多媒体传送调度策略综述

1、多媒体传送调度策略综述摘要：概要地介绍了网络上多媒体的传输、发送、拥塞控制、服务提供以及并行服务器体系结构等各方面策略。其中，流媒体传输策略包括：流式传输、缓冲预存、智能流、资源预留和分层编码等，发送策略包括：广播、组播、广播式点播、分组、融合和分组融合等，拥塞控制策略包括：基于窗口的和基于速率的。还介绍了并行视频服务器系统结构策略和关键技术。最后介绍了内容分发网络（CDN）。关键字：流媒体；流控；拥塞控制；并行视频服务器；CDN1.引言言多媒体数数据包括括文字、图形、语音、图像等等等，计计算机对对多媒体体数据进进行处理理，要解解决信息息采集、编码、压缩、存储、传输、解压缩缩、解码码、信息息重

2、现等等等一系系列的问问题，当当然，在在这些方方面，现现在已经经有了许许多很好好的技术术和标准准。由于于图像所所包含的的信息量量太大，象电影影、电视视等节目目的视频频文件仍仍然需要要很大的的存储空空间，这这使得视视频文件件在Innterrnett/Inttrannet上上进行传传输有更更多的技技术困难难。随着着时代的的进步，这些技技术问题题也不断断地得到到解决。早些年，人们要要观看IInteerneet/Inttrannet上上的视频频节目需需下载整整个视频频文件。通过TTCP/IP协协议下载载文件时时，服务务器会按按照一定定的次序序将文件件分成若若干独立立的数据据包，然然后依次次发送出出去，而

3、而客户端端的程序序会将这这些数据据包重新新组装起起来，最最终形成成和原来来完全一一样的文文件。这这时，人人们才可可以操作作文件。在Innterrnett上下载载一部990分钟钟电影一一般需要要十多个个小时，这还需需要能保保证一次次成功。近年来，流媒体体技术1（也称流流式传输输技术）的诞生生和逐步步成熟使使得人们们只需等等待很短短的时间间就能以以边接收收边播放放的方式式欣赏视视频节目目。流媒媒体技术术，从原原理上讲讲，要对对视频文文件做预预处理以以使文件件适合于于流式传传输，预预处理是是以降低低图像质质量为代代价对原原有视频频文件进进行高效效压缩以以大幅度度减小文文件的体体积（一一般是原原来的1

4、1/51/33），流流式传输输技术还还需要适适合的协协议和一一些策略略以及专专用的服服务器和和播放器器。需求量的的日益增增大给媒媒体服务务器和网网络传输输带来了了很大的的压力，同时也也对它们们提出了了更高的的要求。因此，也就产产生的一一些应付付大需求求量的流流量控制制、拥塞塞控制等等策略，也出现现了并行行服务器器、CDDN（内内容分发发网络）等产物物。本文对流流式传输输、流量量控制、拥塞控控制、并并行视频频服务器器、内容容发送等等方面的的策略和和关键技技术做一一个概述述。2.基本本策略2.1流流式传输输策略此策略在在于消除除以往下下载方式式的过长长的等待待时间。流式传传输中，服务器器将原视视频

5、文件件分解成成一个个个小的数数据包，按照特特定的顺顺序，以以比较平平稳的速速度发送送到网络络上，客客户端的的播放程程序可边边接收数数据边播播放，如如图1。用户不不必等到到文件整整个内容容全部到到达后，才开始始播放，数据包包也不保保存到硬硬磁盘上上，播后后就丢。流式传传输还带带来另外外两大好好处：一一是，只只占用很很少的用用户端资资源；二二是，对对音像产产品的版版权进行行了有效效的保护护。图1 流流式传输输示意图图2.2缓缓冲预存存策略此策略在在于保证证播放的的连续性性。流式式传输允允许数据据包通过过不同的的路径到到达目的的地，因因此，可可能出现现文件包包先发后后至的现现象。再再者，由由于网络络

