（计算机应用技术专业论文）视频监控系统的研究与实现——基于应用层组播技术.pdf

附件一： 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。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。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 第2 页共7 3 页 静嚣 附件二： 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以 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，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于， 不保密豳。 指剥币签名哗长辛 日期：o 妒朔1 日 第3 页共7 3 页 不h彬发 日 名 月 签 ； 者 年 作 、2 做 m 位 期 学 日 摘要 随着人们对社会治安需求的迅速增加，建立起城市级的安防系统 已经迫在眉睫，而视频监控系统是其核心组成部分。视频监控系统需 要通过网络传输视频，目前有两种解决方案：一是单独布线、建立专 用网络，但是代价昂贵；二是利用因特网，采用广播或者单播的方式 传输视频，然而应用这两种传输方式通常会导致网络阻塞。 本文基于h o n e y w e l l 公司新一代视频监控系统的实际开发案例， 引入应用层组播技术，在因特网上实现视音频数据应用层组播分发， 减少网络阻塞，为解决城市级视频监控系统中的视频分发问题提供了 一种方案。 本文首先介绍视频监控系统的发展历史，阐述视频监控领域的三 项关键技术：编解码、视频分发、视频存储；论述现有的应用层组播 技术不能直接用于大规模视频监控系统的原由，在此基础上采用适用 于视频监控领域的应用层组播协议，并详细分析此协议，包括组播树 的生成、组播组成员的管理、组播组视频的分发等。其次，针对在城 市级视频监控系统的实际应用中，因社区单元到主干网的出口带宽的 有限容易导致的网络阻塞问题，提出自适应码流调整技术，给出其数 学模型，进行仿真实验，并对实验数据进行理论分析与总结。 然后分析大规模视频监控系统的需求，并设计开发一种具有统一 管理、分布监控和易于扩展等特点的视频监控系统，该系统具有实时 监控、视频查找、设备管理、报警管理以及电子地图等功能。最后， 第5 页共7 3 页 详细描述对该系统的测试情况和结果分析。 关键词：应用层组播，视频监控，视频分发，码流控制，监控软件 第6 页共7 3 页 l a b s t r a c 士 i t se m e r g e n c yt ob u i l du p c i t y s e c u r i t ys y s t e m s , f o rc i t i z e n sh i 2 1 1l e v e l 佗q u i r e m e n t sf b rs a f e t yl i v e s w i t h i n c i t y s e c u r i t ys y s t e m s ，c i t y v i d e o s u r v e i l l a n c e s y s t e mi st h ec o r e c o m p o n e n t c i t y v i d e os m 、，e i l l a n c e 8 y s t e mh a st ob eb u i l tu pb a s e do nc o m p u t e rn e n v o r kt om m s f 打v i d e o i i l 旬咖撕o n r e c e n t l y ，t h e r ea r et w ow a y s ：f i r s t ，r e d e p l o ya r i d s e tu p 。x c l u s i v en e t w o r k , b u tn oo n e c a l l a f f o r d ；s e c o n d ，i l 1 p j e m e n t st h e 8 u r v e l l l 锄c es y s t e m u p o ni n t e r a c ti n f r a s t r u c t u r e ，b u t h i s b r i n g sn e w p r o b l e m s ：b l o c k i n gp r o b l e m s ，n o wa l m o s ta l lv i d e os u r v e 订j c es y s c e m s t r a n s f e rv i d e oi t l f o r m a t i o no nu r i i c a s to rb r o a d c a s t m e c h a n i s m s ，b u it h e s e t w om e t h o d sc a ne a s i l yo c c u p i e d 栅b a n d w i d t ha n d b l o c kt h en e t w o r