（计算机系统结构专业论文）对等无线直播系统跨域移动服务质量保证机制研究.pdf

i 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 摘摘 要要 对等流媒体直播系统应用到 wifi 无线局域网时，由于 ieee802.11 协议不负责 跨接入点的域间服务质量保证，导致移动客户端在跨域移动时会产生传输中断和地 址切换的问题，再加上对等网络中拓扑的动态性，从而最终影响客户端数据传输的 效率和播放流畅程度。 对等无线直播系统的跨域移动服务质量保证机制就是为了解决上述域间服务质 量保证问题的，此机制中包括信号趋势预测、数据预缓存、数据暂存三个主要策略， 以此为无线客户端在跨域移动时提供良好、连续的服务。 跨域移动服务质量保证机制的主要思想是：在无线节点跨域切换之前，节点不 断检测无线信号强度，当节点预测到有离开当前局域网的趋势时，通知注册服务器， 服务器返回邻近局域网的节点列表。在节点跨域切换时，节点维护好友列表以及从 服务器收到的节点列表，同时服务器将节点接下来需要的数据预缓存到节点邻近无 线局域网中的无线节点或附近的有线节点，由这些节点来帮跨域节点预缓存数据。 在节点跨域切换后，节点把新地址更新到服务器和好友节点，同时请求数据，由于 在附近的节点中预缓存了即将需要的数据，因此节点可以快速恢复数据的传输。如 果节点由于切换距离太长而停止播放了一段时间，就会落后整个网络的播放进度， 此时由节目源和暂存节点来提供过期数据，而在保证客户端可以连续播放的前提下， 也提供同步当前网络播放时间的功能。 系统测试实验表明，在已有无线直播系统 mosee 中实现了跨域移动服务质量保 证机制后，节点的数据缓冲度能够在跨域切换时得到保证，对比不采用此机制的系 统，节点在切换网络之后能更快地从网络中取得数据，在不造成服务器负担明显增 加的前提下，有效保证了节点的服务质量。因此，跨域移动服务质量保证机制能够 有效地提高系统在无线节点跨域移动过程中的整体服务性能。 关键字：关键字：对等直播，无线跨域移动，服务质量保证，数据预缓存 ii 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 abstract when bringing live streaming services into the ieee802.11-based wireless network, the protocols of wifi could not guarantee the service quality for domain-across movement. due to the failure of connection and change of address when the wireless peer roaming between adjacent networks, and coupled with the dynamic of peer-to-peer topology, the domain-across movement impacts the data transmission efficiency and playing fluency of client. the service guarantee mechanism for domain-across movement in the wireless peer-to-peer live streaming system can address this inter-domain roaming issue. it includes three main strategies, signal trend prediction, data pre-caching and data temp-storing, which provide a good and continuous service to the roaming wireless client. the main idea of this service guarantee mechanism is as follows. before roaming, the wireless peer constantly detects its wireless signal strength. when it predicts itself going to leave the current network, it informs the tracker server. the tracker server returns a helping peer list that contains some peers of the adjacent networks. and when roaming, the wireless peer maintains its partner list and the helping peer list that received from the tracker server. at the same time, the helping peers