6、的不稳稳定性可可能造成成在客户户端断流流的情况况。为了了保证节节目播放放的连续续性，客客户端播播放器在在开始播播放之前前，在客客户端建建立一个个一定大大小的缓缓冲区，并按发发送时间间顺序将将接收到到的数据据包送至至缓冲区区预存，并等到到缓冲区区被充满满后才开开始播放放。从客客户提出出请求到到开始播播放一般般只有几几秒到十十几秒钟钟。缓冲冲区的作作用是，当在播播放过程程中出现现短时间间的网络络拥塞致致使数据据包不能能按时到到达时，播放器器还有预预存在缓缓冲区中中的数据据包可以以播放，而不至至于播放放中断1。2.3智智能流策策略此策略在在于网络络不畅时时用户仍仍然能接接收到平平稳的视视频流。在网络

7、络不畅时时，用户户能够接接受质量量相对较较差的视视频信息息，但不不能容忍忍节目断断断续续续，尤其其是在观观看直播播节目时时。智能能流1策略略是，允允许不同同速率的的多个流流同时编编码，合合并到同同一个文文件中，此文件件称为智智能流文文件。同同时，采采用一种种复杂客客户/服服务器机机制探测测带宽变变化。客客户端根根据所接接收的视视频信息息，将网络络可用带带宽反馈馈给服务务器，服服务器根根据客户户带宽将将智能流流文件相相应部分分传送给给客户，最大大限度地地使客户户满意。2.4分分层编码码策略此策略也也在于网网络不畅畅时用户户能接收收到平稳稳的视频频流。多多媒体数数据在网网上传输输的困难难，主要要是

8、视频频图像数数据量太太大。分分层编码码2的做法法是，按按照信息息的重要要性的不不同对视视频图像像分层，最重要要的信息息（如一一幅图像像的大体体轮廓）作为第第一层，次要的的信息作作为第二二层，更更次要的的信息（如色彩彩、亮度度等）作作为第33、4、N层层。第一一层称为为基本层层，其它它层称为为增强层层。一幅幅图像可可以看作作是多个个层叠加加而成。编码时时，各层层单独编编码，并并分配不不同的优优先级。在传输输过程中中，根据据用户带带宽、网网络情况况以及实实时要求求等因素素对数据据包的传传输动态态地做出出一些选选择。当当网络不不够顺畅畅时，视视频数据据中一些些次要的的增强层层数据包包将被丢丢弃，以以

9、保证重重要的数数据能正正常传送送。这时时，客户户也能不不中断节节目播放放，只是是视频质质量有所所下降。3.流量量控制策策略对一些热热门节目目，尤其其是大型型体育赛赛事、文文艺演出出、重大大事件等等直播节节目，用用户需求求量特别别大，过过多的访访问要求求容易导导致服务务器崩溃溃。因此此，必须须进行流流量控制制，但同同时又要要尽可能能地满足足客户的的要求。这就需需要有好好的流量量控制策策略。3.1广广播和组组播策略略在广播1方方式中，数据包包的单独独一个拷拷贝将发发送给网网络上的的所有用用户（无无论用户户需要否否）。无无疑它减减小了网网络的负负载和发发送者的的负担。但是，广播方方式，只只有在支支持

10、广播播的网络络上才能能实现。因此，广播方方式通常常只在小小范围内内使用。组播11类似于于广播。在组播播方式中中，数据据包的单单独一个个拷贝将将发送到到一个组组地址，所有加加入该组组的用户户都可以以收到。目前，组播已已经得到到了广泛泛的应用用，很多多实时的的多媒体体会议及及教育系系统都是是基于组组播开发发的。3.2广广播式点点播策略略此策略在在于以广广播的方方式进行行点播，其目的的在于一一个节目目支持所所有愿意意观看该该节目的的所有用用户。其其基本思思想是将将一个节节目划分分为若干干段，每每一段占占用一个个广播频频道并在在该广播播频道上上轮循广广播。用用户在点点播时，先等待待至第一一段的开开始；