k b a s e do nt e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o nc y c l eo f t h eh e w 鐾e n e r a t i o n v i d e os u r v e i l l a n c es y s t e mo f h t r i e y w e l lc o r p o r a t i o n ，t 1 1 i sa r t j c l ea d o p t s a p p l i c a t i 曲l a y e rm u l t i c a s tm e c h a n i s mt o r e a l i z ev i d e oa 1 1 d a u d i o 面f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o no n b j t e m e tw h i c hi sa g o o ( ir e s o l u t j o nf o r d e a l i n gn e t w o r kb l o c k i n gp r o b l e m s a tf i r s t , t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e s t h eh i s t o r yo fv i d e os u r v e i l l a n c e s y s t 蚰1 s ，p o i n t so u tt h e r ea r et h r e ec o k et e c h n o l o g i e si n 俐e o s u f v e 埘a 1 1 c e d o m a 默e n c o d ea n d d e c o d e ，t r a n s m i s s i o na n ds t o r a g e ；t h i s a r t i c l e 。x p l a i n s i nd e t a i la b o u tc u r r e n ta p p l i c a t i o n l a y e r 棚u j t i c a s tp r o t o c 0 1 s ， 锄a l y z e sc h a r a c t e r i s t i c so fw i d e a r e av i d e os u r v e i l l 姐c e s y s t e m ，狮d 第7 页共7 3 页 p o i n t so u tt h a ta l lc u r r e n tp r o t o c o l sc a n n o tb eu s e di nv i d e os u r v e i l l a n c e d o m a i nd i r e c t l y t h e nt h i sa r t i c l ed e s c r i b e san e wa p p l i c a t i o nl a y e r m u l t i c a s tp r o t o c o lt h a ts u i t sf o rv i d e os u r v e i l l a n c ed o m a i n t h i sa r t i c l e d e s c r i b e st h i sp r o t o c o li nd e t a i l ，i n c l u d i n gc r e a t i o no fm u l t i c a s tt r e e , m a n a g e m e n t a n do t h e r s t h i sa r t i c l ea l s od i s c u s s e st h e a d a p t i v eb i t - s t r e a mc o n t r o l l i n g t e c h n o l o g y ，a n da l s ot a k e sa ne x p e r i m e n to ni t e s p e c i a l l y ，t h i sa r t i c l e l i s t so u ta n a l y s i sa b o u tr e s u l t so ft l ee x p e r i m e n t a n da l s o , t h i sa r t i c l e d e s c r i b e st h e d e s i g n i n ga r i d ，- ，i m p l e m e n t a t i o n o ft h i st l e wv i d e o s u r v e i l l a n c ep r o d u c t “l ，h i c hi n c t u a e sl o t so f f u t l e t i o n s ，n c l u d i h g ：r e a l - t i m e s u r v e i l l d n c e 、v i d 岛r e c o r di n q h f f y 、d e v i c