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复q 大学顶士论文 v o d系统中的视频流传输体系设计 摘要 视频点播 ( v o d - v i d e o o n d e m a n d )是多媒体技术与网络技术发展下的一个 产物， 是一项崭新的信息服务技术。 它满足了人们自 主收看节目、 随机获取信息 的需求， 为我们的生活和学习带来诸多便利。 可以说v o d 系统最能充分实现“ 以 人为本的个性化服务” 、 “ 超越时空” 、 “ 便捷舒适”的网络信息时代理念。 但是目前 v o d 系统在 工 n t e r n e t范围上的应用非常有限，原因是:v o d中的 视频流数据量大， 对网络带宽需求高， 并且由于需要实时传输以保证用户的连续 观看， 对传输延迟也有着严格的要求。 因此如何突破网络带宽消耗这一制约v o d 系统发展的最主要 “ 瓶颈” ，改善视频流在网络中的传输质量，建立有效利用有 限网络带宽资源的传输体系，已经成为v o d 系统研究中的一个热点。 本文提出了一种在 i n t e r n e t 范围上应用的、基于代理服务器辅助的可控性 视频流传输的v o d 系统体系。 我们的设计目 的是在尽量减少资源消耗的同时为大 规模的用户群提供较理想的准实时响应的v o d 服务。我们通过引入代理服务器， 充分挖掘代理服务器在c p u 处理以及存储方面的资源利用， 减轻了中心服务器的 工作负担， 减少了中心服务器和主千网的带宽资源消耗。 同时借助代理服务器将 组播传输的优势与单播传输的优势有效地结合在一起， 在提高了网络带宽资源利 用率的基础上又进一步缩减了用户端的服务延时。 我们分别采用不同的传输技术 来响应点播频率较高的“ 热门” 点播与点播频率较低的“ 冷门” 点播， 在中心服 务器、 代理服务器以及主干网之间实施了巧妙的资源分配， 有效地提高了资源利 用率， 增强了整个传输体系在流量多变的网络环境中的可适应性， 并且在调度方 面兼顾了对这两类点播的公平对待。 我们完成了基于代理服务器辅助的可控性视频流传输的 v o d系统体系的整 体设计，具体实现的算法设计，模拟试验的建模，最后用具体的试验结果证明， 这一传输体系在节省带宽资源消耗以及缩短用户端的服务延时方面的有效性。 关键字 v o d系统，组播， 代理服务器，资源消耗，服务延时 复旦大学硕士论文v o d系统中的视频流传输休系设计 a b s t r a c t t h e d e v e l o p m e n t s o f m u l t i m e d i a a n d n e t w o r k t e c h n o l o g i e s g i v e a r i s e t o v i d e o - o n - d e m a n d ( v o d ) ，w h i c h i s o n e o f t h e m o s t p r o m i s i n g s e r v i c e s i n e m e r g i n g b r o a d b a n d i n t e g r a t e d s e r v i c e d i g i t a l n e t w o r k s . v o d s e r v i c e c a n s t a n d f o r t h e n e t w o r k i n f o r m a t i o n c o n c e p t o f c u s t o m i z e d s e r v i c e b a s e d o n p e r s o n . h o w e v e r , d u e t o t h e h i g h b a n d w i d t h r e q u i r e m e n t s a n d t h e l o n g - l i v e d n a t u r e o f d i g i t a l v i d e o , s e r v e r a n d n e t w o r k b a n d w i d t h s a r e p r o v i n g t o b e m a j o r l i m i t i n g f a c t o r s i n t h e w i d e s p r e a d u s a g e o f v i d e o s t r e a m i n g o v e r t h e i n t e r n e t . i n o r d e r t o s u p p o r t a l a r g e p o p u l a t i o n o f c l i e n t s , t e c h n i q u e s t h a t c a n e f f i c i e n t l y u t i l i z e s e r v e r a n d n e t w o r k r e s o u r c e s a r e e s s e n t i a l . i n d e s i g n i n g s u c h t e c h n i