11、在在播放某某一段时时，可以以同时接接收下一一段的视视频内容容，以达达到段段段之间的的不间断断播放。由于视视频输出出采用广广播模式式，且分分段轮循循，因此此用户在在任意时时刻想观观看该节节目时，只要稍稍作等待待便可，达到点点播观看看的目的的。该模模式一般般应用于于热门节节目的播播放中。3.3分分组策略略此策略在在于集中中访问时时减少系系统开销销。在VVOD应应用中，由于大大多数请请求集中中在少数数的热门门节目上上，而且且经常集集中在一一个黄金金时段，在此黄黄金时段段中每一一个短的的间隔时时间内都都可能有有对同一节目目的大量量请求。分组策策略33的做做法是，将黄金金时间段段平均分分成许多多小的时时

12、间间隔隔，针对对每一个个时间间间隔，收收集所有有的用户户请求并并加以分分组，相相同请求求的用户户在同一一组中。然后服服务器为为不同的的请求各各分配一一个信道道，同一一组的用用户共享享一个信信道上的的相同的的视频流流。这种种策略虽虽然使一一些用户户的时延延增大，但却可可能成百百上千倍倍地满足足大量的的用户需需求。只只要时间间间隔选选取适当当，加上上网络造造成的时时延，用用户能接接受就可可以。3.4融融合策略略此策略在在于将针针对于同同一节目目请求的的时间比比较接近近的多个个视频流流合并为为一个流流以减少少开销。融合策策略33和分分组策略略的基本本出发点点是相同同的，都都是为了了使得多多个用户户共

13、享同同一视频频流。与与分组策策略不同同的是，融合策策略首先先保证即即时响应应用户请请求，然然后根据据情况，对相同同节目且且时间接接近的多多个视频频流，在在时间相相对较快快视频流流中插入入一些本本不必要要的帧（如重复复帧）以以减慢其其步伐，相反，在时间间相对较较慢视频频流中丢丢弃一些些帧（如如不重要要的帧）以加快快其步伐伐，一旦旦出现视视频流同同步时，就让它它们共享享一个信信道，从从而达到到节约带带宽资源源目的，以让更更多的用用户能得得到服务务。3.5分分组融合合策略此策略3是是分组策策略和融融合策略略的结合合物。一一方面，使用分分组策略略，对用用户进行行分组，同组用用户共享享信道；另一方方面，

14、使使用融合合策略，将节目目相同且且时间接接近的不不同信道道进行融融合，使使小组成成为大组组。这样样，将更更加提高高网络带带宽的利利用率，也减少少系统开开销。如如图2，在00,t11时段段请求QQ11、Q1mm，共享享流从时时刻t11发出的的S1，在tt1,t2时段段请求QQ21、Q2nn，共享享流从时时刻t22发出的的S2，在时刻刻t2开始对对S1和和S2进进行融合合，直至至它们速速度相同同，这时时恢复SS1至正正常速度度，去掉掉S2，让两组组请求一一起共享享S1。图2 分分组融合合示意图图4.拥塞塞控制策策略网络可用用带宽是是动态变变化的，如果数数据的发发送总是是以某个个固定的的速度进进行，

15、就就会产生生一些问问题。比比如，当当网络空空闲时，过小的的发送量量造成网网络带宽宽资源浪浪费；而而当网络络较忙时时，过大大的发送送量会造造成网络络阻塞，甚至大大量数据据包丢失失。因此此，应当当有合适适的拥塞塞控制策策略，使使发送者者能够根根据网络络的拥塞塞情况的的变化适适时地调调整数据据发送量量。在网网络传输输领域中中经常采采用的拥拥塞控制制方法有有两种4：基于窗窗口的和和基于速速率的。4.1基基于窗口口的拥塞塞控制策策略基于窗口口的拥塞塞控制策策略，发发送方维维持着一一个拥塞塞窗口，其发送速速率是根根据其窗窗口大小小来调控控的，以数据据包个数数为单位位，使用用缓慢增增加拥塞塞窗口的的方式来来

