互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)流媒體傳輸關(guān)鍵技術(shù)的研究.pdf

1、帶寬、延遲和丟包率保障能力以及大規(guī)模數(shù)據(jù)分發(fā)能力是構(gòu)建流媒體傳輸網(wǎng)絡(luò)的重要條件。網(wǎng)絡(luò)層QoS和IP組播技術(shù)由于互通困難，部署成本高等原因一直進(jìn)展緩慢；與之形成鮮明對(duì)照的，以內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)和覆蓋網(wǎng)絡(luò)組播為代表的應(yīng)用層流媒體技術(shù)近年來(lái)發(fā)展迅速，成為學(xué)術(shù)界與工業(yè)界的關(guān)注焦點(diǎn)，催生了許多成功的應(yīng)用案例。網(wǎng)絡(luò)層傳輸與應(yīng)用層傳輸在優(yōu)劣勢(shì)方面呈現(xiàn)互補(bǔ)勢(shì)態(tài)，如能構(gòu)建融合兩種傳輸模式的流媒體網(wǎng)絡(luò)，就可以消除由于互聯(lián)網(wǎng)異構(gòu)性而導(dǎo)致的性能瓶頸，解決當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)流

2、媒體系統(tǒng)所面臨服務(wù)能力不足的問(wèn)題，同時(shí)能夠在網(wǎng)絡(luò)性能和部署成本之間取得平衡。
　　 本文研究采用應(yīng)用層覆蓋網(wǎng)絡(luò)與IP層技術(shù)相結(jié)合的方式構(gòu)建實(shí)時(shí)流媒體傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題。使用這種混合網(wǎng)絡(luò)能夠?yàn)榱髅襟w傳輸提供質(zhì)量保障和大規(guī)模組播分發(fā)能力，將網(wǎng)絡(luò)層方案在效率和穩(wěn)定性上的優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用層方案在成本與靈活性上的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)，推動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)中大規(guī)模流媒體應(yīng)用的發(fā)展和普及。本文的主要研究成果和創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　 1.提出了融合應(yīng)用層傳輸與網(wǎng)絡(luò)

3、層傳輸?shù)牧髅襟w網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。該架構(gòu)使用SIP協(xié)議融合各類網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，使用自適應(yīng)算法在應(yīng)用層傳輸與網(wǎng)絡(luò)層直接傳輸兩種模式之間進(jìn)行選擇，為流媒體應(yīng)用提供服務(wù)質(zhì)量保證。本文提出以層次結(jié)構(gòu)組織應(yīng)用層轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)，定義了功能獨(dú)立的三個(gè)邏輯平面：源接入平面、復(fù)制轉(zhuǎn)發(fā)平面和接收者接入平面。相對(duì)于流媒體內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)“中心-邊緣”的兩層結(jié)構(gòu)具有更高的靈活性和可擴(kuò)展性；而相對(duì)全部由終端客戶組成的純粹P2P流分發(fā)網(wǎng)絡(luò)則具有更好穩(wěn)定性和可控性。通過(guò)合理部署應(yīng)用層結(jié)點(diǎn)

4、，能夠消除由于網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)性造成的瓶頸鏈路；在應(yīng)用層結(jié)點(diǎn)上使用合適的資源調(diào)度策略，還能夠改善流媒體傳輸中丟包、延遲、協(xié)議開(kāi)銷、媒體源服務(wù)能力等各方面的系統(tǒng)性能。
　　 2.基于成果1提出的流媒體傳輸架構(gòu)，其中需要解決的基本問(wèn)題是如何選擇應(yīng)用層傳輸路徑以滿足流媒體會(huì)話的服務(wù)質(zhì)量需求。本文對(duì)具有帶寬和延遲約束條件的應(yīng)用層路由()題進(jìn)行了研究，通過(guò)為應(yīng)用層轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)建立抽象模型，提出了“滿足帶寬和延遲約束條件的最低瓶頸程度路由算法”及其改進(jìn)