pre-cache data which the roaming peer needs, in order to prepare for the resuming of wireless peer. after roaming to another network, the wireless peer notifies its new address to partners and the tracker server. then it starts to request the media data. because of the data it needs have been pre-cached in the adjacent networks, so the wireless peer can quickly resume the data transfer. and if the wireless peer has stopped playing for a while due to the long switching period, it would lag behind the entire networks playing time. so the source server and some selected storing peers provide the out-dated data to the wireless peer, which ensure that the client can still play from the breakpoint. and the mechanism also provides a playing time synchronization function to the client. the experiments in the wireless live streaming system “mosee” show that the service guarantee mechanism gives a better buffer percentage when the wireless peer is roaming between adjacent networks. and compared with not using this mechanism, using it in the live streaming system makes the resuming of data transfer faster, ensuring the users iii 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 fluency of playing. on the other hand, this mechanism does not significantly increase the server load when assuring the service of roaming peers. therefore, this service guarantee mechanism for domain-across movement can effectively improve the overall service performance of the live streaming system when wireless peers are roaming between adjacent local area networks. key words: peer-to-peer live streaming, wireless mobility, service guarantee, data pre-caching 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本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，即：学校有 权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， 允许论文被查阅和 借阅。 本人授权华中科技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， 在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 1 绪论绪论 本章首先简述对等无线流媒体直播系统的概念，并提出无线节点在跨域移动时 的切换问题，接着介绍国内外对等无线直播系统以及无线局域网间跨域切换的研究 概况，然后说明本课题的背景、目标及研究内容，最后描述文章的框架结构。 1.1 问题提出问题提出 随着手持移动设备如手机、个人数字助理 pda（personal digital assistant）等的 不断普及，以及移动设备处理能力不断提高，越来越多应用程序出现在移动设备上。 