16、获取与与可用网网络带宽宽的匹配配，当检检测到网网络拥塞塞时，就就迅速减减少拥塞塞窗口的的大小，以减少少和避免免网络冲冲突。例例如，TTCP协协议使用用一种AAIMDD（adddittivee inncreeasee muultiipliicattivee deecreeasee，线性性加乘性性减）的的拥塞控控制算法法：如果果发现一一个数据据包丢失失，则认认为目前前网络拥拥塞，随随即将窗口口大小减减半，以以减小发发送速率率，从而而避免拥拥塞的加加重；如如果没有有发现数数据包丢丢失，则则认为目前前网络状状况良好好，发送送者将窗窗口大小小加大，进而增增大发送送速率。TCPP的拥塞塞控制算算法每发发现

17、一个个数据包包丢失就就将窗口口减半的的做法极极大地破破坏了数数据流的的平滑性性，因此此，它非非常适合合于那些些时延要要求不高高但必须须可靠传传输的应应用，而而对于实实时媒体体则并不不适合。4.2基基于速率率的拥塞塞控制策策略基于速率率的拥塞塞控制策策略，以以每秒发发送的比比特数为为单位，先估计计网络的的可用带带宽，然然后调整整发送数数据的速速率，试试图使视视频传输输的网络络带宽需需求与该该连接链链路的可可用带宽宽相匹配配，来减减少或避避免网络络拥塞的的发生。常用于于调整源源端发送送速率的的算法有有两种类类型：基基于探测测的和基基于模型型的。4.2.1基于于探测的的拥塞控控制策略略基于探测测的拥

18、塞塞控制策策略，就就是发送送方依据据接收方方的反馈馈信息来来探测网网络的可可用带宽宽并不断断调整发发送速率率以避免免网络拥拥塞情况况的发生生。根据据发送方方调整速速率的不不同方式式，基于于探测的的速率控控制算法法分为AAIMDD5（Adddittivee Inncreeasee annd MMulttipllicaativve DDecrreasse, 线性加加乘性减减）方法法和MIIMD6（Mulltippliccatiive Inccreaase andd Muultiipliicattivee Deecreeasee, 乘乘性加乘乘性减）方法。AIMMD方法法，当网网络拥塞塞时，将将发送

19、速速率乘性性减小以以迅速降降低对所所需带宽宽的要求求；当网网络空闲闲时，则则线性增增加发送送速率以以充分利利用带宽宽。MIIMD方方法不同同的是，当网络络空闲时时采用乘乘性增加加发送速速率的策策略。当当乘性因因子较大大时，会会造成接接收方接接收速率率的剧烈烈振荡和和丢包率率的增加加，不适适合实时时视频的的传输。4.2.2基于于模型的的拥塞控控制策略略基于模型型（有的的文献中中称为基基于公式式）的拥拥塞控制制算法最最先在文文献77中提提出，主主要为了了减少视视频流发发送的抖抖动性。它依据据一个TTCP吞吞吐量模模型来进进行发送送速率调调整，通通过以分分组丢失失率PLL、往返返时间RRTT等等为参

20、数数来计算算发送方方的最大大传输速速率，发发送方依依据此计计算结果果为来对对自身的的发送速速率进行行调整。这种控控制算法法的优势势在于发发送速率率较基于于探测的的算法平平滑，其其不足在在于发送送方的计计算量较较大以及及对拥塞塞的敏感感度稍有有降低。5.并行行策略在访问量量不太大大的情况况下，可可使用单单服务器器形式，数据保保存在服服务器的的磁盘中中或独立立的磁盘盘阵列中中。当单单服务器器不能满满足客户户需求时时，就产产生了多多服务器器的并行行结构。当多个个服务器器、多个个数据结结点以不不同的方方式进行行连接时时，就形形成了不不同的体体系结构构，因而而，也就就需要不不同的文文件管理理、数据据存取