q u e s , a n o t h e r i m p o r t a n t f a c t o r t h a t m u s t b e t a k e n i n t o c o n s i d e r a t i o n i s t h e s e r v i c e l a t e n c y . t h e e f f e c t i v e n e s s o f a v i d e o d e l i v e r y t e c h n i q u e m u s t b e e v a l u a t e d i n t e r m s o f b o t h t h e s e r v e r a n d n e t w o r k r e s o u r c e s r e q u i r e d f o r d e l i v e r i n g a v i d e o o b j e c t a n d t h e e x p e c t e d s e r v i c e l a t e n c y e x p e r i e n c e d b y c l i e n t s . i n t h i s p a p e r , w e p r o p o s e a p r o x y - a s s i s t e d v i d e o d e l i v e r y a r c h i t e c t u r e t h a t t a k e s a d v a n t a g e o f t h e r e s o u r c e s ( p r o c e s s i n g a n d d i s k s t o r a g e ) a v a i l a b l e a t p r o x y s e r v e r s t o s i g n i f i c a n t l y r e d u c e t h e s e r v e r a n d ( b a c k b o n e w i d e - a r e a ) n e t w o r k r e s o u r c e r e q u i r e m e n t s , w h i l e a t t h e s a m e t i m e p r o v i d i n g n e a r i n s t a n t a n e o u s s e r v i c e t o c l i e n t s . f u r t h e r m o r e , w e d e v e l o p t w o n o v e l p r o x y - a s s i s t e d v i d e o s t r e a m i n g t e c h n o l o g i e s f o r o n - d e m a n d d e l i v e r y o f h o t v i d e o o b j e c t s a n d c o l d v i d e o o b j e c t s r e s p e c t i v e l y , i n o r d e r t o m a k e v o d s e r v i c e b e h i g h l y a d a p t i v e , o p t i m i z i n g r e s o u r c e s u s a g e t o t h e l e v e l o f r e q u e s t t r a f f i c . t h r o u g h s i m u l a t i o n s , w e d e m o n s t r a t e t h e e f f i c i e n c y o f t h e p r o p o s e d p r o x y - a s s i s t e d v i d e o d e l i v e r y a r c h i t e c t u r e . k e y w o r d s : v o d . m u l t i c a s t , p r o x y s e r v e r , r e s o u r c e u s a g e , s e r v i c e l a t e n c y v 复旦大学硕十论文v o d系统中的视频流传输体系设计 己f j i i q 时间飞驶， 三年的研究生生活即将结束了 指导下， 在网络流媒体领域进行了系统的学习 三年中， 我在导师曹文君教授的 其间我对流媒体技术最广泛的应 用领域之一视频点播系统( v o d , v i d e o o n d e m a n d ) 产生了浓厚的兴趣，在导 师的支持下，选定v o d 系统的传输体系为主要课题研究方向。 本文对现今v o d 系统中所用到的一些典型的组播传输技术， 从网络带宽利用 率和服务延时两个方面进行了较为深入的 性能分析， 并在此基础上详细地提出了 对 v o d系统性能有较大改进的系统模型基于代理服务器辅助的可控性视频 流传输的v o d 系统体系。该系统用尽量小的网络带宽资源消耗提供最大范围的、 优质的准实时响应点播服务。