分层组播机制的应用

1、分层组播机制的应用关键词：分层组播；单次 clr ；异构网络；虚拟课堂分层组播技术是异构网络中传输多媒体实时数据的一个重要解 决方案。网络技术的应用和快速开展已经使人们可以通过网络进行随时 随地的学习。虚拟课堂就是在电脑网络和多媒体等技术的支持下所 构建的一个虚拟的教学环境，它模拟真实的教室，让教学活动顺利 自然地在虚拟的环境中实现。虚拟课堂的网络传输的设计目标是使学习者能够实时、 流畅地看到 多媒体学习指导信息，允许多个学习者同时自由、方便地参加或者 退出虚拟课堂。虚拟课堂的用户是处在异构网络环境下的，这就对 信息的数据发送速率选择带来了很大的困难。如果以较低接入速度 为标准发送组播数据，那

2、么接入速度大的用户就会浪费大量的带宽 资源，不能获得理想的接收效果；相反，如果以较高接入速度为标 准发送组播数据，接入速度较低的用户就无法实现视频信息的流畅 播放。为解决这个问题，虚拟课堂用分层组播的方式来满足异构网 络环境下学习者的不同需求。smcc是一种半适应性动态分层机制，它介于固定分层和动态分层 之间，不对整个组进行大规模的速率调整，而是把调整范围限定在 各层之内。这种技术的关键在于各层能够从反应者中选出代表，根 据代表的速率来调节层发送速率。本文在 smcc的根底上，优化 clr(the current limitingreceiver)的动态选择机制，合理分配 使用网络带宽，较好地

3、实现了对虚拟课堂网络组播拥塞的响应和控 制，并保持了虚拟课堂分层组播的稳定性。1 分层组播原理与算法1 1 分层组播原理组播防止了网络使用的冗余， 主要用于点到多点、 多点到多点的数 据传输。组播是依托 ip 协议完成的，数据包在数据传递树的分叉 处被强制复制，而不是由信源端节点屡次重复发送数据拷贝。分层组播的根本原理是， 信源端将数据分为多个层， 不同层次的数 据使用不同的组播组传输。接收端通过出入不同层次对应的组播组 来实现拥塞控制。如果各层编码之间的关系是相互独立的，那么称为 “联播方案；如果各层之间的关系是累积式的，那么称为“累积式 分层组播方案。因为累积式分层方案中各层之间不包含重复

4、的信 息，可以更有效地利用网络带宽资源，所以是目前多种新型分层组 播技术的根底。1 2 分层组播算法 原始的信源端使用一个累积式的分层编码器， 它把原始数据流分为 可累加的假设干层ci(i=1 , 2,n)，其中cl为根底层，另有n-1 个加强层。根底层能保证信号的最低质量要求，而 ci+1 层为己有 的cl, c2,ci提供增强信号，同时申请假设干个组播组地址 zi(i=1 ，2，n)，发送数据流时，用一个组播组地址配套传输一 个数据层，即ci zi(i=1 , 2,n)。接受端利用组播的参加机制 选择接收适合的数据层。参加不同的组播组可获得不同的接收速 率。根底层数据最为重要，从根底层到最

5、高加强层，数据的重要性 逐层降低，相应地传输优先级也从低层到高层依次降低。当网络发 生拥塞时，优先过滤掉当前分层组播中最低优先级的最高层数据， 从而保护高优先级低层重要数据。假定 bi 表示从根底层到第 i 层 的总的累积发送速率，rx表示第x层的发送速率，那么接受端获得的 接收速率 . 具体设计时首先要考虑两个重要参数，个是编码层数 n它决定了一个组播系统所要维护的组播组的个数；另一个是每 层的发送速率 rx ，它决定了层速率调整的粒度。 总的累积发送速率 所覆盖的范围由n和rx共同决定。2 smcc 的进步和存在的问题21 smcc 的进步smcc(smooth multirate mul

6、ficast congestion control)采用分层的方式组播数据，每层都独立使用单速率组播算法 tfmcc 来实现 拥塞控制，这是一种多个协议相结合的做法。smcc将tfmcc应用到 每层的速率调节中，接收端依据条件反应期望速率，信源端选择各 层中速率最低的接收端充当本层的层代表 clr ，并按照层代表的速 率重新调整确定本层发送速率。每层的实际发送速率不再是固定不 变的，而是适应成员速率的变化，在层内进行重新合理调节。 smcc 机制非常简单且易操作执行，它让层内速率最低者成为 clr ，信源 端根据各层的 clr 的反应信息来调节各层的发送速率，确保完成数 据传输。22 smcc

