络资源和识别采集设备 等额外控制功能。 ( 2 ) 相对下层的不仅提供编解码器，渲染器，还提供p l u g i n 架构来直接存取多媒体文件 使j m f 能更轻易的被延伸和定制。 其架构图如图2 2 j a v aa p p l i c a t i o n s ，a p p l e t s ，b e a n s j m fp r e s e n t a t i o na n dp r o c e s s i n ga p i j m fp l u g i na p i d e m u l t i p l e x e r s c o d e c se f f e c t s m u l t i p l e x e r s r e n d e r e r s 图2 2j m f 架构 j m f 是一个应用编程接口( a p i ) 。通过它可以将实时应用整合进j a v a 应用程序和小 程序。j m f 可以用来开发那些需要抓取，存储，传输流媒体的应用程序和小程序，例如音 频应用和视频应用，j m f 还可以对媒体进行编码格式转换。并且j m f 还支持实时传输协议 r t p 和实时控制协议r t c p 。 j m fa p i 的体系结构【2 5 】分为四层： 最上层为应用，j m fa p l 支持i a v a 应用程序、j a v a d x 程序和i a v ab e a n s 。 第二层为j m f 媒体表现和处理a p i ，应用程序使用j m fa p i 丌发，都要调用这一层的 a p i ，这一层也称为j m f 的高层a p i 。 第三层为j m fp l u g i na p i ，也称为j m f 的低层a p i ，j m fa p i 的设计目标要支持集成第 三方提供的媒体处理插件，并且具有扩展性，因此在j m f 中引入了这一层的a p i 。 最底层为媒体处理插件层，主要的媒体处理插件也包括解复用设备、编码器、效果器、 复用器、表现设备。 对应用来说，j m f 媒体表现和处理a p i 是实现流媒体应用的接口，这一层提供了流媒体 的播放、处理、捕捉、存储、传输等接口，在流媒体数据的传输模块中将主要用其来实现。 9 基于应用层组播的流媒体直播系统的研究 3r t p 瓜t c p 协议 2 3 1r t p 协议【2 6 2 7 】 i 汀p 协议是一种实时传输协议( r t p ，r e a lt i m et r a n s p o r tp r o t o c 0 1 ) 由r f c1 8 8 9 定 义，主要用于网络上各种实时应用( r e a l t i m ea p p l i c a t i o n s ) 。r t p 被定义为在一对一或一 对多的传输情况下工作，其目的是提供时间信息和实现流同步，r t p 的典型应用建立在 u d p 上，但也可以在t c p 或a t m 等其他协议之上工作，r t p 本身只保证实时数据的传 输，并不能为按顺序传送数据包提供可靠的传送机制，也不提供流量控制或拥塞控制，它 依靠i 汀c p 提供这些服务。 流媒体与一般文件传输的不同在于，当接收者实时接收到流媒体文件时就可以播放， 而不需要等待全部文件都被下载完再进行播放，r t p ( r e a l t i m et r a n s p o r tp r o t o c 0 1 ) 是针 对流媒体的一种传输协议。r t p 只是传输层协议，为了简化了运输层处理，提高该层的效 率，将部分运输层协议功能( 比如流量控制) 上移到应用层完成。同步就是属于应用层协 议完成的。它没有运输层协议的完整功能，不提供任何机制来保证实时的传输数据，不支 持资源预留，也不保证服务质量。r t p 报文甚至不包括长度和报文边界的描述，同时r t p 协议的数据报文和控制报文使用相邻的不同端口，这样大大提高了协议的灵活性和处理的 简单性。 r t p 和u d p - - 者共同完成运输层协议功能。u d p 协议只是传输数据包，是不管数据包 传输的时间顺序。r t p 的协议数据单元是用u d p 分组来承载的。在承载r t p 数据包的时候， 有时候一帧数据被分割成几个具有相同的时间标签的包，因此时间标签并不是必须的。而 u d p 的多路复用让r t p 协议利用支持显式的多点投递，可以满足多媒体会话的需求。 r t p 由两个相近链接部分组成： ( 1 ) r t p ：传送具有实时属性的数据； ( 2 ) r t p 控制协议r t c p 监控服务质量并传送j 下在进行的会话参与者的相关信息。r t c p 第二方面的功能应用于松散受控会话是足够的，也就是说，在没有明确的控制成员和组织 的情况下，它并不用来支持一个应用程序的所有控制通信请求。其协议结构如图2 3 ： l23891 6 b i t vpx c s r cc o u n tm p a y l o a dt y p e s e q u e n c en u m b e r t i m e s t a m p s s r c c s r c ( v a r i a b l e0 1 5i t e m s3 2 b i t se a c h ) 图2 3r t p 协议结构 i o 基于应用层组播的流媒体直播系统的研究 v 一版本。识别r t p 版本。 p 一间隙( p a d d i n g ) 。设置时，数据包包含一个或多个附加间隙位组，其中这部 分不属于有效载荷。 x 一扩展位。设置时，在固定头后面，根据指定格式设置一个扩展头。 c s r c c o u n t 一包含c s r c 标识符( 在固定头后) 的编号。 m 一标记。标记的解释由p r o f i l e 文件定义。允许重要事件如帧边界在数据包流 中进行标记。 p a y l o a dt y p e 一识别r t p 有效载荷的格式，并通过应用程序决定其解释。p r o f i l e 文件规定了从p a y l o a d 编码到p a y l o a d 格式的缺省静态映射。另外的p a y l o a d t y p e 编码可能通过非r t p 方法实现动态定义。 s e q u e n c en u m b e r 一每发送一个r t p 数据包，序列号增加l 。接收方可以依次检 测数据包的丢失并恢复数据包序列。 t i m e s t a m p 一反映r t p 数据包中的第一个八位组的采样时间。采样时间必须通 过时钟及时提供线性无变化增量获取，以支持同步和抖动计算。 s s r c 一同步源。该标识符随机选择，旨在确保在同一个r t p 会话中不存在两 个同步源具有相同的s s r c 标识符。 2 3 2r t c p 协议 r t c p 驯( 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 ) 是设计和i 汀p 一起使用的进行流量 控制和拥塞控制的服