本文不仅从理论上对该传输体系的特点进行分析， 而且进行了专门的模拟试验， 将其它同类的相关传输系统与该系统进行了一系列 的性能比 较， 通过具体的试验数据说明其在节省带宽消耗和缩短服务延时方面的 优势。 在结构上本文共分为下面的五个章节， 各个章节的内容组织如下: 第一章 讨论了 v o d系统的出现背景和目前的研究现状以及所面临的技术挑 战; 第二章 讲述了v o d 系统研究中出现的一些比 较典型的组播传输技术， 并从带 宽消耗以及服务延时两个方面作了比 较深入的性能分析; 第三章 详细描述了基于代理服务器辅助的可控性视频流传输体系的设计思 想和实现算法; 第四章 模拟系统的实现方案以 及模拟结果; 第五章 对全文进行总结并阐述了下一步的研究方向。 在正文展开前，我向所有审阅文章的老师和同学，表达我诚挚的谢意。由于 水平有限，文中错误难免，希望各位老师同学多多指教。 复旦大学硕士论文v o d系统中的视频流传输体系设 计 第一章 绪论 1 . 1 研究背景 1 . 1 . 1 流媒体的出现 自1 9 9 3年第一个图形化网络浏览器m o s a i c问世以来，工 n t e r n e t的用户数 量激增， 网上信息的组合方式也发生了巨大变化。 过去那种以单一方式将资源整 合在一起的做法， 正在被新的方式取代: 人们可以把图像、 声音以及其他文件内 容放到自己的网站中去。 当然， 这些新的文件类型的数据量比起压缩后的文本文 件要大的多。大数据量的文件传输，再加上每天以 指数级增长的新用户的加入， 大大加重了i n t e r n e t 的数据传输压力。 这就迫使人们在下载和上传文件时，不 得不经历长时间的等待。 对于数据量巨大的音视频文件， 用户必须等待整个文件 全部下载完毕之后，才能观看和收听到，等待的时间之长，简直不堪忍受。 大约在 1 9 9 5 年的时候， 流媒体技术出现了， 这是工 n t e r n e t 发展史上的一个里 程碑。所谓流媒体，就是指在网络中使用流式传输技术的连续时基媒体。 “ 流” 概念的提出， 彻底改变了i n t e r n e t 上媒体的处理方式， 使得在工 n t e r n e t 中 传播 多媒体信息成为可能。 与以往的“ 下载以后播放” 方式不同， 流媒体在文件下载 的同时就可以播放， 。i n t e r n e t 上传输的数据在被播放后，立即丢失，因此流媒 体可以做到合理的版权保护， 同时， 流媒体的服务器端管理程序支持用户对流媒 体的控制，用户与流媒体的互动性，是流媒体的另一特点。 流媒体给工 n t e r n e t 带来的变化是巨大的，它改变了 传统互联网限于文本和 图片的二维呆板的内容表现形式， 是宽带应用的发展方向。 同时流媒体能够广泛 应用于v o d 、远程教学、网络广告、交互视频游戏等， 大大拓宽服务范围，因此 各电信运营商都看好流媒体业务， 并希望能够以此带动宽带产业进入高速发展的 时期。可以预见，流媒体业务将成为宽带网 络上的主流信息业务。 流媒体是由 各种不同的软件构成的， 这些软件在各个不同的层面上互相通 信。基本的流媒体系统包括以下三个组件: 编码器: 在我们观看或收听流媒体之前， 原始音频视频文件必须先转换成流格式， 以便在 工 n t e r n e t网上传播。这项工作由流媒体编码器来完成。我们称这一过程 为 “ 编码” 。在这一过程中我们最重视这两点: 其一是在尽可能保证文件原有声 音影像质量的情况下， 降低文件的数据量; 其二是按照容错格式将转换后的文件 打包，这种处理方式能避免数据传输时发生丢失; 服务器: 流媒体服务器在某种程度上， 就像w e b 服务器一样， 都是在处理来自 客 户端的请求。 但是， w e b 服务器用于响应大量短暂请求。 而流媒体服务器在流媒 复旦大学硕士论文v o d系统中的视频流传输休系设计 体传输之间， 必须同用户端的播放器保持双向通信。 除此之外， 还提供额外的功 能，比如数字权限管理、插播广告、分割或镜像其他服务器的流，还有组播; 播放器: 是一种能够与流媒体服务器通信的软件， 可以像应用程序那样独立运行， 也可以作为w e b 浏览器的插件。 在众多的播放器中， 使用最广泛的大概有这么几 个:r e a l n e t w o r k 公司的r e a l p l a y e r 、 微软的w i n d o w s m e d i a p l a y e r 和苹果公 司的q u i c k t i m e 播放器。 流媒体系统的各组件必须在不同 层面上互相通信。 架构体系依靠协议、 文件 格式和编码解码器实现了这种交互通信: 协议: 协议为各组件之间的信息交换指定了底层的规则， 它必须同时满足我们在 i n t e r n e t上发送流媒体文件，满足播放器、编码器和服务器进行通信的需求。 流式传输的实现需要合适的传输协议， t c p 的特点决定了它并不适合与传输实时 数据，一般都采用建立在u d p 协议之上的r t p / r t s p 来传输实时的影音数据; 文件格式: 当流媒体数据在被播放器或服务器接受后， 将被按照特定的规则解开 并重新整理。