（计算机应用技术专业论文）基于diffserv的分层组播自适应标记算法设计.pdf

盏矧欠学碾士学位攀妲论交基于d i f t s e r v 纳分譬缀疆鑫逢斑轹记算凌璇 摘要 随着网络多媒体技术的飞速发展，许多新兴的应用如视频点播、远程教育 秘缝线游戏等誉戆建被雩| 入i n t e m e t 。这戆应建大郝要浓蔫豢窕、低延迟窝一点 蒯多点或多点副多点的通信能力。组播能够通过共事部分链路来摄离带宽衬用 率，非常适合商带宽需求的多媒体数据的传输。而分朦组播可以将视频数据分 割城多令层次弼孵发送到不髑接牧者，充分瀵是接收雾豹舅孝每缝，逑灏残兔支 持这些新应嗣的有效传输机制。另一方面，i n t e r n e t 中现有的尽力丽为 ( b e s t - e f f o r t ) 的传输模式，对所能够提供的包转发的服务质量( q o s ) 不做任 键承诺，无法满足多媒体应嬲帮用户对o o s 粒不网嚣求。d i f f s e r v 怒静基于 分缝标记酶q o s 体系结构，能够用胃扩臆的灵活祝制挺供广泛静q o s 傈证，是 嬲前i p 网络巾拔为理想的q o s 策略。组播降低网络的带宽消耗，而d i t t s e r v 为 用户提供适当懿警宽分配，鹅者豹结合能为多媒体的应用提供较好的q o s 保证。 绲两者在俸系綮构上还存在一些冲突，京稍的结合氇会产生一些新豹闯题。奉 文就是围绕如何将d i t t s e r v 蔚组播技术有机融合，在异构网络中为视频应用提供 爨好的q o s 保诞两展开的。 本文钛l p 缀播的基本概念出发，辩缀播路由协议、搠塞控制、分层组獾及 视频流分层编码等技术进行了探讨。通过比较d i f f s e r v 和i n t s e r v 的优缺点，详 缨阐述了d i t t s e r v 体系孛各模块豹功能及玉作原理。分辑了d i f f s e r v 和l p 组播 缡合的优势及磁带来的阀题。孝 对这些阖麓，提出了一释基于d i f 稻e r v 静分屡缀 描自适应标记算法l m s l d 8 。该算法能够使组播数据流的转发节点在明确知晓 接收者q o s 要求的静提下，自适应地进纷组成曼接纳控制与资源分配，有效地 解决7d i f f s e r v 与l p 缰攥络合辩掰产囊的被忽视鹣羧餮子耱n r s ( n e g l e c t e d r e s e r v a t i o ns u b t r e e ) 和异构组播组h m g ( h e t e r o g e n e o u sm u l t i c a s t 舶u p s ) 等问 磁。通过在n s 吱中进行仿真实验，表明该算法是一种扩展性较好的解决方案。 荚键词：分层缀播，拥塞控制，q o s ，d i f f s e r v ，优先级 篓螂欠学醺圭学位攀堑论文基子d i f t s c r v 翁分搓维播自避斑耘记算法菠诗 a b s t r a c ，i | w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f n e t w o r km u l t i m e d i at e c h n o l o g y ，m a n ye m e r g i n g a p p l i c a t i o n ss u c h 勰v i d e oo n - d e m a n d ，d i s t a n c e - l e a r n i n ga n do n - l i n eg a m ew e r e i n t r o d u c e di n t oi n t e r a c t m o s to ft h e s ea p p l i c a t i o n sr e q u i r e 鑫l a r g ea m o u n to f n e t w o r kb a n d w i d t h ，l o wd e l a ya n dp o i n t 协m u l t i p o i n to rm u l t i p o i n tt om u l t i p o i n t c o m m u n i c a t i n gc a p a c i t y m u l f i c a s tt e c h n o l o g y i sav e r yu s e f u l o p e r a t i o nf o r s u p p o r t i n gs u c ha p p l i c a t i o n s ，w h i c he a r lu s e sb a n d w i d t he f f e c t i v e l y 姆s h a r i n gt h e l i n k s l a y e r e dm u l t i c a s tc a ng e n e r a t es e v e r a lm u l t i c a s tg r o u p sf o rl a y e r e dv i d e o s o u r c es u c ht h a tt h er e c e i v e r sc a l lg e tv i d e od a t aw i t hd i f f e r e n tq u a l i t yb ys u b s c r i b i n g d i f f e r e n tg r o u p sa c c o r d i n gt ot h e i rn e t w o r kc o n d i t i o n s 。