5、算法，給出詳細(xì)算法執(zhí)行流程，并對(duì)算法的開(kāi)銷和性能進(jìn)行了分析評(píng)估，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該算法以較少系統(tǒng)開(kāi)銷顯著提升了應(yīng)用層流媒體傳輸網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)能力。
　　 3.研究成果2對(duì)應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)建模時(shí)，將應(yīng)用層結(jié)點(diǎn)之間的端到端鏈路抽象為一條具有帶寬和延遲屬性的虛擬鏈路，并對(duì)鏈路狀態(tài)進(jìn)行了假設(shè)。作為應(yīng)用層路由問(wèn)題的延續(xù)和深入，本文進(jìn)一步研究了應(yīng)用層結(jié)點(diǎn)之間端到端鏈路的可用帶寬、丟包率和延遲等關(guān)鍵指標(biāo)的概率特性；研究如何在虛擬鏈路上進(jìn)行丟包率控制，如何通

6、過(guò)帶寬資源分配和報(bào)文調(diào)度策略實(shí)現(xiàn)類似網(wǎng)絡(luò)層IPQoS的流媒體傳輸服務(wù)質(zhì)量保障等問(wèn)題。具體來(lái)說(shuō)：首先，在虛擬鏈路的兩端使用N-TFRC協(xié)議估計(jì)應(yīng)用層鏈路帶寬速率的上限，實(shí)現(xiàn)對(duì)交叉TCP背景流量的公平性和友好性；第二、虛擬鏈路上采用FEC和ARQ結(jié)合的丟包恢復(fù)機(jī)制以較小帶寬和延遲開(kāi)銷對(duì)應(yīng)用層丟包率進(jìn)行控制；第三、在報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)和丟包恢復(fù)中使用基于優(yōu)先級(jí)的報(bào)文調(diào)度算法，對(duì)高優(yōu)先級(jí)報(bào)文給予更多保護(hù)。最后，通過(guò)一系列仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)上述方案的性能和開(kāi)銷進(jìn)行

7、評(píng)估；并在局域網(wǎng)內(nèi)搭建測(cè)試實(shí)驗(yàn)床，評(píng)估了應(yīng)用層傳輸系統(tǒng)對(duì)視音頻流媒體性能指標(biāo)的提升。
　　 4.對(duì)上述流媒體傳輸網(wǎng)絡(luò)中的安全問(wèn)題進(jìn)行了研究。分別針對(duì)會(huì)話信令、會(huì)話數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施三個(gè)方面的安全問(wèn)題提供了解決方案：首先，使用SIP消息認(rèn)證機(jī)制與傳輸層安全協(xié)議SSL/TLS相結(jié)合，保障會(huì)話信令本身的安全性；第二、使用SIP協(xié)議協(xié)商會(huì)話安全環(huán)境，SDP協(xié)議承載安全參數(shù)，SRTP協(xié)議進(jìn)行安全傳輸，能夠保障會(huì)話數(shù)據(jù)安全性；第三、在網(wǎng)絡(luò)基

8、礎(chǔ)設(shè)施的安全方面，采用組播接入控制機(jī)制消除IP組播路由安全隱患，提出了一種帶有接入控制功能的安全域內(nèi)組播路由協(xié)議PIMac，該協(xié)議利用組播路由協(xié)議的匯聚點(diǎn)實(shí)現(xiàn)認(rèn)證密鑰更新，基于對(duì)稱密鑰簽名算法為PIM-SM組播域提供高效率的接入控制服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了組播路由域與AAA域的松耦合。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PIMac接入控制機(jī)制更好地平衡了計(jì)算開(kāi)銷和帶寬開(kāi)銷，性能較現(xiàn)有的組播接入控制機(jī)制有所提高。
　　 5.對(duì)視頻流媒體傳輸中的跨層優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行

9、了研究。針對(duì)網(wǎng)絡(luò)視頻這一類特定的流媒體應(yīng)用，基于接收方總解碼失真建立了流媒體傳輸系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)模型，將所有接收者的加權(quán)總視頻質(zhì)量表示為網(wǎng)絡(luò)傳輸行為的函數(shù)。提出直接以應(yīng)用層視頻失真最小化為目標(biāo)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸行為進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)上述思路，在應(yīng)用層流媒體傳輸網(wǎng)絡(luò)中，本文提出了使用遺傳算法求解的視頻源碼率和傳輸路徑優(yōu)化方案；在IP組播網(wǎng)絡(luò)中，提出了由組播代理實(shí)現(xiàn)的接收端速率控制機(jī)制。為兩種方案分別建立了優(yōu)化模型并給出求解算法。仿真結(jié)果表明：使用本文