无线电信网如全球移动通讯系统 gsm（global system for mobile communications） 、 码分多址数字无线技术 cdma（code division multiple access）等网络的不断成熟， 无线因特网如无线保真技术 wifi1（wireless fidelity） 、微波存取全球互通技术 wimax2（worldwide interoperability for microwave access）等网络的接入覆盖范围 越来越大，无线网络上的应用也越来越多的涌现，各种个人电脑上的应用也不断被 移植到无线移动设备上。 因特网上广受欢迎的网络流媒体直播应用，在移动设备越来越普及的今天，也 开始被应用到无线网络环境中。过去几年中，网络流媒体直播系统在网络应用中占 了很大的比例，因此在无线环境中及手持移动设备上，移动流媒体直播系统3,4也将 会是应用热点。无论是无线电信网基于蜂窝式的长距离移动通信网络，还是无线局 域网基于 802.11 标准的短距离无线网络，移动流媒体直播系统在上面的应用都将不 断普及。 无线局域网与无线电信网有一个在传输速度上的优势，以及与现有因特网的网 络结构相同的优点，然而无线局域网在跨域切换方面存在固有的缺陷，不能像无线 电信蜂窝网那样做到域间的无缝切换。wifi 制定了无线局域网物理层和媒体访问控 制层的规范及基本结构，但并没有对无线局域网的构建做出规定。这给接入点和由 其组成的分布式系统在功能设计上留出了自由空间，但同时也给无线节点的移动带 来了问题5。wifi 采用基于接入点间漫游协议 iapp（inter access point protocol）来 2 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 实现不同接入点的接入，但切换速度始终是一个重要问题，无线节点进行跨域切换 时， 由于需要 ip 地址配置， 而设计时没有考虑移动问题， 因此造成较大的延迟。 iapp 协议支持无线节点在接入点间的切换，但无线节点的服务质量并不能得到可靠地保 证。 而随着对等网络技术 p2p （peer-to-peer） 的成熟， 不但明显减轻了服务器的压力， 而且能够以相对较小的服务器能力去支撑较大规模节点的应用，因此 p2p 已经成为 一种主流的网络应用技术。现有的对等流媒体直播系统，在有线环境下已经比较成 熟，然而在无线环境下的优化则相对较少。无线环境中用户的移动是不可避免的， 移动的过程就必然会遇到相邻无线局域网间的跨域切换问题，就会影响到直播节目 的播放质量，不但不能保证连续播放，还会遇到其他的一系列问题。 在 wifi 协议中没有给出跨域移动的解决方案时，就需要在应用层上考虑解决方 案。因此，设计出一个在无线节点进行跨域切换网络时，保证用户节点的直播节目 服务质量、保证系统整体稳定性的对等无线流媒体直播系统，是一个有待解决的问 题。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1 无线流媒体直播系统无线流媒体直播系统 随着网络应用需求的不断提高以及网络技术的不断发展，基于无线环境的移动 流媒体直播系统的研究也不断进行6,7，下面介绍现有的无线网络直播系统的研究。 （1）商用的手机电视标准 尽管中国数字电视标准仍未定，但在美洲和欧洲市场上，移动广播服务已经兴 起。第一种是只利用蜂窝移动通信网络实现，这种方式主要通过流媒体技术来实现， 高通公司提出的 mediaflo8标准就是这种技术的代表。第二种是基于 t-dmb9标 准，韩国已经推出了卫星广播和移动网络相结合的 t-dmb 业务方式。第三种是基于 isdb-t10和 dvb-h11标准，这两种方式要在手机中安装额外的数字电视接收模块， 这样手机就可以接收数字电视信号，欧洲和日本都在进行这种网络测试，不久可望 实现商业应用。这几种手机电视方式都是基于特定的商用标准的，各个标准还在竞 争之中，其应用一般由运营商开发，没有 wifi 的互联网应用那么大的开放性。 3 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 （2）mobitv 平台 位于美国伯克利的名为 idetic 的公司推出的 mobitv12， 是世界上第一个全球性 的电视网络系统，通过该系统，运营商只需基于现有的移动网络，便可以给手机用 户提供直播电视业务。用户只需要向运营商订购服务， 并下载 mobitv 应用程序， 便可轻松获取服务。此系统支持多种手机平台，也支持多种制式的无线通信网络，也 支持 wimax 网络。此平台也是一个和运营商结合较紧密的一个移动网络直播系统。 （3）手机应用软件 gglive、10live、xlive 其中，gglive13可以通过 gprs 网络，利用手机随时随地在线播放电视和电影 节目，支持 symbian、wince、linux 系统的手机。而 10live14则可以在手机上播放 音视频，支持在线电视直播，支持在线电影节目功能，可实现在低网速条件下的流 畅无线流媒体视频观看体验，支持 wifi 网络。xlive15则可以在手机上实时地观看 国内主要的电视台，并提供电影的在线观看服务，支持 wifi 网络。这三款手机应用 程序主要应用在智能手机中，通过 2.5g/2.75g 网络提供低带宽的视频节目直播，因 此暂时提供的都是码流比较低的节目。 