s o , l a y e r e dm u l t i c a s ti so n e o f n s e f o lm e c h a n i s mf o rt h e s en e wa p p l i c a t i o n s o nt h eo t h e rh a n d ，t h es e r v i c em o d e l o fb e s t - e f f o r ti sn o te n o u g hg o o dt os a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so fq o st h a tt h en e w m u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n sn e e d d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e sp i f l s e r v ) i sap e r f e c tm o d e lt o p r o v i d es c a l a b l eq o s m u l t i c a s tc a n r e d u c eb a n d w i d t hc o n s u m i n g ，a n dd i f 搭e f vc a l l p r o v i d eb a n d w i d t ha l l o c a t i o n ，t h e ys h a r ec o m p l e m e n t a r yg o a l s b u tt h ei n t e g r a t i o no f t h et w ot e c h n o l o g i e sb r i n g sn e wp r o b l e m sd u et ot h ef u n d a m e n t a lc o n f l i c t so ft h e i r a r c h i t e c t u r e s 。t h et h e s i ss u r r o u n d i n gh o w 铀s o l v et h e s ec o n f l i c t sp r o v i d e das o l u t i o n 。 t h i st h e s i sb e g a nw i t ht h eb a s i cc o n c e p to fi pm u l t i c a s t , s t u d i e dt h em u i t i c a s t p r o t o c o l s ，c o n g e s t i o nc o n t r o l l i n g ，l a y e r e d m u l t i c a s ta n dl a y e r e dv i d e oc o d i n g t e c h n i q u e s b yc o m p a r i n gt h em e r i t sa n df a u l t so f d i f f s e r v w i t hi n t s e r v , i t e x p o u n d e dt h ef u n c t i o nm o d u l eo fd i f i f s e r va n dt r a c e dt h ep r o c e s s i ta n a l y z e dt h e a d v a n t a g ea n dp r o b l e m sw h i l ec o m b i n i n gi pm u l t i c a s tw i t hd i f f s e r v t h a nt h et h e s i s b r o u g h tf o r t hl m s l d s ( l a y e r e dm u l f i e a s ts e l f - a d a p t i n gl a b e l l i n ga l g o r i t h mb a s e d o i ld i 砸；e n ，) l m s l d sc o u l dm a k et h ef o r w a r d i n gn o d e sk n o wt h er e c e i v e r s q o s r e q u e s t sc l e a r l y i ta d m i t t e dm e m b e r so fg r o u pa n da l l o c a t e dr e s o u r c es e l f a d a p t i v e l y s ol m s l d sc a ns o l v en r sa n dh m gp r o b l e m se f f i c i e n t l y 。