em a n a g b l t a e n t 、a ld l _ r nm e s s a g e m a n a g e m e n ta l i ae - m a p a tl a s t l i i sa r t i c l ed i s c u s s e su t et e s t i n ga b o u t t h i ss o f t w a r ep r o d u c t s u p e n ，i s e db 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 , v i d e os u t v e i l l a n c e ，v i d e o t r a n s m i s s i o n ，b i t - s t r e a mc o n t r o l ，s u r v e i l l a n c es o f t w a r e 第s 页共”页 第一章绪论 1 1课题的研究背景与实际意义 2 0 0 5 年，发生在英国伦敦的地铁爆炸案给人们巨大警示；我们的城市是不安 全的! 另有消息称，伦敦地铁的视频监控系统，为警方破案提供了巨大的帮助。 这就启示人们：如果在城市的各主要街道、小区布署有摄像机，那么警方可以通 过网络，实时监控整座城市，使人们的生活更加安全。这样的视频监控系统也就 是城市级视频监控系统。 视频监控系统需要占有大量网络带宽用于传输视音频数据，目前有两种解决 方案：一是单独布线、建立专用网络，然而其代价非常昂贵；二是利用因特网， 采用广播或者单播的方式传输视频，然而应用这两种传输方式通常会导致网络阻 塞。因此它们都无法满足城市级视频监控系统的需要。 d v c s ( d i g i t a lv i d e oc e n t r a l i z e ds u r v e i l l a n c e ) 是h o n e y w e l l 中国公司的数字视 频中心监控系统。该系统利用因特网，通过引入应用层组播技术( a l m ： a p p l i c a t i o nl a y e rm u l t i c a s t ) ，实现视音频数据应用层组播传输，有效地节省网络 资源，减少时延，降低网络堵塞的几率，能够较好地保证数字视频传输的实时性 和传输质量，为建立城市级视频监控系统提供了基础技术。 1 2视频监控的发展历程 视频监控系统的发展大致经历了三个阶段f l 】：9 0 年代以前，主要是以模拟设 备为主的模拟视频监控系统；到了9 0 年代，随着计算机处理能力的提高和视频 技术的发展，出现了准数字视频监控系统：进入2 1 世纪后，随着网络带宽、计 算机处理能力和存储容量的迅速提高，以及各种实用视频信息处理技术的出现， 视频监控进入了全数字化的网络时代，被称为第三代视频监控系统。下面分别 对这三代系统加以介绍。 第9 页共7 3 页 1 2 1模拟闭路电视监控系统 最初的视频监控系统是从黑自摄像机、电视机出现的那天起就己诞生，尽 管它功能单一，图像质量低，但还是广泛应用于保安、生产管理等场合，其组成 如图1 1 所示： 玉一一一 图1 1 模拟视频监控系统组成示意图” 模拟视频监控系统存在的不足之处主要在于： ( 1 )视频信号的传输对距离十分敏感，当传输距离大于1 0 0 0 米时，信 号容易产生衰耗、畸变、群时延，并且易受干扰，使图像质量下降； ( 2 )通常只适合于小范围的区域监控，且布线工程量大，系统的扩展能 力差；采用录像机作为存储工具，磁带作为存储介质，不仅记录信 息量有限，且易失真、查询取证繁琐。 1 2 2 第二代数字监控系统数字硬盘录像机( d v r ) 虽然数字视频录像机( d t ：d i g i t a lv i d e or e c o r d e r ) 在国内的应用仅短短几年 的时间，但是由于其数字化技术的优势，特别是在银行系统的应用，在国内监控 行业形成了新的热湖，给视频监控系统带来了数字化应用的革命。从其功能来看， 数字视频录像机具有视频切换、图像任意分割和组合显示、图像录像、云台控制、 报警联动控制和远程网络传输控制功能。 目前d v r 采用有纯硬件解压缩、软件解压缩和硬件软件相结合解压缩三种 技术，采用后两种技术的硬盘录像机，因为其软件解压缩需要占用较多的计算机 第l o 页共”页 c p u 和内存资源，因而处理和录制图像的能力有限( 主要是每秒处理图像的帧 数有限) 。d v r 通常采用的压缩算法有，诸如：h 2 6 3 、m j p e g 、m p e g - lv c d 、 m p e g 2d v d 、w a j l e t 、m p e g 4 等，这些算法各有优缺点，同时也决定了 其对于不同行业的适用性：h ，2 6 3 适合用于可视电话及视频会议等对图像大小和 质量要求不是很高的应用领域；m j p e g 、m p e g - 1 ，m p e g 2 由于实时性差以及 数据量大的缺点不适合网络传输；m p e g - 4 视频压缩技术的出现引发了压缩领域 的一场革命，它基本上克服了其他压缩算法的缺点，利用很窄的带宽，通过帧重 建技术压缩和传输数据，以求用最少的数据获得最佳的图像质量，目前在d v r 市场中占主导地位的是m p e g 4 硬压缩方式。 