这种规则我们称之为文件格式; 编码解码器: 这是最重要的，由于原始音视频数据量非常大， 我们必须通过编码 解码器将文件转换成流格式以便在 工 n t e r n e t 上传输。而当数据到达客户端的播 放器时必须在播放时进行解码。 这方面的技术目 前还不完善， 但是随着主流流媒 体平台广泛而激烈的竞争正在迅速地发展。 流媒体技术是网络音视频技术发展到一定阶段的产物， 是一种解决多媒体播 放时网络带宽问题的 “ 软技术” ，它不是单一的技术，它涉及到流媒体数据的采 集、 压缩、 存储、 传输以及网络通信等多项技术。在网络中真正要实现流媒体技 术， 必须完成流媒体的制作、 发布、 传输、 播放四个环节。 在这四个环节中需要 解决多项技术问题。 这些技术问题的最终目 的都是为了解决传输带宽、 压缩算法 以及安全性等问题。 互联网的迅速发展和普及为流媒体业务发展提供了强大的市场动力， 流媒体 业务正变得日益流行。 流媒体技术可以 广泛应用于互联网多媒体新闻发布、 在线 直播、网络广告、网络视频广告、电 子商务、视频点播、远程教育、 远程医疗、 网络电台、 网络电视台、 实时视频会议等互联网的信息服务领域。 流媒体技术的 应用将为网络信息交流带来革命性的变化，对人们的工作和生活产生深远的影 响。 1 . 1 . 2视频直播系统 ( v i d e o o n d e m a n d ，以下简称为v o d ) v o d 系统是多媒体技术和网络技术发展的产物之一， 由于其最贴近人们的生 活， 因此也成为流媒体技术最广泛的应用之一，v o d可应用与家庭娱乐、数字视 复q _ 大学硕士论文 v o d系统中的视频流传输体系设计 频图 书馆、 影视点播、 远程教育、 网上购物以 及远程医疗服务等这些信息服务领 域中。 v o d 也称为交互式视频点播系统， 意即根据用户的需要播放相应的视频节 目 ， 其本质是用户根据自己的需求，主动性极高的去获取多媒体信息。就其本质 看来， 它区别于传统的人们获得多媒体信息的方式， 创造性地改变了用户对信息 发布的主动性和选择性。 可以说， v o d 是未来多媒体信息获取的主流和必然趋势。 v o d 系统一般由 三部分组成:服务器端系统、网 络系统以及客户端系统。 . 服务端系统:服务端系统主要由视频服务器、档案管理服务器、内部通 讯子系统和网络接口组成。档案管理服务器主要承担用户信息管理、计 费、影视材料的整理和安全保密等任务。内部通讯子系统主要完成服务 器间信息的传递、后台影视材料和数据的交换。网络接口主要实现与外 部网络的数据交换和提供用户访问的接口。 视频服务器主要由存储设备、 高速缓存和控制管理单元组成， 其目 标是实现对媒体数据的压缩和存储， 以及按请求进行媒体信息的检索和传输; . 网络系统:网络系统包括主千网络和局域网络两部分。因为它负责视频 流的实时传输， 所以是影响连续媒体网络服务系统性能极为关键的部分。 同时，媒体服务系统的网络部分投资巨大，故而在设计时不仅要考虑当 前的媒体应用对高带宽的需求，而且还要考虑将来发展的需要和向后的 兼容性; . 客户端系统:包括视频播放器，完成视频节目 信息的播放，接收交互式 命令信息。 目 前， 根据不同的功能需求和应用场景，主要有三种v o d 系统: n v o d . t v o d i v o d . n v o d ( n e a r - v i d e o - o n - d e m a n d ) ， 可称其为就近式点播电视。 这种点播电 视 的方式是: 多个视频流依次间隔一定的时间启动发送同样的内容。 比如， 十二个 视频流每隔十分钟启动一个发送同样的两小时的电视节目。 如果用户想看这个电 视节目 可能需要等待， 但最长不会超过十分钟， 他们会选择距他们最近的某个时 间起点进行收看。在这种方式下，一个视频流可能为许多用户共享; t v o d ( t r u e v i d e o - o n - d e m a n d ) ， 称其为真实点播电视， 它真正支持即点即 放。 当用户提出请求时， 视频服务器将会立即传送用户所要的视频内容。 若有另 一个用户提出同样的需求， 视频服务器就会立即为他再启动另一个传输同样内容 的视频流。不过，一旦视频流开始播放，就要连续不断的播放下去，直到结束。 这种方式下，每个视频流转为某个用户服务; 复旦大学硕士论文v o d系统中的视频流传输体系设计 i v o d ( i n t e r a c t i v e v i d e o - o n - d e m a n d ) ， 称为 交 互式点 播电 视。 它比 前两 种方式有很大程度上的改进。 它不仅可以支持即点即放， 而且还可以让用户对视 频流进行交互式的控制。 这时， 用户就可象操作传统的录像机一样， 实现节目的 播放、暂停、倒回、快进和自 动搜索等。 v o d 系统有如下特点: . l o n g - l i v e d s e s s i o n : v o d 系统必须支持长时间的 服务器和用户端之间 长时 间的通信对话。 ，一般的影片长度也是在9 0 到1 2 0 分钟; h i g h b a n d w i d t h r e q u i r e m e n t s :比如，在网上传输 m p e g - 1 ( m p e g - 流的 带宽要求是1 . 