霹l e s i m u l a t i o nr e s u l t so f n s - 2d e m o n s t r a t e dt h a tt h i sa l g o r i t h ma g eas o l u t i o n 嘶也b e t t e r s c a l a b i l i t y k e yw o r d s ：l a y e r e dm u l t i c a s t ，c o n g e s t i o nc o n t r o l l i n g ，q u a l i t yo fs e r v i c e ， d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ，p r i o r i 够 珏 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下独立 进行研究工作所取得的成果。论文中凡引用他人已经发表或未发表的 成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内 容外，本论文不包含任何其谴个人或集体已经发表或撰写过的科研成 果。对本文的磅究做挺重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式 标明。 本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：型茎鳢日期：芝竺2 ：兰： 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属兰州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定， 同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版， 允许论文被查阅和借阅；本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和 汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相 关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：麟导师签名：鱼些l 塾日期： 兰州大学硕士学位毕业论文 基于d i l l s e r v 的分层组播自适应标记算法设计 第一章绪论 1 1 课题背景 自上世纪九十年代以来，i n t e m e t 逐渐渗透到人类社会活动的各个层面，对 人们的生活产生了深刻的影响。特别是在日新月异的网络技术和市场需求的双 重推动下，诸如视频点播、新闻发布、远程教育、远程医疗、实时视频会议等 多媒体应用在i n t e m e t 上有了突飞猛进的发展。这些直观而丰富的新一代多媒体 信息技术极大地改变了网络信息的交流方式，增强了网络应用的交互性和娱乐 性，给人们的工作、学习带来极大便利。但这些应用的共同特点是带宽要求高、 需要q o s 保证和面向组用户，这就使得整个互联网承载的业务量巨增。由于传 统的i n t e r n e t 设计初衷是将不同地域的计算机连接起来，方便科技人员传送信息 量较小的实验数据，并没有考虑网络q o s 问题，因而无法满足当前多样化多媒 体应用对q o s 的要求。数据量巨大的多媒体流正急剧消耗着网络带宽，进而造 成严重的拥塞，导致网络性能急剧下降。 为了在i n t e m e t 上提供q o s 保证，缓解网络拥塞，人们提出了两种解决思路： 一种是不断增加网络带宽，使得带宽容量能够满足所有用户的q o s 要求。另一 种则认为网络带宽容量是有限的，应把有限的带宽分配给不同的用户。前者默 认提供q o s ，而后者则需要通过资源分配来提供q o s 。前者看似可行，但实现 起来代价巨大。这是因为，要增加物理带宽就要对网络硬件进行改造升级，需 要巨额资金投入。即便是带宽容量增加了，各种新兴的应用又会随之涌现，迅 速消耗掉这部分带宽，导致骨干网物理带宽的增加，永远赶不上多媒体应用对 带宽的需求。因此，必须更多地考虑通过改进传输模式和资源分配机制来为多 媒体视音频流提供所需的q o s 。本文所要探讨的区分服务d i f f s e r v ( d i f f e r e n t i a t e d s e r v i c e s ) 1 】网络中的i p 组播( i pm u l t i c a s t ) 2 1 就是基于两种思路的结合，来提 供一种保证q o s 的有效方案。 i p 组播可以在发送方和接收方之间建立点对多点的传输关系，使源节点一 次发送的数据分组被传递到一组耳的地址，无论其接收者有多少，组播路由器 都会按照组成员物理位置分布状况，对组播数据分组进行最少数量的复制( 保 证每条链路最多只有一份数据拷贝) 。这种传输方式可以大量减少多媒体通信 中的带宽消耗，提高传输效率，无形中就增加了物理带宽。是第一种提供q o s 兰州大学硕上学位毕业论文基于d i f i s c r v 的分层组播自适应标记算法设计 思路的软实现。同时，分层组播能将一条数据流分层编码，由多个i p 组播组传 输，接收端通过不同层数据的叠加获得不同接收质量，较好满足了会话组内成 员的不同需求，为网络异构环境中的视频流传输提供了很好的解决方案。 