可以看出，随着节目质量的要求增大，视频码流的提高，传统的通过 gprs 方 式的无线流媒体直播已经不能很好的满足用户的需要，因此无线直播系统也在逐渐 向着支持 wifi 的方向发展，以支持更高质量的无线流媒体直播。 1.2.2 基于基于 p2p 的无线流媒体直播的无线流媒体直播 由于 p2p 技术能够比 c/s（client/server）架构以更小的服务器消耗支持更多的 用户， 因此流媒体直播系统普遍都采用了 p2p 技术， 而当移植到 wifi 环境中时， p2p 技术也需要作出针对无线的优化。 下面介绍几个基于 p2p 的无线流媒体直播的模型。 国内提出了一个叫做 p2p-leveraged16的移动流媒体直播模型，此模型提出一种 移动通信网和无线局域网相结合的移动流媒体直播方式，节点与流媒体服务器之间 通过 gprs/cdma/3g 的方式来获取数据，而节点与节点之间则通过 wifi 的方式来 交换数据，这相当于一个平衡的 p2p 方式的流媒体直播模型。 而国外则提出一个 energy efficient17的移动流媒体直播模型，这个模型与上面 一个很相似，也是一种混合通讯结构，节点与服务器间用手机上的移动通信网接口 4 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 交互数据（称为服务器端口） 、而与邻居节点间用手机上的无线局域网接口交互数据 （称为节点端口） ，而由于 wifi 的节点端口耗电相对比服务器端口要小，所以在传 输数据时尽量使用 wifi 节省电源消耗。 此外，还有一种叫做 v318的模型提出，以公路上汽车的行驶为背景，同一方向 车道上前后相邻的车之间交换数据，在不同方向车道上相遇的两辆车也交换数据， 通过这两种方式在公路上组织出一个流媒体数据交互的网络，这种模型是在特定的 场景上的一种 p2p 流媒体交互的方法。 以上三个无线 p2p 模型提出了一些无线场景下的应用模型，针对无线网络环境 作出了优化，以使流媒体应用更加适用于 wifi 网络环境，但是它们都还没有考虑到 不同网络间的跨域切换的问题。 1.2.3 无线跨域移动切换无线跨域移动切换 由于 wifi 不同于移动通信网络， wifi 的跨域移动性的问题对各种流媒体直播应 用都会造成影响19，因此国内外进行了不少这方面的研究20,21,22，这些研究分别在 网络层、传输层、应用层等各层23都提出了一些移动切换时的改进措施。下面介绍 一下现有的针对无线跨域移动性方面的研究。 （1）网络层中的移动性研究 mipv424和 mipv625是 mobile ip 的先后两种实现版本， mobile ip 已经被认为是 互联网上解决移动性的一个经典的方法26,27,28， 通过外地代理和隧道机制来实现移动 节点与 ip 地址的分离，但是这种方法需要路由器的支持，要全面支持 mobile ip，就 需要更换互联网上的所有路由器，因此这也是它一直没有普及的原因之一。 lin629则是针对 ipv6 的一种移动性解决方法，基本思想是将 ipv6 地址中的标 识和位置分离，lin6 为每个节点引入一个 lin6 id，无论节点实际上链接到哪里， 也无论节点上有多少个网络接口，还是以此 id 来标识节点。对于某个节点，网络前 缀和 lin6 id 一起组成 lin6 地址，再加上一个 lin6 生成的前缀 id，两者一起组成 了在网络层路由的要素。 （2）传输层的移动性研究 tcp 协议在移动性方面的扩展有以下几种。indirect tcp（i-tcp） 30和 mtcp31 5 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 针对的是无线链路上的位误码率，在 i-tcp 和 mtcp 中，移动节点和外地网络中间 插入一个移动支持站 mss（mobile support station） ，而在 mss 和移动节点之间的无 线链路是经过优化的，这两个协议在吞吐量上比标准的 tcp 协议要好。tcp redirection（tcp-r）32则是一种简单安全的重定向机制，tcp-r 的主要思想是根据 tcp 中的重定向选项来对现有 tcp 连接中的一对 ip 地址进行修改， 当移动节点获取 到一个新 ip 地址之后就会向对方节点发送一个重定向消息，对方在验证后就会修改 tcp 连接中移动节点的地址，同时移动节点也修改 tcp 连接中的本机地址，这样就 可以使用修改后的 tcp 连接通信。mobile-tcp33则是一种非对称的传输层协议，它 通过在移动节点端加入了相对低复杂度的算法和子程序，尽量地减少了移动节点在 通信上的负荷。tcp migrate34协议也是和 tcp-r 思想相似的一种对 tcp 协议加入 对移动性的支持的改进，tcp migrate 和 tcp-r 的区别是加入的是 migrate 的选项。 msocks35则是通过一种分离的代理机制来对 socks 进行扩展，以此来对 tcp 进 行进行移动性的支持。以上几种都是对 tcp 协议的改进。 