5 m b p s ( 3 - 1 o m b p s ) ; s u p p o r t f o r v c r - l i k e i n t e r a c t i v i t y : 这是v o d 服务最大的 特点， 变被动为主动，随心所欲地对视频流做v c r 操作 ( “ 快进” 、 “ 后退， 、 和 “ 暂停” ) ; 2 )视频 用户能 “ 播放” q o s - s e n s i t i v e s e r v i c e : v o d 系统的客户与提供商最关心的q o s 参数有 务延时、传输过程中的丢帧率、互动程度以及播放的影像质量。 v o d 服务虽然很诱人， 但其实现技术却不是一根“ 易啃的骨头” 。 要考虑的 因素很多，比如: 服务器中的数据检索、 视频流的实时传输以及加密和解密、 播 放时的缓冲管理以及音视频的同步、 网络中断与演播中断的协调等待。 其中视频 流在网络环境中的传输技术是重点研究的技术之一。这是因为与传统的w e b站 点数据量相比，v o d系统的视频数据量大，对带宽资源需求非常高，而且对传 输时延要求严格。但是目 前服务器1 / o带宽资源和i n t e rn e t 网络带宽资源却是非 常有限的，资源需求己经成为制约 v o d系统在 工 n t e r n e t范围上发展的最主要 “ 瓶颈” 。如何设计出能够有效提高资源利用率的v o d 系统视频流传输体系，己 成为v o d 系统的研究热点之一。 1 . 2 v o d中视频流传输机制的研究现状 在过去的较长时间内， “ 单播”连接点对点技术被认为是最适合 v o d系 统的: 用户向 服务器发出点播请求信息， 服务器根据信息从存储系统中提取出对 应的视频节目， 与每个用户端建立一个单独的数据通道传输视频流。 这种连接可 以为用户提供对视频流的最大控制， 但对服务器的存储设备1 / 0 带宽和网络带宽 却耗费巨大， 尤其是网络带宽的占 用是与客户端的数量成正比的， 随着工 n t e r n e t 上每天以指数级数增长的用户， 如果不改变连接方式， 再多的带宽资源也会被消 耗殆尽。 复旦大学硕士论文 v o d系统中的视频流传输体系设计 图1 . 1组播网络模型 但是， 我们应该清楚地认识到， 组播 v o d 系统也存在着一些不足， 甚至在技 术上产生了新的挑战，使得在系统设计方面更加复杂化: . 提高服务效率的同时增加了支持v c r 互动操作的困难; . 属于同一组播用户群的用户由 于发出点播请求的时间不同， 导致从发出点播 请求到看到视频节目 的等待时间间隔 ( 我们一般称之为服务延时， 下同) 有 所不同; . 需要全网内的路由器都要支持组播，否则许多用户是无法接收到组播数据 的，这一点在大型网络 ( 如广域网和i n t e r n e t )中目前困难不小; . 在对系统协议的管理以 及对异种网络、 异种设备的用户端的管理方面增加了 难度; . 在知识产权的保护上面增加了技术上的复杂度。 鉴于各相关技术发展的综合限制以及难度的要求，在v o d的组播传输技术 研究中有关实现v c r 交互操作这方面的成绩非常有限。 近年来涌现的不少研究成 果的重点几乎都体现在提高v o d 系统中网络带宽的利用率上。 我们可以将这些研 究成果分为两大类，一种是以 “ c l i e n t - p u l l ”为特点的传输技术，是面向用户 点播请求调度传输信道;一种是以 “ s e r v e r - p u s h 为特点的传输技术，是面向 资源调度组播传输信道。 而衡量一个v o d 系统的传输体系的有效性除了资源消耗 外， 还有一个重要的性能要素用户端的服务延时， 即用户从点播请求发出到 看到自己点播的视频资源的这一段等待时间。 一个理想的v o d 传输体系的特点是 用最小的资源消耗为任意数目 的用户提供实时响应的v o d 服务。 1 . 3本文内容及组织结构 本文对现今v o d 系统中所用到的一些主要的组播传输技术从网络带宽资源消 耗和服务延时两个方面进行了较为深入的性能分析， 并在此基础上详细地提出了 对 v o d系统性能有较大改进的系统模型基于代理服务器辅助的可控性视频 流传输的v o d 系统体系。该系统用尽量小的网络带宽资源消耗提供最大范围的、 优质的准实时响应点播服务。本文不仅从理论上对该传输体系的特点进行分析， 而且进行了专门的模拟试验， 将其它同类的相关传输系统与该系统进行了一系列 的性能比较， 通过具体的试验数据说明其在节省带宽消耗和缩短服务延时方面的 优势。在结构上本文共分为下面的五个章节，各个章节的内容组织如下: 复0 大学硕士论文 v o d系统中的视频流传输体系设计 第一章 讨论了v o d 系统的出 现背景和目 前的研究现状以 及所面临的技术挑 战; 第二章 讲述了v o d系统研究中出现的一些比较典型的组播传输技术，并从 带宽消耗以及服务延时两个方面作了比 较深入的性能分析; 第三章 详细描述了基于代理服务器辅助的可控性视频流传输体系的设计思 想和实现算法; 第四章 模拟系统的实现方案以及模拟结果; 第五章 对全文进行总结并阐述了下一步的研究方向。 1 . 