d i f f s e r v 是基于第二种思路来提供q o s 支持的技术。最初，i e t f 提出了综 合服务i n t s o v ( i n t e g r a t e ds e r v i c e ) 【3 】的体系结构，利用带宽预留来保证用户的 q o s 要求。由于其面向动态虚电路、依赖于网络流状态的特点，决定了它的高 复杂性，且扩展性差、实现难度大，因而发展受阻。针对i n t s e r v 的问题，1 9 9 8 年i e t f 提出d i f f s e r v 模型。它通过在网络边缘对业务进行分类、测量、标记、 整形甚至丢包处理，实现复杂的业务分类、策略管理以及流量整形等工作：在 网络内部实现快速转发，从而为实时业务传送提供较好的q o s 保证，是一种可 扩展性较好的q o s 解决方案。 从i p 组播与d i f f s e r v 各自所具有的优势来看，两者的结合能给现实的应用 带来许多好处。但是d i f f s e r v 已有的框架、结构都是基于单播( u n i c a s t ) 的，其 核心路由器只是进行简单的复制、转发，而忽略了组成员的不同q o s 要求，导 致每一个组成员享受了相同的q o s 级别。这不仅会造成网络资源的浪费，而且 在网络资源匮乏的情况下还会使原有成员正常的数据流接收受到影响，致使整 个网络的q o s 下降。为了解决这些问题，本文提出在d i f i s e r v 域内部署i p 组播， 通过对域内路由器进行简单的功能扩展来避免两者结合时所产生的问题，为穿 越d i f f s e r v 域的组播视频流提供良好的q o s 保证。 1 2 本文的主要工作 本文从传统i p 组播的体系结构出发，对组播路由协议、拥塞控制、分层组 播与视频流分层编码等技术进行了探讨。 然后通过对区分服务( d i 丘s e n r ) 和综合服务( i n t s e r v ) 进行比较，详细阐 述了d i f f s e r v 体系各模块功能及工作过程。分析了d i f f s e r v 和i p 组播结合的优 势及所带来的被忽视的预留子树n r s 、异构组播组h m g 和组状态可扩展性s p s 等问题，并介绍了目前d i f i a s e r v 中支持组播的3 种方案。 针对i p 组播和d i f f s e r v 结合所产生的问题，本文提出了一种基于d i f f s e r v 的分层组播自适应标记算法l m s l d s ( l a y e r e d m u l t i c a s t s e l f - a d a p t i n g l a b e l l i n g a l g o r i t h mb a s e do nd i f f s e r v ) 。该算法核心思想是通过在边界路由器上引入两个 2 兰州大学硕士学位毕业论文 基于d i f l s e r v 的分层组插自适应标记算法设计 子算法：丢弃优先级标记算法d p l ( d r o pp r i o r i t yl a b e l ) 和自适应接纳控制算 法s a c ( s e l f - a d a p t i n ga d m i ta n dc o n t r 0 1 ) ，使组播数据流的转发节点明确知晓 接收者的q o s 要求，从而有效地进行接纳控制和资源分配，较好地解决了n r s 和h m g 等问题。 最后，使用网络仿真软件n s - 2 对算法进行的验证。实验结果表明，l m s l d s 算法是一种扩展性较好的解决方案。 1 - 3 本文的组织结构 论文根据所研究问题的层次关系，组织结构如下： 第二章详细介绍了口组播原理，组播拥塞控制算法，重点对多速率拥塞控 制算法即分层组播拥塞控制机制进行分析，并简要介绍了视频分层编码原理。 第三章对d i f f s e r v 体系各模块功能及工作过程进行了分析研究。 第四章分析了在d i f f s e r v 域中部署口组播给现实应用带来的好处，指出了 两者结合产生的问题，并介绍了3 种已有的解决方法。 第五章提出了一种基于d i f f s e r v 的分层组播自适应标记算法l m s l d s ，对 其进行了理论分析。 第六章进行仿真实验与结果分析。 第七章总结全文与后续工作。 兰州大学硕士学位毕业论文 基于d i f l s o r v 的分层组播自适应标记算法设计 第二章分层组播 i p 组播是一种为优化使用网络资源而产生的技术，是对标准m 技术的一个 扩展。其基本思想是：源主机只发送一份数据，这份数据中的目的地址为组播 组( m u l t i c a s t c r o u p ) 地址( 在以太网中，数据被传送给一个单一的m a c 地址) ， 组播组中的所有接收者都可接收到同样的数据拷贝。并且只有组播组内的主机 ( 目标主机) 可以接收该数据，网络中其他主机则不能接收。组播组中的主机 可以在同一个物理网络，也可以来自不同的物理网络( 需要组播路由器支持) 。 这里，源主机好比是一个电视发射台，只需将指定的视频流调制到某一特定频 点上发送出去，而无须知道谁在接收这些数据。这个指定的频点对于该组来说 是唯一的，可以用来唯一的标识这个组播组。