而 msctp36则是对传输层中的新协议 sctp 增加移动特性后的一种协议，在 msctp 中引入了一种多信宿机制， sctp 端点在关联中可同时使用多个 ip 地址， 连接建立时，通信端点各向对方提供一个 sctp 端口号和一个 ip 地址列表（多个 ip 地址组成一个 sctp 地址） ， 每个关联都由两个 sctp 端口号和两个 ip 地址列表来识 别，关联两端的两个 ip 地址列表中的任意一对地址组合都可以通过该关联来发送和 接收数据，并且在一条激活的 sctp 偶联上，可以动态的添加、删除 ip 地址以及更 改主路径的端到端的软切换。 而 dccp37协议则是通过定义一种 dccp-move 包来提供整合的移动特性和多 宿特性，将来还准备增加移动容量特性和移动 id 特性，移动节点在建立连接时，需 要与对方节点协商启动移动特性的支持，这样移动节点才可以在网络地址改变时改 变连接的 ip 地址，然后移动节点就会随机生成一个移动 id 并发送给对方节点来标 识自己， 当移动节点切换到一个新的网络时，它就会发送一个 dccp-move 包来通知 对方，而对方也会回应一个 dccp-sync 消息来同步这个连接。 （3）网络层和传输层之间的移动性研究 hip38是设计来建立安全和连续通信的。和 lin6 类似，hip 中也是将标识和位 6 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 置分离，不过此协议是在网络层和传输层之间引入一个主机标识协议 hip（host identity protocol）层，在这个新层中通过主机标识 hi（host identifier）地址代替 ip 地址来进行路由，在 hip 层里 hi 可以动态映射到一个或多个 ip 地址上。 mast39和 hip 相似，也是在网络层和传输层之间建立一个新的层来支持因特 网移动性和多宿特性，不过在此层中 mast 并不创建一个新的名字空间，而仅仅是 使用现有的 ip 地址空间，它将不同的 ip 地址映射到建立此链接的初始 ip 地址上， 通过一种机制将多个 ip 地址和传输协议联系起来，通过一个消息机制来更新有效的 ip 地址、查询关联状态、获取错误信息、中止关联等等。 （4）应用层的移动性研究 sip40是一种应用层的多媒体信号协议，不过它提供了在因特网中的移动性支 持，sip 的开发目的是帮助提供跨越因特网的高级电话业务，在协议中可以进行用户 的定位和用户属性的修改。协议可以基于 tcp 或 udp，通过一个 invite 消息来建 立会话，然后在节点移动到新的网络之后，通过一个 re-invite 消息来维护现有的 会话。 ddns41则是一个依据 dns 机制的改进协议，ddns 提供了一种方法通过特别 的更新消息来动态地更新 dns 中的 rr 记录和 rr 组，因为应用程序在通信开始时 普遍都会将节点名称解析为 ip 地址，ddns 就通过一个位置管理，将移动节点看作 是一个服务器，然后其他节点就像和服务器连接一样和移动节点进行连接，这样移 动节点切换网络以后，通过节点名称的解析就可以得到移动节点的新 ip 地址。 以上提出的这些支持移动性的协议，虽然都能提高移动切换过程中的性能，但 是都需要改变协议栈来实现，需要修改操作系统来实现，因此这些协议还不能方便 地应用于现有的无线直播系统中。 1.2.4 基于基于 p2p 的跨域移动切换的跨域移动切换 而对于依赖于网络拓扑结构的 p2p 系统来说，wifi 的移动性问题更加会影响流 媒体直播的质量，因此对于 p2p 的移动性的研究也开始逐步出现，下面介绍 p2p 移 动性的研究现状。 nonstop42是一个针对无线自组织 （ad hoc） 网络中的移动节点流媒体保持连续 7 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 机制， nonstop 是一个基于中间件的运行时算法的集合， 通过流媒体源以及移动节点 和用户上的分布式的流媒体源的帮助，采用分区预测以及服务复制，来提供在无线 ad hoc 网络中移动节点对连续流媒体的支持。 group mobility model43则是通过对无线 ad hoc 网络中的无线节点移动聚集特 性进行分析，推测出无线 ad hoc 网络中节点的移动特性和移动聚集模型，采用一个 对未来的无线连接的预测，以及通过一个分布式的稳固节点组的区分接入控制算法， 来增加 p2p 流媒体中总的流媒体数据的缓冲能力。 scap44是一个通过无线接入点 ap（access point）进行数据缓存来提高 p2p 流 媒体服务能力的机制， 通过将相同数据存储在 ap 的缓存中， 可以减少 ap 上的流量， 提高无线节点获取数据的机会，并且也提供了移动性的支持，不过由于需要在 ap 上进行数据的缓存， 这就需要 ap 进行硬件上的支持， 支持额外的存储以及处理能力。 在另外一个提高 p2p 流媒体服务能力的机制中45，也采取了和 scap 相似的一 种策略，将一个移动代理的模块嵌入到无线 ap 中，通过 ap 中的移动代理模块来提 高传输的速度和资源的利用率，给移动节点提供更加流畅的流媒体服务，并且更好 地给移动节点提供移动性的管理。 