图1 - 2 数字视频录像机的原理构成方框图1 1 】 d v r 的优点是价格低廉，应用领域较广，对本地监控有一定优势。网络概念 的渗入也使得d v r 可以实现远程网络传输这样的功能，但是它在网络远程监控 方面，受到传输方式的制约，且传送图像质量不好，所以要想实现真正意义上的 远程监控，仅仅依靠d v r 还很难做到。 1 2 3第三代是全网络数字监控系统 第三代视频监控系统以网络为依托，以数字视频的压缩、传输、存储和播放 为核心，以智能实用的图像分析为特色，并与报警系统、门禁系统完美地整合到 统一使用平台上。第三代系统运用了更为先进的d a ，a d 转换设备视频服务器， 或内置处理器的网络摄像机，把图像处理( 采集、压缩、协议转换、传输) 设置在 监控点，利用无处不在的互联网和局域网，达到全网范围内的即插即用，实现了 第】1 页共7 3 页 从图像采集，传输，录像、最终输出的全过程数字化，该系统固化的处理程序与 d v r 系统相比也更加稳定，因而是真正意义的全网络数字监控系统。其主要优 点为： 1 ) 数字化网络视频监控系统把监控录像保存在大容量硬盘上，信息可以长 期存储且不易丢失，图像质量不下降。 2 ) 视频数据容易被计算机进行各种处理，以满足实际需要。 3 ) 视频数据经过压缩之后，占有带宽小，可以在计算机网络( 局域网或广 域网) 上传输图像数据，基本上不受距离限制，信号不易受干扰，可大 幅度提高图像品质和稳定性，便于传输和实现远端控制。 4 ) 数字视频可利用计算机网络联网传输，网络带宽可复用，无须重复布线。 5 ) 数字录像存储在计算机磁盘阵列中，可以利用计算机来检索和管理，摆 脱了手工管理和检索复杂繁琐。 尽管第三代系统的优点不容置疑，但是要推广应用还有一定的困难，制约它 的应用主要有以下问题：网络的误码率高、网络的带宽得不到保证。如何在现有 的网络带宽条件上实现远程监控，并且在价格与图像质量上求得最佳的平衡，成 飞 为诗当前迫切需姜解决的问题。 1 3视频监控关键技术 在视频监控领域，主要有以下的三种关键技术： 1 ) 编解码： 在数字视频监控领域中，视音频信息的编码和解码是核心技术之一。由 于视音频信息数据量极大，所以必须对之压缩处理，才能够进行存储和网络 传输。编解码是视音频信息存储和网络传输的基础，现有的数字视频监控系 统中，视音频信息的编解码工作一般都是由硬件完成，往往采用m p e g - 4 标 准。本文对编解码技术不作深入讨论。 2 ) 视音频存储 第1 2 页共7 3 页 在数字视频监控系统中，视音频信息需要被存储下来，以供查询。然而 即使足通过编码压缩以后的视音频信息，仍然是海量( 例如：经过编码压缩 后，一个摄像机每秒仍然产生5 0 - - 2 0 0 k b y t e 的数据) ，这样巨大的数据量如 何存储，是一个很值得研究的课题。 3 ) 视音频分发 视音频信息的存储方式与其分发方式紧密关联，因此分发机制成为核心 问题，也是本文的研究重点，通过引入应用层组播技术，为解决视音频信息 分发的问题，提供一个有效方案。 1 4视频分发方式的研究与并发现状 网络数字视频监控系统需要视音频信息通过网络传送，实现远程监控。视频 分发方式有单播，组播和广播三种。单播建立点对点的连接，应用广泛，然而正 如前文所述，在有局部带宽限制的情况下，会造成严重的网络阻塞，所以，在城 市级网络视频监控系统中，并不适用：广播方式占用大量网络带宽，造成广播风 暴1 2 l ，亦不适用。 组搐技术主妾分两种：m 组播和应用层组播( a l m ) 。i p 组播将组揞实现在网 络层，历经2 0 多年的研究和发展，已形成较为完整的组播协议体系。但是从因特 网中应用现状看，i p 组播并没有取得预期的成功，这是由许多技术和非技术的因 素造成，例如：因为i p 组播实现在网络层，由路由器控制组播组状态管理，使路 由器负担过重，严重损害网络性能。在城市级网络视频监控系统中，应用i p 组播 技术基本上不现实。 而应用层组播技术，是把组播机制实现在应用层。应用层组播网的节点是组 播成员主机，数据路由、复制、转发功能都由其完成；成员主机之间建立一个叠 加在i p 网络之上的，实现组播业务逻辑功能的应用层网络( 覆盖网络) ，可以避免 i p 组播的许多难题，例如，组播的状态在成员主机中维护，不需路由设备保持相 关的状态信息，从而可以支持大量的组播组；再如，组播应用可以随时部署，不 需更改网络设备，同时使组播的拥塞控制、可靠传输等功能的实现方法得以简化 第1 3 页共7 3 页 1 5本文的主要工作及章节安排 1 5 1论文的主要工作 h o n e y w e l l 中国公司的产品数字视频中心监控系统( d v c s ) ，解决了城市级 视频监控系统的一个核心问题：视频分发。该系统通过在因特网上布署视频服务 器，实现视音频数据应用层组播分发，合理利用带宽，解决了大数量客户端并发 访问同一视频源所导致的网络阻塞的问题，保证视音频信息流畅地进行网络传 输。 本文的主要工作如下： 1 ) 研究了应用层组播技术原理及其在网络数字视频监控领域的应用前景， 论述了现有的应用层组播技术不能直接用于大规模视频监控系统的原 由，在此基础上采用适用于视频监控领域的应用层组播协议，并详细分 析了此协议，包括组播树的生成、组播组成员的管理、组播组视频的分 发等。 