客户端计算机只需监听该“频率” 的数据信息即可接收到视频数据。无论有多少个目的主机，在整个网络的任何 一条链路上都只传送一份数据包，从而能够节省网络带宽资源。同时，由于减 少了与服务器的连接数量。也能够有效地减轻服务器的载荷( 计算资源) 即 使用户数量成倍增长，主干带宽也不会随之增加。因此，组播通信机制不但解 决了单播传输中，因发送者和每一接收者之间都需要建立单独的数据信道，导 致发送者负担沉重、延迟长、链路拥塞的现象，而且也解决了广播( b r o a d l c a s t ) 传输只被限定在本地i p 子网内的问题，填补了单播通信与广播通信之间的空白。 虽然组播通信模式在设计时并没有考虑q o s ，但其可以大大节省带宽的特性， 给q o s 的保证带来很大好处。因此，组播非常适合时延敏感性高、持续时间长、 带宽需求大的多媒体应用。图2 1 ( a ，b ，c ) 分别是采用单播、组播和广播方式 向3 个用户同时传输1 5 m b 数据时的链路带宽占用情况： 图2 1 ( a ) 单播 4 兰州大学顾士学位毕业论文 基于d i f t s e r v 的分层组播自适应标记算j 盍 殳计 图2 1 ( c ) 番圭饥b 不鹈勖脚鲥咤劂f ，但c p u 佣敷嚼蓉个1 5 m b 流 2 1 组播通信协议 组播通信协议可以分为i n t e m e t 组管理协议i g m p 和组播路由协议两大类。 前者主要负责组成员加入、离开的管理，目前有i g m p v l 4 1 、i g m p v 2 t 川和 i g m p v 3 t 6 1 3 个版本( i g m p v 3 还是一个草案) 后者主要负责组播数据在路由器 之自j 构建转发树和路由组播包。可分为稀疏模式协议( 如p i m s m t 7 1 ，c b t t s j ) 、 密集模式协议( 如d v m r p t 9 1 ，p i m d m l l 0 1 ) 和链路状态协议( m o s p f t “】) 。 2 1 1 距离矢量组播路由协议( d v m r p ) d v m r p ( d i s t a n c ev e c t o rm u l t i e a s tr o u t i n gp r o t o c 0 1 ) 是由单播路由协议 ( r i p ) 扩展而来，两者都使用距离向量算法得到网络的拓扑信息。不同之处 在于r i p 计算路由器至目的地的最佳下一跳，而d v m r p 则是计算朝向源的前 一跳地址。d v m r p 是基于r i p 协议的单播路由表进行计算的，因此只有使用 r i p 作为单播路由协议的情况下才能使用d v m r p 。 2 1 2 开放式最短路径优先组播协议( m o s p f ) m o s p f ( m u l t i c a s te x t e n s i o nt oo p e ns h o r t e s tp a t hf i r s t ) 是由o s p f i t 3 】扩展 而来。o s p f 给路由器提供它自己的o s p f 区域拓扑结构，m o s p f 通过这些网 络拓扑信息，使用d i j k s t r a t l 4 1 算法构建出以源为根的最短路径组播分布树。 m o s p f 协议的优点是使用了最短的路径来传输流量，减小了传输的延时。缺点 是只能在运行o s p f 的网络上，并且由于使用广播来通告成员资格，引入了不必 要的网络流量。 兰州大学硕士学位毕业论文 基于d i f l s e r v 的分层组播自适应标记算法设计 2 1 3 协议无关组播一密集模式( p i m - d m ) p i m - d m ( p r o t o c o li 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 ) 和d v m r p 协议类似， 但它不依赖于任何一种单播路由协议，比d v m r p 更简单。它假设路由器中某 种单播路由协议已经把路由表构造好了，利用单播路由表，从源端p i m 路由器 构建一棵到所有端节点的组播转发树。p i m d m 主要适用于发送者和接收者彼此 非常接近，网络中组接收成员的数量和组播包的流量都很大，且组播流量是持 续性的环境。 2 1 4 协议无关组播一稀疏模式( p i m - s m ) p i m s m ( p r o t o c o li n d e p e n d e n tm u l t i c a s t s p a r s em o d e ) 采用“拉( p u i i ) ” 模式分发组播数据，它假设所有路由器除非存在显式请求，否则就不向组播组 发送组播包。p i m s m 设置汇聚点r p 向所有p i m s m 路由器通告组播信息，并 通过让路由器显式地加入和退出组播组来减少数据报文和控制报文占用的网络 带宽。p i m s m 主要适用于组成员分布相对分散，且范围较广，组播流量是间歇 性的，网络带宽资源有限的环境。 2 1 5 有核树组播路由协议( c b t ) c b t ( c o r e - b a s e dt r e e s ) 的基本目标是减少网络中路由器组播状态，以提 供组播的可扩展性。为此c b t 被设计成稀疏模式，使用双向共享树，以某个核 心路由器为根，允许组播信息在两个方向流动。