以上的几个研究提出的是在 p2p 中对无线移动性某些方面的对策和研究，但没 有一个系统的解决方案，不过在预测节点的移动规律以及在无线接入点缓存数据这 两个方面是两个比较好的解决移动性的思路。 1.3 课题背景及研究内容课题背景及研究内容 基于对现今的无线流媒体直播系统以及无线跨域切换研究现状的分析，移动流 媒体直播系统现在基本上都是基于 c/s 结构的，而基于 p2p 结构的移动流媒体直播 系统的很多研究都仅仅处于研究而没有实际系统的状况，而现有的基于 p2p 的流媒 体直播系统则很少有针对无线网络环境进行优化；而虽然对于无线跨域移动性的研 究则已经有很多针对网络各层的研究，但是由于这些研究都是处在网络协议栈中的 研究，很多提出的协议都需要改变现有的协议栈的实现或者是硬件的实现，因此在 真正实用起来有一定的困难。 随着无线网络中网络直播的应用越来越多，而 p2p 的技术优势也使 p2p 方式的 8 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 无线直播系统更具优势，但在无线移动应用中，网络跨域切换是一个必然会遇到的 问题，必然会在实际应用中影响直播服务的质量，并且由于 p2p 对拓扑结构的依赖 性，移动性对 p2p 应用的影响会比普通应用更加大。因此移动性是一个必须要解决 的问题。经过对研究现状的分析可以看出，还没有针对 p2p 无线流媒体直播系统的 跨域移动方面的研究，因此基于现有的对等无线流媒体直播系统 mosee，提出一种 无线流媒体直播系统的跨域移动服务质量保证机制，来解决这个无线应用中的移动 切换问题。 对于无线移动性，需要解决的是位置管理和切换管理两方面的问题。因此，引 入无线跨域移动服务质量保证机制，针对无线局域网 wifi 中的移动切换问题，采用 一种优化的机制来保证 p2p 流媒体直播系统的服务质量。主要需要完成以下几项工 作： （1）增加对 ip 地址的管理，客户端要管理自己的 ip 地址，服务器也要管理同 一节点的不同 ip 地址，这是实现移动性中位置管理的必需。 （2）增加对无线信号的获取和管理，无线客户端中无线信号的处理是移动跨域 切换中动作判断的基础，需要不断更新无线信号并作出处理。 （3）实现一个基于位置的邻近局域网数据预缓存机制，通过在邻近局域网中选 出一些节点来帮助跨域移动节点预缓存所需数据，让跨域节点在切换网络后能够快 速恢复数据传输，这相当于实现移动性中切换管理的一部分。 （4）实现一个基于节点能力的数据暂存机制，通过在网络中选出一些节点帮助 离开网络时间较长的跨域移动节点存储一些过期的数据，让跨域节点在停播一段时 间之后仍能继续获得数据，在断点处继续播放。 （5）改进节目源服务器中的存储管理，改进注册服务器中的节点管理，在服务 器端支持无线移动性的新特性。改进客户端中的存储管理、调度管理、拓扑管理， 以使客户端适应跨域移动的切换，这些都是实现移动性的切换管理的必需。 1.4 文章框架结构文章框架结构 全文分为六个部分，各章的内容安排如下： 第 1 章首先简述对等无线网络直播系统的研究背景，提出无线直播应用中的问 9 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 题，接着介绍国内外对等无线直播及跨域移动的研究概况，然后说明本研究课题的 背景、目标及研究内容，最后描述文章的框架结构。 第 2 章首先进行对等无线流媒体直播系统 mosee 的整体简介，包括系统的体系 结构和模块划分，然后描述跨域移动服务质量保证机制的基本思路，以及此机制相 关的功能模块和工作流程，最后分析此机制的一些关键问题和难点。 第 3 章对跨域移动服务质量保证中的三个主要算法进行描述，分析客户端中基 于无线信号变化趋势的行为判断算法，分析服务器中的基于位置的数据预缓存及预 缓存节点选择算法，以及基于节点能力的数据暂存算法。 第 4 章详细描述系统的主要实现技术，首先描述无线节点位置及状态信息监控 的实现，其次描述无线节点移动中邻近局域网节点的预缓存机制的实现，然后说明 稀缺数据的暂存机制的实现方法，最后阐述了无线节点好友列表的维护和数据传输 的快速恢复。 第 5 章首先说明系统测试的环境和参数，然后展示系统的运行实例，最后对跨 域移动服务质量保证机制的测试和各种性能指标进行分析。 第 6 章对全文进行总结，并对下一步需解决的问题进行说明。 最后是致谢、参考文献和附录。 10 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 2 跨域移动的对等无线直播系统的设计跨域移动的对等无线直播系统的设计 在本章中，首先阐述对等无线流媒体直播系统 mosee 的总体结构，接着描述 mosee 系统中实现跨域移动服务质量保证机制的基本思路，然后说明此机制在系统 中的具体模块划分和工作处理流程，最后分析实现该机制在节点域间切换时所需要 解决的关键问题和难点所在。 2.1 对等无线直播系统对等无线直播系统 mosee 概述概述 mosee 系统是针对无线环境作出优化的，能够工作在有线和无线混合网络下的 流媒体直播系统，系统的主要特点是实现了无线组播代理机制和自适应可变码率机 制。 