7、 存在的问题 在实际应用中， smcc 的缺乏往往就源于 clr 的上述选择机制，因 为 clr 往往是随着自身网络环境的变化而不断变化的。假设由于网 络状况的变化，充当 clr 的期望速率突然下降，其结果必然是带动 层速率急剧下降，层内所有高速的接收者的实际接收速率也必然随 之急剧下降，这种做法显然有很大的缺乏。 当某层其他接收端的网络出现了拥塞或者新的接收端参加该层， 该 层的 clr 就有可能被取代。当第 i 层的某接收端计算所得的速率小 于第 i 层实际发送速率并且大于 i-1 层最大发送速率时，该接收端 就会给发送端反应信息。发送端得此反应信息后，经选择机制选择 确认新的 clr ，

8、并调整发送速率到达新的 clr 的速率并与其保持一 致。这种算法保证了 clr 在本层的最低速率代表， 使组播正常工作， 但结果是 clr 的频繁更涣且不具有代表性， 甚至还经常出现被弃 clr 反复中选又反复陂弃的情况，最终导致接受速率发生震荡，平滑率 下降，反应包数量增大，容易出现反应爆炸问题。当某层中 clr 要 离开组播组时，向发送端发出离开信息，发送端接到该信息后，重 新在该层的接收端中选出新的 clr 。选择新 clr 时，同样会出现重 新选择了原先被弃 clr ，而被弃 clr 往往是本层中接收速率变化较 多的接收端，这将给此层传输速率的稳定性带来负面影响。3 单次 clr 的选

9、择机制3 1 合理设置速率差阈值挂起 clr 在 smcc 机制下，在充当 clr 的接收端期望速率突然下降时，其结 果必然是带动层速率急剧下降，层内高速的接收者的实际接收速率也必然随之急剧下降。为防止这种由于 clr 意外急剧下降而造成对 全层用户的影响，我们通过对 clr 设置速率差下降阈值来控制。假 设 i 层 clr 与当前层发送速率 ri 的速率差超过先前设置的阈值， 就会被挂起。 i 层发送速率将不再随此 clr 变化，暂按挂起发生前 的发送速率执行。随即按照 clr 选择机制选择适宜的接收端作为本 层 clr ，取代当前 clr 成为新的 clr 。阈值的合理设置至关重要， 既要

10、保证及时挂起不合格 clr ，又不可过于敏感，造成频繁遴选。 3 2 挂起 clr 无权中选新 clr 为防止旧 clr 因为速率下降超过阈值被剥夺 clr 资格后，在新一轮 clr 选择过程中与其他接收端竞争，我们规定旧 clr 被剥夺资格后 不得参与竞争。如果没有这个限制机制，旧 clr 因为速率下降超过 阈值而被剥夺 clr 资格后又未被退出本层，此时适宜的预备新 clr 还没来得及把发送速率上拉，旧 clr 自然就有可能再次中选。挂起 clr 再次中选很有可能引发新一轮的 clr 挂起、重选的过程，那么其 挂起机制没有起到合理地重新选择 clr 的成效。如果当某层 clr 由 于各种原

11、因离开原组参加到其它组接收新结构的层数据，基于同样 的原因也设置其放弃 clr 的竞争。本文认为挂起让它 clr 无权中选 新 clr 直至虚拟课堂本次组播结束的机制，可较好地保证组播网络 的稳定性，非常有必要。3 3 单次 clr 机制在虚拟课堂应用的适应性分析 虚拟课堂的众多接收端有着异构特征， 同时又有着其他分层组播网 络所不具备的特点。首先，虚拟课堂的组播具有很强的时效性，其组播数据流一般不会持续太长时间。这让单次 clr 机制弊端 如持 续挂起数量较多 的影响只持续较短的时间，虚拟课堂下一轮组播 依然有着广泛 clr 选择余地。其次，虚拟课堂的接收端在接收组播 数据过程中有着相对较好

12、的设备稳定性。虽然虚拟课堂的用户其网 络状态不可防止存在差异且受公共网络的影响带宽会出现跳变，但 大多数接收端一般会保持稳定，这使单次 clr 机制出现弊端的概率 会大幅降低。再次，目前为解决网络时延抖动的问题，在虚拟课堂 接收端一般会设置一个缓冲区，对多媒体组播数据进行缓存、同步 的处理。接收端多媒体数据接收线程把接收到的数据存放在缓冲区 中，接收端视频回放线程周期性地从缓冲区中取出视频数据进行回 放。根据缓冲设置情况调整阈值参数设置，可以让单次 clr 选择机 制在虚拟课堂中的应用更具合理性。4 结束语为了尽可能防止由于 clr 意外急剧下降而造成对全层用户的影响， 本文引入挂起 clr 无权中选新 clr 的方法，排除了挂起再次中选从 而引发新一轮挂起与重选的漏洞，保证了组播网络的