21、、服务方方式等方方面的策策略和技技术。下下面简单单介绍几几种并行行视频服服务器体体系结构构以及两两种VOOD关键键技术策策略。5.1并并行视频频服务器器体系结结构随着视频频点播需需求量越越来越大大，并行行视频服服务器技技术越来来越受到到人们的的重视8112。从现有有的并行行视频服服务器体体系结构构上看，大约可可以分为为分布式式结构、集群式式结构和和并行计计算机结结构等几几类。分布式结结构是用用多个相相互独立立的服务务器同时时提供视视频服务务，其技技术特点点是各服服务器的的存储II/O、网络II/O等等资源不不共享。这种结结构的主主要问题题是节目目的存储储问题：当每个个服务器器都存储储同样的的节

22、目时时，就会会造成存存储开销销太大；当不同同服务器器之存储储不同节节目时，就会造造成负载载不平衡衡。集群群式结构构是多个个相互独独立服务务器共享享存储资资源。主主要有两两共享方方式：一一种是多多台独立立服务器器共享网网络盘阵阵(SAAN)，但其花花费代价价高，不不易扩展展；另一一种是用用高速网网将各服服务器连连接起来来，数据据都打散散到各服服务器中中，但任任何一个个服务器器的故障障都将导导致整个个系统的的崩溃。采用并并行计算算机进行行视频服服务可以以分为两两类。一一类是采采用现有有的并行行计算机机，如SSGI Oriiginn20000/330000 ,SSun SPAARC,HP990000

23、等。这这类计算算机其原原始出发发点并不不是为了了视频服服务，只只是在其其上配置置了相应应的视频频服务软软件等，其实际际能力并并不能完完全发挥挥。另一一类是研研制专用用的并行行视频服服务器，如nCCUBEE公司的的nCUUBE44。它的的存储、网络II/O、操作系系统和服服务软件件都具有有较强的的针对性性，服务务效果好好。5.2 动态平平衡策略略为使各服服务器的的负载均均衡，并并行VOOD服务务器需要要采用某某种动态态平衡策策略来根根据用户户的视频频请求进进行服务务分配。负载平平衡方法法很多，比如进进程迁移移133、SSAMRR144、轮轮询DNNS115等等，VOOD系统统采用的的负载平平衡策

24、略略通常有有三种：轮循法法、最小小连接法法和处理理能力平平衡法16。轮循均衡衡将来自网网络的请请求依次次循环地地分配给给服务器器组中各各个服务务器。这这种简单单软流分分配的策策略仅适适合于服服务器群群组中的的所有服服务器都都有相同同的配置置并且平平均Weeb访问问时间相相对均衡衡的情况况。 最小连接接数均衡衡记录对服务器器组中每每台服务务器当前前正在处处理的连连接数量量，当有有用户请求求时，将将处理任任务分配配给当前前连接最最少的服服务器。这种策策略使均均衡更加加动态化化，更加加符合实实际情况况。 处理能力力均衡针对服务务器组中中各服务务器配置置不同情情况，根根据各服服务器的的CPUU和内存存

25、、外存存情况计计算提出出其处理理能力单单位，再再根据每每台服务务器的能能力将任任务进行行均衡分分配。这这种策略略更加精精确。5.3 磁盘CCachhe策略略计算机术术语Caachee的含义义是高速速缓冲存存储器。计算机机工作时时，总是是把最新新的数据据存放到到Cacche中中，并根根据使用用频率进进行动态态更新。CPUU读取数数据时总总是先访访问Caachee，只有有Cacche没没有所要要求的数数据时，才到较较慢的存存储器中中去访问问数据。在计算算机应用用中，大大量采用用了Caachee技术，如处理理机使用用的Caachee存储器器、虚拟拟内存和和磁盘缓缓冲区等等。“磁盘CCachhe”是针