mosee 借鉴 p2p 直播系统 anysee 的对等网络层的流媒体交互算法， 同时针对无 线局域网带宽有限的特点引入无线组播代理机制，通过组播代理节点的组播完成无 线局域网内其他节点的数据缓冲，节省了无线接入点的带宽；还针对网络环境的多 样性引入可变码率机制，使节点在不同的网络环境下可以动态自适应播放不同的码 流，提高客户端节点播放的流畅度。 2.1.1 系统体系结构系统体系结构 mosee 系统主要由注册服务器 （tracker） 、 节目源服务器 （source） 、 客户端 （client） 三个部分组成，其中客户端分为有线节点（wired peer）和无线节点（wireless peer） 两种角色，而无线节点又分为组播代理节点（agent）和一般无线节点（node）两种。 mosee 的系统总体结构设计如图 2.1 所示。 注册服务器负责管理所有的频道信息，以及每个频道所有节点的信息。每个频 道在注册服务器上保存一个该频道的节点列表，每个节点加入某频道后，注册服务 器会根据节点信息计算并返回一个全局统一标识符 guid（global unique identifier） 来标识该节点，并根据两地址间的远近，在该频道的节点列表中找出离该节点最近 的一些节点，作为用户的初始节点列表。在服务质量保证机制中，注册服务器就要 负责管理所有无线节点的信息，以此作为各种策略中选择节点的依据。 节目源服务器向注册服务器注册节目频道地址，并从文件或直播流中解析媒体 11 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 数据来提供直播。客户端节点登录注册服务器后获得当前网络频道列表，然后加入 某一频道，获得该频道的节目源服务器地址、以及观看该频道的节点列表等信息。 这样客户端与客户端之间、客户端和直播源之间组成对等网络，交互控制信息和媒 体数据。客户端在对等网络中起重要作用，因此服务质量保证机制中需要对客户端 进行增强。 媒体源 直播流数据文件 节点b 有线客户端 节点a 无线客户端/ （组播代理） 获得节目列表 加入频道 返回广播源地址/ 各节目码流数/ 初始化成员 维持心跳 媒体数据 控制信息 控制信息 媒体数据频道注册 节目源服务器 注册服务器 媒体数据流 控制信息 节点 c 无线客户端 (一般无线节点) 控制信息 媒体数据 组播地址 加入频道 图 2.1 mosee 系统总体结构 2.1.2 系统模块划分系统模块划分 mosee 系统主要分为以下几个功能模块：注册服务器模块（tracker server） ，节 目源模块（source） ，频道管理模块（channel manager） ，本地服务器模块（local server） ，网络传输模块（transmitter） ，以及网络管理模块（network service） 。其中 网络传输模块和网络管理模块为客户端和节目源服务器共有的模块，而节目源模块 则只出现在节目源服务器中，本地播放器模块则只存在于客户端节点中。 mosee 系统的整体功能模块图如图 2.2 所示， 其中不同的节点或服务器角色会包 含一些相同和一些不同的模块。下面简单介绍一下几个主要模块的功能。 12 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 频道管理模块是系统的总管模块，频道管理模块负责一个或多个频道 （channel） 。每个频道则包括成员管理模块（member manager） ，好友管理模块 （partner manager） ，缓冲管理模块（buffer manager） ，数据调度模块（scheduler） 和组播代理模块（agent manager）五个模块，其中的成员管理模块和好友管理模 块也合称为拓扑管理模块（topology manager） 。每个频道根据预设的类型分为节 目源服务器的角色或者客户端的角色，而客户端则再根据是否为无线以及是否为 组播代理划分为有线客户端、无线组播代理和一般无线节点三种类型。节目源服 务器的频道模块中只有缓冲管理模块，而有线客户端的频道模块包括缓冲管理、 数据调度、拓扑管理三个模块，无线客户端的频道模块则包括缓冲管理、数据调 度、拓扑管理、组播代理四个模块。 mosee 系统 注册服务器 节目源服务器 网络管理模块网络传输模块频道管理模块本地播放器节目源 缓冲管理模块 拓扑管理模块 (成员/邻居) 数据调度模块组播代理模块 有线节点无线节点 图 2.2 mosee 系统功能模块 缓冲管理模块开辟一个缓冲区，负责存储节目播放所需的流媒体数据，按时间 将流媒体划分为数据包并按顺序编上序号，存放按时间划分的一段媒体数据的容器 称为数据槽，并向拓扑管理模块和数据调度模块提供缓冲区快照等信息。节目播放 时，缓冲区提供数据给本地播放器模块，并且定时向前滚动，删除一段过期数据， 同时将新接收到的媒体数据存放到缓冲区中。服务质量保证主要就是保证缓冲区的 数据。 拓扑管理模块分为成员管理和好友管理。成员管理模块维护一个成员列表，此 13 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 列表通过注册服务器或成员节点获取或更新，维护各节点的往返延时等基本信息， 定期删除已连接不上的成员节点。好友管理模块维护一个好友列表，定期维护每个 好友的服务能力和删除不活跃的好友，并从成员管理的成员列表中挑选新的好友， 好友列表中的每个节点作为数据调度的候选节点。