4本文创新即主要贡献 本文对v o d 系统研究中的一些组播传输技术从带宽利用率和服务延时这两个 方面进行了较为深入的性能分析， 提出了所存在的问题， 并针对这些问题， 提出 了自己设计的解决方案基于代理服务器辅助的可控性视频流传输的v o d体 系，目 的在于借助代理服务器来减轻中心服务器的工作负担、 削减主干网内的带 宽资源消耗以及为用户提供准实时响应的v o d 服务， 同时我们设计用不同的传输 技术响应普及程度高、 拥有大量用户的“ 热门” 视频点播和相对而言普及程度较 低、用户较少的 “ 冷门” 视频点播，在中心服务器、代理服务器以及主干网之 间实施了巧妙的资源消耗分配， 平衡了系统的总负载， 减少了资源总消耗， 增强 了整个传输体系在流量多变的网络环境中的可适应性， 本文详细地阐述了这一传 输体系的设计思想以及模拟试验的主要实现过程， 在模拟试验中通过与别的相关 组播传输体系的比较， 用具体的试验数据说明了这一解决方案在有效提高网络带 宽资源利用率和缩短用户端服务延时两方面上有着较为明显的优势。 复旦大学硕士论文v o d系统中的视频流传输休系设计 第二章 v o d 系统中的组播传输技术介绍 2 . 1 v o d 系统中组播技术的出现 v o d 系统中理想的服务器到用户端之间的数据传输是用单播传输技术，所谓 单播就是点对点的连接， 服务器与客户端建立单独的数据传输通道， 单播数据流 是发送给单一用户的， 这个用户的i p 地址被粘贴在每个数据包上。 工 n t e r n e t 中 的路由器或局域网使用这些信息将包发送给某个特定的计算机。 显然这种传输方 式对服务器造成繁重的工作负担， 同时由于每个客户端各自 连接服务器， 对网络 带宽的占用也是巨大的，因为此时网络带宽的占用是与客户端的数量成正比的， 单播方式只适用于客户端数量很少的情况，随着i n t e r n e t 上每天以指数级数增 长的用户，如果不改变连接方式，再多的带宽也会被消耗殆尽。 为了满足人们对各种视频点播系统日益增长的需求，克服单播带来的局限 性， 组播技术被引入了v o d 系统。 组播技术也称多播， 其发送端和接收端是一对 多的关系， 就是说服务器只向一组特定的用户发送数据包， 组中的各个用户可以 共享数据包， 而组外的用户是无法接受到的。 组播数据流使用组播地址发送， 使 用组播地址的数据包被发送到所有的路由器而不是一个特定的计算机。 这样原先 由 服务器承担的数据重复分发工作转到路由 器中完成， 路由器可以将数据包向 所 连接的子网转发， 每个子网只有一个组播流。 客户端在接受组播流时只要向本地 路由 器发送一个消息， 通知路由器要接收组内的组播数据， 调整后就可以接收了。 在组播技术中， 由于数据包的拷贝数量少和发送地址少， 从根本上减少了网络传 输中的数据总量， 保证了数据传输中的较小带宽占用， 增加了网络带宽的利用率， 同时也减少了服务器所承担的负载。 组播虽然有如此大的优点，也存在一定的局限性，最突出的一点就是需要全 网内的路由器都必须全部支持组播， 否则许多用户是无法接收到组播数据的。 这 在小范围的网络内容易实现，但要在大范围网络中就困难了，目前，要使在 工 n t e r n e t网络传输环境中通过时涉及的每一个路由器都支持组播还不可能。而 在较小范围的网络中使用组播是非常有意义的。 v o d 服务器的工 / 0 带宽和传输中所需的网络带宽资源， 尤其是网络带宽资源， 己 经成为制约v o d 系统服务性能得到较大提高的最主要 “ 瓶颈” 。为了 用有限的 带宽资源服务越来越多的用户， v o d 系统传输技术的研究重点就是如何提高带宽 资源的 利用率， 争取用来传输视频的传输信道尽可能地少。 同时， 还有一个很重 要的因素， 我们不能忽视， 那就是服务延时， 也就是用户在发出点播请求到自己 复旦大 学硕士论文 v o d系统中的视频流传输体系设计 点播的视频节目 开始在用户端播放时的这一段等待时间。 我们应该从带宽利用率 以及服务延时这两个方面去评估一个v o d 系统中的传输技术的性能。 一个真正有 效的v o d 传输体系应该是能用较少数目的传输信道为大量的用户传输视频， 同时 又能为用户提供实时响应的v o d 服务。 目 前v o d的组播传输机制可以 分为两大类:一类是 “ c l o s e d - l o o p ” 传输机 制 ，还有一类是 “ o p e n - l o o p ”传输机制，下面我们将分别介绍。 2 . 2 c l o s e d - l o o p 组播传输技术 c l o s e d - l o o p ” 传输机制的特点是， c l i e n t - p u l l , 顾名思义， 就是由 用户 请求来驱动整个视频流的传输， 即视频服务器接受到用户请求之后， 再由视频服 务器里面的调度模块为用户请求中所点播的 视频节目 安排传输信道， 然后向用户 端发出通知通过哪些传输信道接收数据以及何时可以开始接收数据。目 前 b a t c h i n g 和p a t c h i n g 是 “ c l o s e - l o o p ” 传输机制最基本的技术思想。 2 . 2 . 