2 ) 针对在城市级视频监控系统的实际应用中，因社区单元到主丰网的出b 带宽的有限容易导致的网络阻塞问题，提出了自适应码流调整技术，给 出其数学模型，进行仿真实验，并对实验数据进行理论分析与总结。 3 ) 分析了大规模视频监控系统的需求，参与设计并开发了一种具有统一管 理、分布监控和易于扩展等特点的视频监控系统，该系统具有实时监控、 视频查找、设备管理、报警管理以及电子地图等功能。 4 ) 描述了对该系统的测试情况和结果分析。 1 5 2论文章节安排 第一章介绍课题的研究背景、意义、视频监控技术的发展历程、网络数字视 频监控领域的关键技术、视频分发的现状和本文的主要工作。 第二章讲述应用层组播技术，讨论应用层组播与口组播的不同，描述部分 第1 4 贞共7 3 页 应用层组播协议。 第三章细述适用于视频监控领域的应用层组播协议，并分析此协议，包括组 播树的生成、组播组成员的管理、组播组视频的分发等。该协议较好的适应了视 频监控领域实时性强、源数目多的特点。 第四章提出自适应码流调整技术，给出其数学模型，进行仿真实验，并对实 验数据做出理论分析与总结。 第五章详细描述d v c s 视频监控系统软件功能模块的划分、设计韧实现。 第六章总结概括本文的主要内容，并对未来视频监控系统的发展提出了展 望。 第1 5 页共7 3 页 第二章应用层组播技术概述 随着网络技术的不断发展，f t p 、h r r p 、s m t p 等传统数据业务已经难以满 足人们对信息业务的需求，视频点播、远程教学、新闻发布、视频会议等业务在 应用中变得日益重要。这类业务的主要特点是：信息在个组内以一对多或者多 对多的形式进行传输，例如新闻发布：信息由一个服务器发布，大量不固定的接 收端接收。如果采用单播方式来传输这些信息，那么发送源就必须维护每个客户 信息，当客户数目很多对，对于发送源来说还需要很高的传输速率；另外，相同 的数据可能在同一个链路上传输多次，消耗大量的网络带宽，因此需要一种专门 的传输机制，这就是组播，常见的组播技术主要包括i p 组播技术和应用层组播 技术。 2 1i p 组播回顾 首先回顾一下i p 组播的历史和发展现状：i p 组播的概念# l d e e r i n g 在1 9 9 0 年最 先提出p j ，在i p 组播中，与组播相关的功能都放在i p 层即网络层来实现，路由器 负责记录组的存在和组成员的变化，并在组成员之间构造一，西组播发送树。数据 ， 源只需要向组内发送一份组播数据，由路由器在恰当的分支点复制数据，就可让 所有组成员收到此数据，而任何一份数据包的拷贝只会在每个组播树的链路上出 现一次。由于i p 组播能够有效的利用网络资源并降低服务器的负荷，因此它被认 为是解决组内通信的最理想的方式，然而到目前为止，经过十多年的研究，虽然 i p 组播在实验系统上诸如：m b o i l c 、i n t e m e t 2i 一得到了应用，但一直没有能够进 入商业领域，概括来说这主要是由于下面几个原因造成的【2 】： 1 ) i p 组播需要路由器的支持，每个组播路由器需要为每个组地址甚至是组播业 务源保存组状态，由于组地址是动态分配的，不能够像单播地址那样得到有 效会聚，需要在路由器内保存大量组状态，这增加了路由器的开销和实现的 复杂性。 2 ) i p 组播目前缺乏有效的可靠传输和拥塞控制机制，对拥塞不响应的组播流会 对正常的单播业务流造成伤害，其组播的拥塞控制机制非常难于解决，因此 第1 6 页共7 3 页 在没有可靠的拥塞控制机制之前，l m e r n e t 不会出现大规模的配置组播业务。 3 ) 目前还缺乏对组播流的合理的收费模型。 以上几个原因导致i p 组播迟迟得不到大规模的应用，针对这种情况，研究人 员重新考虑了i p 层是否是实现组播的最合理层次，并提出了在应用层实现组播的 替代方式。所谓应用层组播就是：把与组播相关的功能放在应用层上来实现，也 就是在终端主机上而不是在路由器上实现组播。应用层组播的基本思想和它与i p 组播的对比可以用图2 一l 来说明p j 。 图2 - 1 ( a ) i p 层组播( b ) 应用层组播 图2 1 ( a ) 描述i p 层组播技术，图2 1 ( b ) 描述应用层组播技术。为了更好的利 用网络资源，应用层组播树也需要在组成员之间建立一颗组播分发树，然而与i p 组播不周的是应用层组播树中的分叉点必须是终端系统，也就是说组播数据的复 制是在终端系统中实现的。从图2 1 ( b ) 可以看到在某些链路上如a 一1 ，同一份组 播数据被发送了两次，而且从源到目的节点，如g - c 所经过的路径长度也大于i p 组播中相同组成员所经历的路径长度，由此可见应用层组播在网络资源的使用效 率上不如i p 组播，然而应用层组播的优势在于首先它不需要路由器的支持；其次， 由于任何两个组成员之间在发送或接收数据时，都可以使用单播流量控制和差错 控制协议，从而简化t i p 层组播繁杂的拥塞控制机制，因此应用层组播更有可能 成为组播的实现方式。 