因此，c b t 不能使用r p f 检查， 而使用i p 包头的目标组地址来作转发检查。这就要求对c b t 共享树的维护要非 常小心，以确保不会产生组播路由循环。 2 1 6 特定源协议无关组播协议( p i m - s s m ) 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 ) 是一种区别于传统组播的新的业务模型。 它同时使用组播组地址和组播源地址来标识一个组播会话，也称为一个频道。 接收主机不仅要知道组播组地址g ，还要知道组播源地址s 。 p i m 。s s m 1 5 1 是一种特定源组播路由协议，它是在对p i m s m 进行一定的修 改后得到的。主要的修改如下：( 1 ) 当d r 收到一个( s ，g ) 加入请求时( 其 6 兰州大学颂士学位毕业论文基于d i f i s e r v 的分层组插自适应标记算法l 挫计 中地址g 是s s m 地址范围) ，它必须开始一个( s ，g ) 加入，而禁止任何( ， g ) 加入；( 2 ) 主干路由器不能传输组地址在s s m 地址范围内的( ，g ) 的加 入请求；( 3 ) 当组地址在s s m 地址范围内时，聚合点( 1 心) 不能接收p i m 注 册消息或( ，g ) 加入消息。经过上述修改后得到的p i m s s m 能够很好的支持 s s m 。其优点是组播树都是对源的s p t ，摆脱了对r p 的依赖，协议体系结构简 单，易于管理维护：只有特定的源才能给组播组发送数据，其他源的数据直接 被丢弃，减轻了网络的负担；由于使用了频道的概念，解决了地址冲突的问题， 避免了2 个不同的源使用同一个组播地址带来的混乱。因此，s s m 特别适合于 点到多点的组播服务，也是本文要用到的组播传输方式。 2 2 分层组播与视频流分层编码 2 2 1 分层组播概述 虽然组播在一对多的视频传输中能够有效提高带宽利用率，改善q o s 水平。 但由于i n t e r n e t 底层的异构性及每个组成员所处的网络环境、q o s 需求和自身处 理能力各不相同，使得组播比传统点对点数据传输模式在流量控制方面更为复 杂，制约了组播在i n t e m e t 上推广。 为了解决组播环境的异构性问题，j o s a n k u 提出了基于分层思想的组播传 输机制【1 6 】。分层组播实际上是多媒体流的分层编码技术与i p 组播技术以及相应 的速率控制技术有机结合的产物。它的基本思想是：将原始视频流编码成多层 比特流，不同层次的数据使用不同的组播组同时进行传输，系统根据各接收方 所处的网络状况、处理能力以及接收方对媒体质量的需求，为其分配最合适的 接收码流层数，通过加入或者离开组播组的操作使接收节点获取与其自身相适 应的媒体质量，从而有效解决了组成员的q o s 需求多样性及组播系统可扩展性 等问题。分层组播是目前在组播环境中解决网络异构性以及网络动态性的最佳 方案。图2 2 展示了分层组播的工作过程。 需要注意的是，由于分层组播方案采用了基于层次的多速率调整来实现拥 塞控制，因此这类方案又被称为“分层组播拥塞控制机制”。 7 兰州人学硕：i ：学位毕业论文基于d i f t s e r v 的分层纽播自适应标记算法设计 2 2 2 分层编码策略 图2 2 分层组播示意图 组播源对多媒体流的分层编码策略是分层组播的基础。根据各质量等级的 相关性，分层编码策略可分为两种类型： 1 非累积型( n o n c u m u l a t i v e ) 分层编码策略 假设组播源把多媒体信号分成m ( 脚【 1 ) 个不同的质量等级，每个质量等级 的多媒体信号对应带宽为b i ( 1 ism ) 。该编码策略中，组播源将多媒体信号 编码成m 个独立的组播层进行传输，并把每个组播层的传输速率调节为r i = b i ( 1 ，删) ，使每个组播层分别承载一个质量级别的数据业务，各组播层都可 以进行独立的解码以重建原信号。接收者根据自己的网络状态和q o s 要求，通 过加入组与离开组的操作，选择接收一个质量等级的媒体数据。在这种方式下， 最大带宽的使用量为：r 。x - 肼。由于同样的多媒体码流信息会在各组播层上 百 进行重复的发送，从带宽利用率的角度来看，非累积的分层编码策略不太适合 多媒体的传输。但是，接收者可以通过接收多层非累积编码流来获得足够的信 息冗余量，减少除重建信号的扭曲【1 7 1 。 2 累积型( c u m u l a t i v e ) 的分层编码策略 该编码方案中，组播源把多媒体信号编码成一个低码率的基础层( b a s e l a y e r ) 与若干个增强层( e n h a n c e m e n tl a y e r ) 。其中基础层包含了视频流中最 兰州大学硕士学位毕业论文基于d i f l s e r v 的分层纽播自适应标记算法设计 基本的信息，而增强层则逐层递近地包含了更细粒度的冗余信息，通过接收增 强层可以渐进地提高重建视频的质量。在累积的分层编码方案中，各层码流所 占用的带宽为： r i ：j 蜀一钆 1 1 ，其各组播层的相对速率为l ，c 1 ，c 2 c ，c 3 吒2 ， c 4 c 3 ， 即b i + l 邓b i ( 1 ，聊) 。