1 b a t c h i n g 技术思想 b a t c h i n g:中文一般译为“ 批处理” 方式， 在v o d 中 指的是让某一特定时间 段 内 提出同 样点播请求的用户端共享一条组播传输信道接收数据。 图2 . 1 . b a t c h i n g 技术中用户端与服务器之间的互动 如图2 . 1 所示: 设 在时 刻。 时， 第 一 个申 请 视 频资 源k 的 用户 请求r ， 产生 后 复旦大学硕士论文 v o d系统中的视频流传输体系设 计 v o d服务器中的调度模块将为k 调度组播传输信道m g , ， 并将二元组信息 ( v , , s ta r t t im e ) 加 入m g 、 信 道 的 传 输 列 表中 ， 其 中s ta r t t im 。 为 组 播 信 道 启 动 时 间 。 同 时 调 度 模 块将向 用 户发出 回 应 信息( m g , , , w t i m e ) ， 通知 用 户 从 信道 m g , 上 接 收 组 播 数 据 ， w t im 。 为 用 户 的 等 待 时 间 ， 这 里 应 该 与 s ta r t t im “ 同 值 在随后的时间内， 调度模块将继续收集同样的用户点播请求， 记录下用户请求所 在的 子网 地 址 信 息 ， 在时 刻s ta r t t im 。 启 动v , 的 组 播 传 输 信 道m g , 向 这 些 点 播 用 户传输视频数据。 现在我们分别介绍 算法中用到的标识 t -: 当 前时 间; v , : 某视频资源; b a t c h i n g 技术中用户端、 调度模块以 及数据传输模块的算法: m g ; : 传输视频v ,. 的 组播信道 标识 t ; : 组 播 信道m g , 的 启 动时 间; :组播信道标识; 收集相同点播请求的时间区间; v o d 系统调度模块的算法: i f( 调度模块侦测到某 信道m g , 的 传输 列表中 存在 ( k ， t ; ) t ) 向用户发送回应消息( m g ; , 汽 - t 。 二 ) : e l s e i f ( 某 信 道m ( ; 的 传 输 列表中 存 在( k ， t , ) 向 用户 发 送回 应消 息( m g , t) ; e l s e i f ( 目 前没有传输k 的 信道) 调 度模块安 排新的 传输信 道m g , ， 并 在其传输列 表中 添加二元组 ( v , , t -+ t , ) ; 向 用 户 发 送回 应 消 息( 五 少 6 。 ， t): 数据传输模块的算法: 复旦大学硕士论文 v o d系统中的视频流传输体系设计 w h i l e ( 各传输信道mg的传输列表不为空) 从mg的传输列表中的头取出二元组信息，按照指示的 启动时刻启动mg 信道传输数据; 用户端中的s e t - t o p b o x 将运行二个线程， 包括一个主控线程、 一个数据接收线 程，这两个线程的算法如下: 主控线程的算法: 发 送 视频v , 的点 播请求到v o d 服务器中的 调 度模块; 等待调度模块的回 应信息 ( m g , , w t im e ) ; 启动数据接收线程; 数据接收线程的算法: 监听 信 道m g ; ( m g , ) ， 当 组 播启 动时 开 始 接收 数 据; 启动播放进程，将接收到的数据解压播放; 将接收到的数据送至播放进程解压播放; 当收到序列号为“ 0 ”的数据包 ( 数据传输完毕的标志) 时， 将不再监听信道 几 “ ; ， ( m g , ) ; 总结: b a t c h i n g 技术提高了系统的吞吐量， 但却增加了用户端的服务延时，因为较 先提出点播请求的用户必须要等到时刻t 组播信道启动后刁 能收看到自己点播的 节目 . 而且对于点播频率较高的 “ 热门”节目 ， b a t c h i n g技术用一条组播信道能 够服务了大量用户， 有着较高的带宽利用率， 可是相对于一些点播用户非常少的 “ 冷门” 节目 ， b a t c h i n g 技术却并不能表现出太大的技术优势。 2 . 2 . 2 p a t c h i n g 技术思想 p a t c h i n g: 被称为“ 真正的v o d 组播传输技术” ， 如果说b a t c h i n g 技术的目 标 是为了 提高带宽利用率， 那么p a t c h i n g 技术的目 标则可以说是在此基础上改善 另 一 个 性能: 缩 短用 户 端的 服 务延 时。 当 用户向 服 务 器发出 对 某一 视 频资 源v , 的 请求时， 如果网 络中已 存 在传 输此视频资 源完整数 据的 组 播信道， b a t c h i n g技 术的处理思想是调度模块将记录下这个用户请求， 让其等待直至新一轮组播信道 的启动， 而p a t c h i n g 技术的处理思想是: 用户可即时从此组播信道上接收数据， 复a 大 学硕士论文v o d系统中的视频流传输体系设 计 将组播流数据暂存于磁盘缓冲区， 而由时间问题错过的那部分开头片断由服务器 随即安排专门的单播信道传输给用户端， 并立即在用户端解压播放， 我们称这部 分单播传输的数据流为“ p a t c h i n g ” 流， 此时用户端同时从组播信道和单播信道 上接收数据。