第1 1 页共7 3 页 2 2应用层组播研究的概况 应用层组播的基本思想是保持互联网原有的简单、不可靠、单播的转发模型， 由端系统实现组播转发功能，这也是端到端控制( e n d - t o e n da r g u m e n t ) i ) 1 所倡 导的思想。它有一些假设：( 1 ) 网络的带宽和转发资源相对丰富，服务器能力是 主要瓶颈：( 2 ) 组播组成员可贡献资源用于转发；( 3 ) 6 用对性能要求并不苛刻， 可容忍报文丢失和较大延迟。 应用层组播的优势有：只需改变端系统，便于实现和推广；便于针对特定应 用优化。它的缺点为纠：一般比i p 层组播使用更多网络资源；端系统可能不稳 定，导致组播的可靠性受影响；端系统性能无法保证，可能导致延迟、转发速率 等性能的下降。目前应用层组播的研究主要集中于视频会议系统、媒体流的分发 系统( 如视频广播) 和订阅分发系统( p u b l i s h s u b s c r i b es y s t e m ) 等，主要用于 实时的多媒体传输。这利用了多媒体信息的性质，即在传输链路质量下降时，用 户仍可利用收到的低速率或者不完整的信息，也发挥了组播“时问上集中、空间 上分布”的特点。 2 2 1 常见应用层组播技术的体系结构 目前常见的主要有三种系统结构来实现应用层组播，如下文所述： 1 ) 对等型 每个组成员节点都是平等的，动态变化且完全分布。节点之间通过一定的算 法、协议自组织成控制网络和数据转发树。每个节点仅维护自身参与组的状态信 息，所有与组播相关的功能，均以软件实体形态集成于参与组播会话的节点中， 每个节点完成相同的工作。 2 ) 代理型 这是一种基于固定节点配置的覆盖式组播技术，一般由增值服务提供商根据 一定策略在i n 自e m 融的某些位置部署应用层代理节点。代理节点之间的数据传输 路径和传输方式也由增值服务商预先确定。终端主机通过接入距自身最近的代理 第l s 页共7 3 页 节点获取数据。从某种程度上来看，代理节点类似于组播路由器。 3 ) 服务器型 介于对等型和代理型之间。转发树的主干由一些负载较大的服务器构成，不 同于代理类型，这些服务器不一定来源于i s p ，可能是作为普通用户加入的、性 能较高的网络终端主机。 在服务器型和代理型应用层组播中存在一些节点，其性能相对较高，所以基 于这些节点构建的转发树也比较稳定，可支持规模相对较大的应用层组播服务。 2 2 2应用层组播中的关键技术 1 ) 组播节点的组织方法 组播节点的组织方法决定了节点之间的关系，目前主要为“树”( 1 r c e ) 、 “网”( m e s h ) 和特定的逻辑结构。树状结构实现筒单，维护开销小，扩展性 好，但可靠性较差。网状结构可靠性较高，但维护开销较大，扩展性较差。一般 大组播组中使用树状结构，在中小组播组中使用网状结构。如何结合树状和网状 两种结构的优点值得研究。特定的逻辑结构扩展性好，且不需要路由算法，但问 题是建立的逻辑结构一般不能很好利用网络性能，这在目前的分析中很少涉及。 2 ) 组播节点的维护方法 组播节点的维护包括节点的加入、退出和“失效”节点的检测。节点的加入 是指：新的节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 pr e n d e z v o u sp o i n t ) ，通过r p 完成加入，r p 很容易成为 系统的瓶颈。节点退出时需要发出退出组播组的通知，有些算法要对节点的组织 进行调整。“失效”是指：节点没有发出退出组播组的通知但已无法正常工作。 一般通过定期发送报文实现“失效”节点的检测。 第1 9 页共7 3 页 3 ) 安全 i p 组播中的安全性非常重要，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。应用层组播中安全问题包括i o j ：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，文献1 0 1 建议在使用网状结构时，每个节点可 把收到的数据做数字签名后传递给邻居节点，如果有节点恶意篡改，那么可以从 数字签名中得以发现。 4 ) 网络性能测量技术 网络性能测量技术对于应用层组播的实用性十分重要，主要应用于： ( 1 ) 在网状结构中选择数据转发路径时需考虑性能； ( 2 ) 新节点加入时要选择性能较好的邻居节点( 或父节点) ： ( 3 ) 组播组结构调整时需测量性能； 主要性能指标包括带宽、延迟和丢失率，大多数算法以带宽或延迟作为主要 指标，网络性能测量目前仍是走在研究中的问题。 5 ) 流量控制和拥塞控制 流量控制和拥塞控常8 是i p 组播研究中的重要课题，主要困难包括多个接收 端速率不同、避免在单播中不存在的“反馈爆炸”。i p 组播中的算法包括r l m 用、r l c s 等，其主要思想包括：使用接收端驱动方式：利用媒体分层编码传输 的算法；裉据报文丢失判断速率超过网络传输能力，控制分层媒体流的增加和减 少。t c pf r i e n d l y 算法【9 1 0 】出现后，出现一些相关的组播算法，如m l d a 1 1 1 、 p g m c c i f 2 蝽。 