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Internet上的视频组播技术           
Internet上的视频组播技术
作者:佚名 文章来源:不详 点击数: 更新时间:2008-9-24 9:32:40
刘 越 张宝贤 陈常嘉
北方交通大学通信与信息工程系 一、  
  因特网的传输和处理能力的提高使网络能提供更多的新业务。其中许多业务,如电视会议、远程学习和视频点播(VOD)等,都要求网络具有对实时图象进行组播的能力。在因特网上进行视频组播要求网络具有如下的能力:(1)具有数据报组播机制,这方面的研究已相当成熟1;(2)必须符合数字图象业务的QoS要求。关于第二个方面目前还存在许多问题,首先从业务的角度分析,由于IP层是无连接的,本身并不提供QoS保证,因此在传送实时图象时会遇到问题;其次从参与组播的成员特性看,每个成员的接收和处理能力都有所不同,从信源到每个接收者的路径带宽也不同,甚至差异很大,这种异质性(heterogenity)使得单一的业务流无法满足所有用户的要求。
  下文就因特网上进行组播所涉及的主要问题及解决方法进行分析。  

、Internet
  IP多点组播机制包括两个方面:成员管理和路由机制。  
1.IP
  组播成员管理主要通过IGMP(Internet组管理协议)2实现。IP将组播的目的终端定义为一个组,并用一个地址标识。属于同一个组的所有数据报都发送给该组地址标识的所有成员。IP专门为组播划出了一个地址范围,在IPv4中为D类地址,范围是224.0.0至239.255.255. 255 ,在IPv6中将组播地址扩展为128位,不仅扩大了范围,而且提供了许多新的标识功能。图1为IPv4和IPv6的组播地址格式,其中IPv6中特殊域的定义示于表1。
  



  组播地址没有层次之分,由组的发起者申请,在通信结束之后归还系统。若某个主机要加入一个组,就向所在的子网内发一个广播消息,通知与之相邻的路由器在子网内有一个主机加入某个组,以后收到属于该组的数据报就向组内转发。组地址的定义使组成员信息对信源屏蔽,信源在向一个组发送分组时无须知道组中具体的成员构成,只向相应的组地址发送即可。路由器也只需知道子网中是否有属于某个组的成员。对某个组,路由器通过发送查询确定本子网中是否还有属于该组的成员,成员在收到查询后返回一个确认。  
2.IP
  组播一般采用路由树的形式传递数据报。路由树是指一棵包含信源及组中所有成员,且叶结点均为信源或组成员的树。如图2中所示,信源为A,组成员为B、C、D和F,图中粗实线代表路由树。对应每个消息,由信源发出一个消息拷贝,这个消息在树的分枝点处进行复制,并最终传到所有组成员。采用路由树的方式一方面节省了网络资源,同时也能保证每个接收者只收到消息的一个拷贝,避免了回路。这是目前各种上组播路由算法的最基本思想。


  
  路由树可以分作两大娄:基于信源的树(SBT)和公共树3。SBT是以信源为中心,将信源到所有信宿的最短路径结合在一起,形成一棵树。这种方法适用于业务量较大、时延特性要求严格的情况。如果组中存在多个信源,则必须为每个信源分别建立一棵树。公共树是指为每个组选定一个中心,以中心为根构造一棵路由树。某个信源产生的数据报先传递到中心,再由中心向其它成员转发。这种方法适用于业务量比较小、时延特性要求不严格的情况,此时每个组中只有一棵树。无论SBT还是公共树都是基于最短路径,关于最短路径的计算已经有很多简单实用的方法,如Djikstra、Ford算法等。  

发的  
   
众所周知,因特网采用的是“尽可能”(best-ef-fort)传送机制,不提供QoS保证。这样做尽管使协议设计和系统运行相对简单,但也限制了某些对QoS要求严格的业务,如话音、实时图象等的应用。用因特网实现视频组播的首要问题就是如何在这种“尽可能”机制下实现QoS。对视频组播业务来说,QoS要求主要有两点:时延(及抖动)和丢失概率。时延主要由网络拥塞引起,丢失则包含由缓存不足引起的丢弃及传输差错。
  视频组播提出的另一个问题就是异质性。不同的接收者有不同的要求和处理能力,网络不同部分的带宽能力也不尽相同,因此向所有的接收者发送同样的流,势必造成一种不平等。所谓平等是指4:每个接收者都接收到与自己的接收能力和从信源到自身的路径带宽相符合的消息流,而不必考虑其它成员的情况。  

采用  
  根据上节的分析,在因特网上进行视频组播所遇到的主要困难由三个因素引起:网络拥塞(影响时延和丢失)、传输差错(影响丢失率)和异质性(影响公平性)。目前提出的解决方法可以概括为两个方面:一是比特率自适应,即根据网络和接收者情况决定业务流的速率,它可以在一定程度上解决网络拥塞和异质性的影响;二是差错控制技术,它能恢复部分差错,从而提高传输质量。下面分别介绍。  
1.
  在信源处产生的实时图象是周期性的,每秒钟内帧数固定,但经过编码和压缩后,比特率却是不固定的,而且使用不同的编码方法和压缩参数,比特率也不同。除此之外,有许多编码技术支持分层编码。这些都为比特率自适应控制提供了可能性。比特率自适应又分三种:单一流自适应控制、多重流自适应控制和分层编码控制。
(1)单一流自适应控制
  基本原理见图3。对某个组,信源只发送一个流,流的比特率由反馈信息控制。在通信过程中,路由器和接收者返回状态信息,信息中包含剩余缓存大小和丢失概率,信源由此确定当前网络中的拥塞程度,从而调节输出比特速率。这种调节通过改变编码参数来实现,如量化级数、帧速率、像素分辨率等。单一流自适应控制方法存在两个问题:一是反馈信息拥塞,尤其是当组成员数量较多时更为明显;二是这种方法并没有解决异质性问题,因为信源发出的是单一流。