26、对对这样一一种结构构的集群群式并行行VODD系统提提出的：服务器器组中每每个服务务器自带带一定的的硬盘存存储能力力，所有有数据都都保存在在网络磁磁盘阵列列或多个个数据节节点上供供每个服服务器共共享。磁磁盘Caachee策略是是以一定定的算法法来确定定节目的的“热门程程度”，并将将“热门节节目”的视频频数据文文件拷贝贝到服务务器上。这样，如果客客户请求求的节目目当前恰恰好在服服务器中中，那么么就可以以直接提提供服务务。磁盘盘Cacche策策略同时时根据节节目“热门程程度”的变化化动态地地更新服服务器上上不再热热门的节节目文件件，真正正起到“Cacche”的作用用。6.内容容传送策策略随着Innt

27、errnett的迅速速发展，媒体网网站和企企业网站站的业务务都急剧剧增加，因此，网站必必须拿出出应付的的策略。前面提提到过的的并行服服务器结结构，从从局部来来看它是是一种很很好的策策略，但但从整体体上看，还是存存在很大大的问题题：Innterrnett难堪重重负。因因为，传传统的媒媒体发布布系统采采用标准准的集中中式的客客户机/服务器器技术实实现内容容的传送送，每个客客户端都都需要创创建一个个直接连连接服务务器的信信道17。6.1 镜像服服务器策策略镜像服务务器策略略是一种种“送货上上门”策略。一些门门户网站站在需求求量很大大的地方方建立镜镜像服务务器，它它既分担担服务器器的网络络流量，同时也

28、也给Innterrnett减轻了了很大的的压力。6.2 边缘服服务器策策略为了克服服传统的的集中式式模式不不具备可可伸缩性性的局限限，把客客户端/服务器器模型发发展成为为广播网网络模式式。在新新的架构构中，发发布服务务器由多多台位于于核心的的广播服服务器和和位于网网络边缘缘的服务务器组成成，形成成一种可可伸缩的的应用级级内容传传送解决决方案。任何一一台广播播服务器器都可以以向边缘服服务器发发布内容容，而由由边缘服服务器向向客户提提供服务务。这种新的的架构，具有很很好的可可扩展性性。随着着企业的的发展，网络的的流量不不断增加加，可以以在网络络的边缘缘增加这这类服务务器。6. 33 CDDN策略略

29、CDN策策略也是是提供边边缘服务务。与网网站的边边缘服务务器不同同的是，CDNN服务由由独立的的运营商商提供。CDNN188（Conntennts Delliveery Nettworrk，内内容分发发网络）可简单单理解为为网络缓缓存、网网络代理理。它的的工作方方式是将将网站的的内容发发布到最最接近用用户的网网络边缘缘，使用用户可以以就近取取得所需需的内容容。CNND主要要用来解解决网络络数据流流量对骨骨干带宽宽的消耗耗，同时时减少大大量用户户占用IInteerneet带宽宽，从而而也提高高了骨干干带宽的的利用率率。在CCDN服服务之下下，宽带带用户能能够欣赏赏到高质质量的视视频节目目。流媒体

30、的的CDNN服务（如图33）主要要有两方方面的用用途：一一是用于于处理访访问量比比较大的的网站的的日常流流量，例例如CCCTV网网站；二二是用来来应付重重大事件件所产生生的爆发发流量，例如企企业所做做的重大大活动的的网上直直播。图3 支支持流媒媒体的CCDN服服务参考文献献:1 欧建平平,娄生生强.网网络与多多媒体通通信技术术M.北京京：人民民邮电出出版社,20002:1-220.2 侯芬,朱祥华华,流媒媒体技术术讲座第第4讲多多媒体流流的分层层传输.中国数数据通信信,20002,(9) :883-8853 周宁,姜昱明明.VOOD视频频服务器器中的视视频流调调度策略略.计算算机应用用与研究究

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