一般常数c 的取值范围为：1 c 心。 9 兰州大学硕：学位毕业论文基于d i f f s e r v 的分层组播自适应标记算法设计 一般来说，对于某个可供选择的归一化接收速率范围 1 ，r ，如果组播 的层数越多，则接收端的速率调节粒度( g r a n u l a r i t y ) 就越小，在速率调整时所 获得的媒体质量就越平滑，但是所消耗的组播地址资源就越多，速率调整时所 进行的加入与离开操作也越频繁；反之，如果减少组播的层数，可以降低组播 地址的消耗，通过高效的阈值控制也可降低加入与离开操作的频率，但却增加 了接收端速率调节的粒度，容易引起接收端媒体质量的剧烈抖动。因此，在选 择各种速率分配方案时，需要在组播层数与速率调整粒度之间选择一个合理的 平衡点。 2 3 分层组播中的拥塞控制 2 3 1 组播拥塞控制协议的评价目标 组播捌塞控制协议具有很强的针对性，大部分协议都是针对某些特定问题 提出的。需求多样性导致了组播拥塞控制协议的评价目标多样化，我们认为其 中的两个评价目标对组播协议的性能尤为重要，即扩展性( e x p a n s i b i l i t y ) 和公 平性( f a i r n e s s ) 。此外，对分层组播来讲，收敛速度( c o n v e r g e n c e ) 、响应速 度( r e s p o n s i v e n e s s ) 、平滑性( s m o o t h n e s s ) 也是衡量其性能的重要指标。 1 组播拥塞控制协议的可扩展性 组播拥塞控制协议的可扩展性是指协议在性能( 包括吞吐率、延时) 下降 前可以支持多少用户。它受4 方面因素的限制： 1 ) 任务复杂性：当组成员的数量变得越来越大时，拥塞控制任务的复杂性 会急剧上升，从而限制协议的可扩展性。可以通过在发送端和接收端之间进行 合适的分工来解决这个问题。 2 ) 反馈爆炸问题 2 3 1 ：拥塞控制需要考虑所有组成员的拥塞状况，随着组规模 增加，大量的反馈可能湮没发送端。可以通过反馈聚合或反馈抑制机制来解决 这个问题。 3 ) l p m 问题l 堋：随着组规模的增加，组播树的数据丢失路径会随之增加， 从而导致大多数分组至少会经历一次丢失。如果发送端对每一次丢失作出响应， 组播吞吐量可能下降为0 ( d r o p - t o - z e r o ) 。这就是组播中的丢失路径多样性( l o s s 0 兰州大学硕七学位毕业论文基于d i f l s e r v 的分层组播自适应标记算法设计 p a t hm u l t i p l i c i t y ) 问题。适当的反馈聚合和反馈抑制可以减轻l p m 问题对组播 组性能的影响。 4 ) 网络随机延迟的影响嘲：即使在非常理想的网络环境中( 网络中无分组 丢失，路由器缓存无限大) ，随着组规模的增加，网络中随机分布的队列延迟 ( 路由器的服务延迟) 也会给组播组的性能造成影响。在大的组播组中，分层 组播是更好的选择。 2 组播拥塞控制协议的公平性 公平性( f a i r n e s s ) 是组播得以广泛应用的基础，是衡量一个组播拥塞控制 算法好坏的重要指标之一。组播拥塞控制中的公平性主要表现在两个方面： 1 ) 协议内的公平性( i n t r a - p r o t o c o lf a i r n e s s ) 协议内的公平性是指发送方在通信过程中对每一个接收方都按照同样的标 准发送数据包。在组援中，发送方的发送速率一般受到组中所有接收方的制约。 而且通常是由最差的接收方的发送速率来决定。 2 ) t c p 友好性( t c p f r i e n d l y ) t c p 在当前i n t e m e t 中占据了统治地位，其成功归因于它的捌塞控制和差错 控制机制。组播拥塞控制协议应该保证组播流与t c p 流共享瓶颈链路时，双方 可以公平地占用网络带宽，即组播的t c p f r i e n d l y 。这也称为协议间的公平性 ( i n t e r - p r o t o c o lf a i r n e s s ) 。 当前对于组播t c p f r i e n d l y 存在多种定义。文献1 2 6 给出的一种定义是“非 t c p 流量的长期吞吐量不超过相同情况下t c p 流量的吞吐量”。而文献伫7 1 对 t c p - f r i e n d l y 给出了更加严格的定义；所谓单播t c p f r i e n d l y ，是指在相同网络 条件下，如果一个单播流量对其他并存t c p 流量的长期吞吐量的影响，不大于 另外一个t c p 流量对后者的影响，此单播流量被认为是t c p - f r i e n d l y 。这个组 播t c p f r i e n d l y ，是指在发送端与每个接收端之间，如果流量具有单播流量 t c p f r i e n d l y 的特性，此组搔流量被认为是t c p - f r i e n d l y 。 目前，对组播t c p f r i e n d l y 的定义还存在很多争论。有些定义指出，由于 组播流量为多个接收方服务，因此应该允许组播流量使用比单播流量稍多的带 宽。