(2)多重流自适应控制
  多重流自适应控制可以看作是对单一流自适应控制的一个简单扩展。对同一个视频业务,信源发出多个流,每个流对应不同的质量和比特率,向不同的地址进行组播。接收者根据自己的接收能力选择接收哪个流,并且向信源发送反馈信息,信源由此对每个流的质量和比特率进行调整(在一定限度内)。多重流自适应控制的原理见图4a,其中粗实线、细实线和虚线分别代表不同质量的业务流的路由。这种控制方式非常简单地解决了异质性的问题。但又引发了新的问题,首先是给网络增加了额外负提,因为对同一个业务要发出多个流,其中有重复信息;此外因为接收者的能力是在不断变化的,因此必须解决接收者在不同流之间进行切换的问题。
(3)分层编码控制
  这种控制方法的基础是分层编码方法,即将视频信号编成多层比特流,其中有一个基础层和多个增强层。将基础层解码后生成具有基础质量的视频信号,而增强层只能和基础层共同进行解码,解码后的信号质量较基础层有所改善。信源将每个层的比特流发往不同的组播地址,接收者除接收基础层之外,还可根据自己的接收能力选择接收其它的增强层。与多重自适应流控制类似,协议也必须能提供接收者在不同增强层之间切换的能力。分层编码控制是目前为止解决异质性问题的最有效手段,每层流之间没有重复信息,但是以协议的复杂性作代价。分层编码控制的原理见图4b。
(4)三种比特率自适应控制的比较
  比特率自适应控制技术解决的主要问题是网络拥塞和异质性。下面从解决效果、占用资源和协议复杂性三个方面对上述三种方法进行比较。单一流自适应控制仅解决了网络拥塞问题,占用网络资源很少,因为它是以接收能力最差的接收者为标准控制比特率,它的协议复杂程度较小。而其余两种方法都解决了异质性问题,但它们较单一流自适应控制方法占用的资源多,尤其是多重流自适应控制。在协议复杂度方面,分层编码控制较为复杂,编解码时需要很多处理开销,而且接收端要有足够的缓存,用以实现各个层之间的同步。综合比较而言,分层编码控制策略要优于其余两种,也最被看好。
  


 2.
  差错控制方法有两个:重传和前向纠错。前向纠错方法与点到点通信方式中相同,也是通过添加冗余信息提供一定的纠错能力。下面着重介绍重传策略。
  传统观点认为,在采用“尽可能”机制的网络中传送实时业务,没有必要也不可能通过差错重传来提高质量,因为时延要求很严格。但近来的研究表明情况不尽如此,事实上采用重传能够提高质量,但这种重传必须满足一个条件,即在时延范围之内到达接收者。
  为了尽量减少错误恢复时间和避免反馈拥塞,许多组播业务,包括因特网上的视频组播都采用了本地恢复(LocalRecovery)技术。本地恢复技术的基本思想是将网络分割成许多区域,区域之间可以组成层次结构。每个区中都有一个指定接收者(Des-ignated Reciever)负责本区域中的错误恢复和反馈上传。当某个接收者检测到有数据报发生错误或丢失后,向本区中的指定接收者发送报告,由指定接收者首先检查接收记录,若已经正确接收,则向本区成员组播这个数据报,从而实现在本地恢复错误,并对信源和上级区域屏蔽。使用本地恢复能大大降低错误恢复时间和附加开销,并且减轻信源的负担。  

结束语
  本文对在因特网中进行视频组播的相关问题和基本解决方法做了系统的分析。其中主要涉及两方面的问题:组播机制和支持QoS。目前因特网内以动态方式分配组播地址,为每个地址建立一棵路由树。这样信源和路由器不必知道成员的具体分布,使得在组播情况下,发送消息和路由的方式都与点到点中的情况完全一致。如何支持QoS是视频组播所要考虑的主要问题,因为因特网采用“尽可能”方式传递数据报,本身不提供QoS保证。为此从两个方面提出解决方法。一是根据网络中的拥塞情况和接收者的能力,在信源端调节比特速率,或提供多个流,由接收者确定接收什么质量的流;二是采用差错控制技术,并通过本地恢复减少重传时延。
  除此之外,在因特网中开展视频组播业务仍有许多问题需要解决。首先,在规模较大的网络中,不同的视频业务流之间以及视频业务流和TCP流之间存在对网络资源的竞争问题;其次,对不同接收者之间的公平性问题还没有定量的定义;最后,目前在设计协议时假设所有接收者都试图接收到最高质量的信号,但在考虑收费因素对接收者行为的影响后,情况如何尚无讨论,而这直接关系到协议设计。尽管存在上述问题,对因特网上的视频组播业务的需求仍越来越大,因此有着广阔的应用前景。

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