应用层在流量控制和拥塞控制方面研究不多，主要思路包括：( 1 ) 借鉴i p 组 播的研究经验和思路；( 2 ) 针对和i p 组播的不同提出新的思路，例如中间节点 的功能可以更加复杂；( 3 ) 考虑媒体编码技术对于应用层组播算法的影响；( 4 ) 第2 0 页共7 3 页 考虑和t c p 流量的公平性问题。 2 3常见的应用层组播协议 应用层组播协议在把组成员组织在一起时，在成员结点之间构造了两种拓扑 结构：控制拓扑结构和数据拓扑结构。其中数据拓扑结构实际上就是一颗组播分 发树，它定义了数据在组成员之间分发的路径；而控制拓扑结构则是一个网状结 构。它的目的在于增加组成员之间的连通性和健壮性，在控制拓扑结构上互为邻 居的对等点之间，周期性地相互交换信息，以识别组成员的动态变化( 或者是主 动离开，或者是意外崩溃) 并恢复受到影响的数据拓扑。事实上，控制拓扑结构 起到了保护数据拓扑结构的作用。 根据建立数据拓扑结构和控毒4 拓扑结构的先后顺序，可以把应用层组播协议 分为网状优先、树状优先或者隐含三种方式：所谓网状优先就是要在组成员之间 先建立控制拓扑结构，在控制拓扑结构上，每一对组成员之间可能有不只一条路 径，在建立的控制拓扑结构上每个组成员随后再通过反向路径转发协议，构造从 数据源到每个组成员的组播分发树，也就是数据拓扑结构；而树状优先与网状优 先恰好相反，组成员首先在它们之间构造组播分发树，随后每个组成员真通过相 互之间交换信息发现其他非邻居成员，并建立与这些非邻居成员的连接，从而构 造控制拓扑结构：隐含方式构造的控制拓扑结构需要满足一定的属性，数据的转 发路径通过一定的分组转发规则隐含定义在这个控制拓扑结构中，也就是说隐含 方式在构建控制拓扑的同时也就定义了数据拓扑结构。 下面我们依次举例介绍这三种类型的应用层组播协议。 1 ) 网状优先协议 网状优先协议最具代表性的就是文献【1 3 , 1 4 】中提到的n a m d a 协议，n a r 撇i 早提出的应用层组播协议之一。就像前文提到的，n a r a d a 在组成员间建立一个具 有丰富连接的网状拓扑并努力确保网状拓扑具有期望的性能，建立网状拓扑的生 成树，每个生成树的根都对应者一个数据源。由于最终得到的组播树是建立在网 状拓扑的基础上，所以建立性能良好的网状拓扑对于组播树至关重要。下面我们 第2 l 页共7 3 页 从组的管理、网状拓扑的优化以及数据的发送三方向描述n a r a d a 。 组管理：在n a r a d a 中为了增强协议的健壮性，去处单点故障。组信息的维护由 所有组成员共同承担。也就是每个组成员都应该知道组内其他成员的信息。这需 要在全组内发布有关组成员的变动信息。为了做到这一点，每个在网状拓扑上的 组成员定期与它的网状拓扑上的邻居节点交换它所知道的组成员信息。通过这种 方式可保证最终所有成员都知道全组信息。n a r a d a 增强了健壮性的同时，增加了 控制开销，该控制开销与0 ( n 2 ) 成正比，其中n 是组成员的数量。因此n a r a d a 协议 的扩展性不好，它适合于组成员数量不多的情况。 当有新的节点希望加入到组内时，n a r a d a 假定该成员能够知道组成员的列表， 组成员列表中至少应该包含一个组成员。n a r a d a 没有给出新成员获得组成员列表 的具体方法。新成员从列表中随机选择几个组成员并向它们发送加入消息当任意 一个组成员响应了加入消息，本次加入过程就成功执行。新加入的成员开始与网 状拓扑中的邻居节点交换组成员信息，最终每个节点都知道新的成员信息。组内 成员会主动的或被动突然失效) 的离开拓扑。如果是主动离开，该成员只需要提 前通知它的邻居节点就可以了；如果是被动离开，则邻居节点并不能立刻知道组 成员的改变，它们只有通过在一段时间内没有收到该节点的交换信息才能知道节 点失效。伴随节点的离开往往会造成网状拓扑的分裂，因此n a r a d a 协议必须具有 修复拓扑分裂的能力。 图2 - 2 ( a ) n a r a d a 结点的失效( b ) n a r a d a q 6 结点的恢复【1 3 1 我们以图2 2 ( a ) 和图2 2 ( b ) 为例说明n a r a d a 的修复过程。当组成员a 突然崩溃 后，网状拓扑被分裂为两部分，经过一段时问1 m ，这两部分成员相互之间无法 第2 2 页共7 3 页 收到另一部分成员的更新信息，因此判断拓扑分裂。每个组成员会把未收到更新 消息的成员记录下来，并且周期性的随机探测这些成员，或者确定是哪个成员失 效，或者在它们之间建立新的链路。随机特性保证虽然同时可能有多个组成员尝 试修复拓扑，但加入的新链路的数量并不多。在图2 - 2 ( b ) 中，新加入的链路为 e - c f d 。 网络拓扑的优化：所建立的网状拓扑的性能由于组成员的变化或者是网络负 荷的变化而可能不够优化，因此需要调整拓扑( 增加或删除链路) 以改善它的性 能。n a r a d a 是通过为链路计算一个u t i l i t y 值而决定在成员之间增加或删除链路。 举例来说，如果i 希望增加它到j 的链路，那么它计算i j 链路能够改善它到其他 成员的性能的数量以及改善的程度，如果这两项指标超过规定的u t i l i t y 值，那么 可以增加这条链路同样，在删除链路时，也要计算该链路的u t i l i t y 值，如果该 u t i l i t y 值小于规定的门限，则该链路可以删除。 