等到p a t c h i n g 数据播放完毕，服务器便撤消掉单播传输通路，用 户端的播放器可以 从磁盘缓冲区提取后续数据继续播放。p a t c h i n g技术充分利 用了 用户端的资源磁盘缓冲区和1 / 0 带宽资源: 用户端同时从两条传输信道 上接收数据， 先于播放时间接收到的组播流数据暂存于磁盘缓冲区中等待以 后的 提取播放，从单播信道上面接收到的开头部分的数据则马上在用户端上解压播 放。 p a t c h i n g技术将组播和单播的技术优势结合在了一起，不可否认，这种技 术思想是v o d 系统传输技术发展的一大进步。 不过， 如果在一定时间段内用户的 点播请求增多，补充开头部分的 “ p a t c h ”流随之也会增多，这些单播信道将占 用不少网络带宽资源，无法凸现p a t c h i n g 技术用组播节省带宽的优势。为了 节 省网络带宽资源， 我们当然应该增加网络中组播流的数量， 但是也不能忽视单播 流缩短用户端服务延时的优点。因 此p a t c h i n g 技术中有这样两种选择:( 1 ) 如 果选择以 缩短用户端的服务延时为先， 就让用户尽量地从先前己存在的组播流中 接收数据，同时调度p a t c h i n g 单播信道传输错过的开头片断;( 2 )如果以 提高 带宽利用率为中心目的， 那就以牺牲用户端的服务延时为代价， 让用户端等待新 一轮的传输完整数据的组播流启动。 p a t c h i n g 技术的设计难点也是其设计重点就是 如何平衡网络中的 组播 传输信道数目 和单播传输信道数目， 将节省带宽和缩短服务延时结合在一起， 提 高v o d 系统的服务效率。 近年来涌现了一些在这些方面提出改善措施的p a t c h i n g 技术，其中c o n t r o l l e d m u l t i c a s t 技术在性能改善方面比 较突出，下面我们来 重点介绍c o n t r o l l e d m u l t i c a s t 技术。 2 . 2 . 3 c o n t r o l l e d m u l t i c a s t 技术优秀的p a t c h i n g 技术思想 c o n t r o l l e d m u l t i c a s t技术: c o n t r o l l e d m u l t i c a s t 技术的核心思想是通过数 学 推 导引 入 时间 阀 值不 ，以 此 来 控制 传 输完 整 视频 数 据的 组播 通 路的 产生 频 率。 假设 用户在时 刻t 向v o d 系 统服务 器提出 对某视频资 源k 的点 播请求， 服务 器内 的 调 度模块 会先检测网 络中 有关视 频v , 的 传输信道 状况， 如果己 经 存在了 传输v , 完 整 数 据的 相关 组播 流， 且 最 近形 成的 组 播 流m g , 的 启 动时 间t ， 与时 刻t 的 时 间 间隔小于双，调度模块将向用户发送一个四元组的回应消息 ( m g , , m g , p l e n g t h , w t im e ) ， 通 知 用 户 从 组 播 流 m g ， 上 接 收 视 频 数 据 ， 并 将 其 暂 存 于 磁 盘 缓 冲 区 中 ， 与 此 同 时 调 度 模 块 将 启 动 一 条 单 播 传 输 信 道m g ， 传 输错 过的 长达( t - t ; ) 的开头部分到用户 端的 显示屏即时 解压播放四元组中 的 复旦大学硕十论文v o d系统中的视频流传输体系设计 p l e n g t h 指的是通过单播信道传输给用户的数据包的多少, w t im 。 指的是用户端 的 服 务 延 时 ， 这 里 等 于 启 动 单 播 信 道 的 时 刻t p 减 去 用 户 请 求 到 达 时 间 t ; 如 果 最 近形 成的 组 播流的 启动时间t ， 与时 刻t 的时间间 隔 大于不 或者网 络中尚 无 相关 视频 的 组 播 流 存在， 调 度模 块 将不 得不 调 度新的 组 播 信道m g 。 传输 视频v 的 完 整数 据， 并 通知 用户在组播 信道启 动的时 刻t 。 接收 数据， 此时 调度模块发送给 用 户端的回 应四 元组信息为 ( m g , , n u l l , 0 , t 。 一 t ) ，t 。 一 t 为 用户端的 等 待时间。 由于用户将从开头接收数据， 调度模块将不会为用户调度单播信道。 图2 . 2 显示 了c o n t r o l l e d m u l t i c a s t 技术中用户端与v o d 系统服务器之间的这些互动。 图2 . 2 c o n t r o l l e d m u l t i c a s t 技术中用户端与v o d 系统服务器之间的互动 现在我们来介绍 c o n t r o l l e d m u l t i c a s t 技术中用户端、v o d服务器中的调度模 块以及数据传输模块的算法: 算法中所要用到的标识: t cu m : 当 前 时间 ; v , : 某视频资 源; m g , : 传 输 视 频v ,. 的 组 播 信道 标 识; t ; : 组播 信道m g , 的 启动时间; m