文献2 8 1 采用下面的公式来定义组播t c p f r i e n d l y ： 兰州太学硕士学位毕业论文基于d i f l s c r v 的分层组播自适应标记算法设计 a r r c p r b r t c p ( 2 1 ) 这里r 表示瓶颈链路上的组播流的速率，r t c p 表示相同情况下t c p 流的速率， a 和b 是流接收端数目的函数。b a 反映了公平性度量。 此外，许多研究者对t c p 协议行为进行数学建模，尝试根据数学模型控制 非t c p 协议速率调整过程，使其具有t c p - f f i e n & y 。目前，一个被广泛接受的 t c p - f r i e n d l y 计算公式如公式2 2 所示： r = ( 2 2 ) 其中表示吞吐量，r t t 表示往返时间，q 表示分组丢失率，s 表示分组尺 寸。公式2 2 对链路高丢包率下超时重传因子的影响进行数学建模，能比较精确 的刻画不同网络环境下t c p 协议行为。在分层组播中，如果其接收速率是依据 公式2 2 的结果进行调整的，通常认为这种方案是t c p f r i e n d l y 的。本文第五章 将用此公式作为接收端计算接t c p - f r i e n d l y 速率依据，并根据计算结果来确定 q o s 需求。 3 分层组播拥塞控制协议的其他几个评价目标 1 ) 收敛速度 分层组播中的收敛速度是指各接收端的接收速率收敛到最优接收速率的速 度。一个好的分层组播方案应该能够使所服务的各接收端从任意起始状态开始， 快速收敛到具有最优带消耗速率的稳定状态上。 2 ) 响应速度 是指分层组播方案对网络状况的跟踪能力，它主要依赖于接收端如何快速 地检测观察到拥塞，以及快速地丢弃一定的层次来响应这个拥塞。 3 ) 平滑性 由于分层组播需要对网络拥塞信号进行响应，如果太过敏感，就会导致接 收速率发生振荡。这种振荡对于要求接收速率平滑的实时应用来说是一个严重 的问题，会影响用户对接收质量的满意程度。因此，一个好的分层组播方案不 兰州大学硕士学位毕业论文基于d i t t s e r v 的分层组插自适应标记算法设计 应该导致很大的振荡发生。 2 3 2 分层组播拥塞控制方案的分类 根据是否需要路由器支持，可把已有的分层组播拥塞控制方案分为两类： 端到端的方案和需要路由器支持的方案。 1 端到端方案 端到端方案主要依赖于各终端系统问的协作，不需要中间路由器的支持。 这类方案主要有以下3 种： 1 ) 接收端驱动的分层组播方案r l m r l m ( 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 ) p g 是第一个基于分层视频数据在 i l l t c m e t 上传输的实用方案，后续的分层组播研究多是以r im 为原型进行改进 的。其主要思想是：发送端采用累积型编码策略对视频信号进行分层编码，r l m 允许各个接收端独立地根据自己的有效带宽，尽力地从基础层开始，逐层向上 订阅相应的累积层次，所订阅的累积层次的总传输速率称为“累积速率”。对 于接收端来说，所接收的层次数越多，其累积速率也就越高，重建信号的质量 就越好。r l m 被认为是自适应视频传输的很好解决方案。因为它与当前基于“尽 力而为”思想的i n t e r a c t 架构兼容，而且是在接收端实现的自适应策略，能有效 解决接收端异构性问题，具有良好的可扩展性。 因为过多的失败“加入”测试将导致网络拥塞，r l m 提出“共享”学习机 制来减少加入测试的频率和持续的时间，但是同时使协议收敛时间变长1 3 0 1 。而 且该算法没有考虑t c p - f r i e n d l y 。也没有提供接收者之间加入退出的同步机制， 如果只有一些接收者退出一个层次而其他仍在该层，则不能进行剪校，拥塞状 况也不能被减轻。 2 ) 接收端驱动的分层拥塞控制方案r l c 为了解决r l m 的t c p f r i e n d l y 和接收端同步问题，v i c i s a n o 等人【3 ”提出了 接收端驱动的分层拥塞控制机制r l c ( r e c e i v e r - d r i v e nl a y e r e dc o n g e s t i o n c o n t r 0 1 ) ，它是一个t c p 友好的分层组播拥塞控制方案。 r l c 主要在以下4 个方面进行了改进：提出了新的层速率分配方案，规定 兰州大学硕一l ：学位毕业论文基于d i f f s e r v 的分层组插自适应标记算法设计 每个层次的传输速率按指数规则增长，使得在给定层次数的情况下，累积速率 可以跨越一个更广的范围；对基本的速率调整规则进行了改进，通过适当选择 每个层次的发送速率和接收端在订阅个新的层次之前所必须等待的无分组丢 失的时问，使拥塞控制行为模拟t c p 协议的a i m d 行为，从而实现与t c p 的友 好性；通过规定各接收端仅能在“同步时间点s p ( s y n c h r o n i z a t i o np o i n t s ) ”才 能加人一个新的层次( 如图2 3 所示) ，从而有效解决了各接收端之间层次决策 的同步问题；提出了一个由发送端发起的带宽探测策略，可以减少“加人尝试” 失败的可能性。 l 5 1 一一一一一一一一一一一一一一一 l 4 一f 一一一一一一一一一r 一一一一一i l l 3 l 2 长4 ；王4 - 三三三臣# 三