数据的发送：当需要发送数据时，需要建立一个以数据源为根的网状拓扑的 生成树。建立生成树的方法就是d v m r p 协议中使用的反向路经转发算法( r p f ) ，卸 组成员m 只衍收邻居n 转发的数据源的数据，当且仅当n 是m n 达数据源s 的最短路 径上的下一跳节点。网状优先协议还包括g o s 鼢m e r 【1 熨。 2 ) 树状优先协议 o v e r c a s t | l t ) l 是最早提出的树状优先应用层组播协议之一，是为那些具有单个 业务源且期望具有高带宽的应用而设计的，其目标就是要最大化从根到所有节点 之间的带宽。在建立组播树时，算法尝试着把新成员放在尽量远离根节点而带宽 依然充足的位置，树的建立过程如下：在o v e r c a s t 中假定系统中有一个注册点能 够获得组成员的信息，当有一个新的成员希望加入到组内时，首先通过注册点获 得树的根节点的信息，然后从根节点出发，循环寻找远离根节点，同时带宽依然 充足的位置：在每一次循环中，新成员测量它到当前节点的带宽以及它到当前节 点的子成员的带宽，如果它到当前节点子成员的带宽不小于它到当前节点的带 宽，那么它把该子成员作为新的当前节点开始新一轮的加入过程，如果有多个子 节点满足带宽的要求，那么选择距离自己最近的成员。如果没有子成员符合要求， 第2 3 页共7 3 页 那么当前节点就是新的组成员应该加入的点。该过程可以用图2 3 示意。 图2 30 v e r c a s t q b 的新节点的加入过程【1 研 由于组成员以及网络中流量的变化，树型结构也需要不断的调整。每个组成 员会从它的父节点获得兄弟节点以及祖父和先驱节点的信息，由此构成了控制拓 扑。每个节点周期性的测量它到这些节点的带宽。就像最初的加入过程一样，如 果节点发现它与某个兄弟节点之间的带宽不小于它到父节点的带宽，那么它就脱 离当前的父节点加入到这个兄弟节点。同样，如果节点发现它到祖父节点的带宽 大于它到父节点的带宽，那么它脱离父节点加入到祖父节点。当某个组成员的父 节点失效时，它可以利用它保存的祖父以及先驱节点的信息一级级上溯直到找到 一个可用的节点为止。树状优先的协议还有y b i d 【1 7 1 ，h m t p ! ，t b c p 1 9 1 ， a l m i 2 m ，b t p 2 1 蝽。 3 ) 隐含方式 n i c e t 2 2 1 协议把所有的结点组织成一种层次的体系结构，而协议的主要功能 第“页共7 3 页 就是生成和维护这种分层体系结构，这种层次体系隐式的定义了重叠组播数据传 输路径( m u l t i c a s to v e r l a yd a t ap a t h s ) 。大部分的结点都是分布在最低层，仅仅 保存一个固定数目的其他结点的状态信息，所以层次体系中的每个结点对于协议 的扩展性有重要的意义。在结构的最顶层的结点中保存了共0 ( i o g n 、其他结点 信息。逻辑上，每个结点保存了与它在每一个层次中相邻近的结点的状态详细信 息，但是对于其他结点，则仅仅保存较少的信息。n i c e 协议通过把每一个结点 分配到不同的层次中来生成层次系统。如图2 - 4 所示： 7 哳眦, f 二嚣黑薰冀蒜 t o p o k n 蚓c l u s h n s ! 一 。 。 图2 4n i c e 协议体系结构瞄l 不同的层以连续的不同数字为编号，最低层的号码为0 ，每个层次的结点分 类形成簇。根据结点的距离远近来把结点划分到不同的簇中去。每一个簇包含k 到3 k 一1 个结点，k 是一个常量。此外，每一个簇有一个结点作为领导结点。领 导结点是地理位置上出于中心的结点，它具有最小的与所有其他结点最大的距离 和。正确的选定簇的领导结点是非常童要的，正确的选定领导结点可以确保一个 新结点加入的时候，只需要较少次的查询请求就可以找到自己在这种层次体系结 构中的合适位置。 可以使用如下的方法把不同的结点归结到不同的层次中去： 1 ) 所有的结点都属于最低层，记为三o 。 2 ) 最低层的所有结点分成不同的簇中去，选定每个簇的领导结点。 3 ) 厶层的所有簇领导结点加入到上l 中去，然后再划分成不同的簇，选出各 簇的领导结点。 4 ) 如此重复，所有厶层的簇领导结点都是f + 1 的结点。 第”页共7 3 页 节点的层次结构同时用于控制和数据拓扑，在控制拓扑中，每个集群的成员 之间相互发送周期性的更新消息。数据拓扑中源节点发送数据分组给控制拓扑中 它的所有相邻节点。假设属于层次厶到厶的中间节点h 收到了节点p 发送的数据， 则h 和p 必然在某个层次中属于相同的集群，假设为层次厶，如果成员h 是不同于i 的层次集群的主节点，它将把该数据分组转发给这个集群的所有成员。新节点将 根据距离度量选择加入离自己最近的层中的某个集群。 2 4视频监控领域应用层组播特点 视频监控领域的应用层组播有组播组变更频繁、源节点数目庞大和实时性较 弱连续性较强等特点，决定了现有的应用层组播协议不能直接应用在此领域，分 析如下： 1 ) 组播组更新频繁 在视频监控系统实际运行过程中，系统操作员需要经常性的、随机的观看不 同摄像机的视频图像。在应用层组播技术中，操作员每一次切换视频图像，都可 能会引发组播树上节点的退出和加