在节点进行跨域移动时，这两个 列表都必须进行特别的维护和处理。 组播代理模块负责无线组播代理的竞争选择切换,主要完成竞争权值的计算与 交互、节点角色切换、好友列表备份这三个功能。通过竞争权值的计算与交互实现 代理节点的选举，然后根据选举结果进行一般无线节点和代理节点之间的类型切换， 同时组播代理节点进行好友列表的备份，以帮助新代理节点获取旧代理节点的拓扑 信息，使之更快地从网络中获得媒体数据。 数据调度模块则负责对等网络层的媒体数据交互。根据当前缓冲区缺少哪些数 据，依据一定的优先级和算法，从拓扑管理模块的好友列表中找出能够提供所缺数 据的那些最佳节点，然后向这些节点请求数据。然而在跨域移动的断网阶段和恢复 阶段，则需要有与其它阶段不一样的改进的调度算法。 2.2 数据预缓存的跨越移动服务质量保证的基本思路数据预缓存的跨越移动服务质量保证的基本思路 无线节点在跨域切换时会遇到三个主要问题，一是在不同无线局域网间切换时 ip 地址的改变导致所有拓扑关系失效，这样如何解决；二是由于 wifi 网络切换存在 固有的传输切换问题，这样节点如何才能快速恢复对等网络层的拓扑从而获得数据； 三是如果切换时间较长而使缓存不足导致中途停止播放，能否在恢复网络后让节点 在之前的断点处继续播放。 为了保证无线节点在跨域移动时的服务质量，就需要对以上三个问题进行解决， 以下是跨域移动服务质量机制的基本思路。 （1）针对 ip 地址改变的问题，引入一种目标地址更新机制。当无线节点在切 换无线局域网后，将新的 ip 地址告诉注册服务器，从而更新本节点在注册服务器中 的 ip 信息，这样就相当于引入了在 ip 地址之上一个更高层的逻辑地址的概念，虽然 无线节点在跨域移动前后 ip 地址不一样，但是从注册服务器看来还是同一个节点， 这样可以保证网络上不会出现 ip 地址与节点不匹配的问题。同样的，无线节点也会 14 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 告知好友节点本节点 ip 地址发生了变化，让好友节点发送数据时转到新的 ip 地址， 而不会再向旧的 ip 地址发送数据。 （2）对于跨域切换后的传输切换，由于 wifi 网络固有的跨域切换传输中 断问题，必定会造成一段时间的传输中断，而且由于处在不同的局域网中，对 等网络层的拓扑有所不同，因此会在开始时遇到数据请求的困难，为了帮助无 线节点快速地度过这一段数据请求的困难期，引入一种数据预缓存的策略。这 种策略的主要思路是，当注册服务器知道某个无线节点离开了当前局域网，将 要进入另外一个局域网时，通知邻近局域网中的无线节点预先缓存接下来需要 的数据，当无线节点切换到邻近的局域网后，就可以快速地从该局域网或附近 的拓扑中请求到接下来需要的数据，节点就可以相对顺利地度过原来的切换后 的数据请求困难期，保证缓冲区的缓冲度不至于在切换恢复初始阶段降得太 低，保证节点播放的连续和流畅。 （3）如果两个相邻局域网相隔较远，即网络中断时间较长，则可能造成 节点播放中断，为了节点在跨域移动恢复网络后能够在断点处继续播放，引入 一个数据暂存机制。数据暂存机制把一些无线节点需要的过期稀缺数据在网络 中保存一段时间，确保无线节点在暂停播放一段时间后仍能请求到这些需要的 稀缺数据，保证节点可以在断点处继续播放，不会因为切换网络而错过某一段 视频的观看。 2.3 跨域移动服务质量保证的功能模块及工作流程跨域移动服务质量保证的功能模块及工作流程 实现基于数据预缓存的跨域移动服务质量保证机制，需要在系统原有的基础上 添加新的模块和改进旧的模块，以实现跨域移动时新的工作流程。 2.3.1 相关的功能模块相关的功能模块 与跨域移动服务质量保证机制相关的功能模块主要有五个，如图 2.3 所示。下面 介绍一下这几个模块各自的职责。 15 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 频道管理 网络服务 网络传输 管理监控层 对等网络层 网络传输层 管理监控层 对等网络层 网络传输层 缓冲管理 拓扑管理 调度管理 正常拓扑管理 断网拓扑管理 正常数据调度 断网数据调度 无线信号处理 网络状态监控 常规缓冲管理 额外缓冲管理 图 2.3 跨域移动服务质量保证机制的相关模块 网络传输模块负责基本的网络数据包的发送和接收，网络中各种连接的建立和 中断均由它首先检测到，因此网络传输模块是机制中的基础，它向网络服务模块提 供最基本的一些网络状况的消息，然后交由网络管理模块来负责处理。 网络处理模块是跨域移动服务质量保证机制中新增的模块，它是机制中总管的 模块。此模块负责管理和监控由底层网络传输模块传过来的网络建立或中断的消息， 特别是网络连接中断的消息需要网络处理模块第一时间来处理。此模块包括了网络 状态监控和无线信号处理两部分。无线信号处理部分负责检测无线网卡的信号，以 此根据信号的变化来作出各种操作，比如说如果信号一直减弱就可能是无线节点离 开当前无线局域网的前兆，此时就要及时通知注册服务器。而网络监控部分负责监 测本机网络的各种状态，包括网络中断、网络恢复、无线信号变化等各种异常事件 的发生，此部分通过