一種分布式視頻會議媒體傳輸策略.doc

精品論文一種分布式視頻會議媒體傳輸策略楊真光，孫松林，景曉軍（北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，北京 100876）5摘要：本文針對網(wǎng)絡(luò)視頻會議系統(tǒng)易產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載不平衡等問題，分析了其產(chǎn)生原因并提 出一種新的解決方法。從基于網(wǎng)絡(luò)的視頻會議媒體傳輸方式出發(fā)，首先介紹了網(wǎng)絡(luò)視頻會議 系統(tǒng)中現(xiàn)階段常用的媒體傳輸方式，并分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，然后提出了一種新的分布式視 頻會議媒體傳輸策略，最后進(jìn)行了仿真驗證。通過分析、總結(jié)，指出了該策略的適用范圍與 能解決的問題，并提出了一個適用于這一策略的理想網(wǎng)絡(luò)模型。10關(guān)鍵詞：分布式媒體傳輸策略；視頻會議媒體傳輸；網(wǎng)絡(luò)負(fù)載平衡中圖分類號：tp37a distributed video conferencing media transfer strategyyang zhenguang, sun songlin, jing xiaojun15(beijing university of posts and telecommunications, beijing 100876)abstract: the network video conference system is easy to produce network load imbalance, to solve this problem, analysis of its causes, and propose a new solution in this paper. starting from network-based video conferencing media transfer mode, first introduced the popular networkmedia transfer models at present, and analysed their advantages and disadvantages, then proposed20a new distributed media transfer strategy for network video conferences, and finally, simulated it.pointed out that the scope of the application of the strategy through analysis, and proposed themodel of an ideal network for this strategy.keywords: media transmission of video conferencing; distributed media transmission strategy; network load balancing250引言隨著社會的發(fā)展，人們對實時多媒體傳輸?shù)男枨笤絹碓蕉啵邕h(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、遠(yuǎn)程醫(yī)療 系統(tǒng)、遠(yuǎn)程視頻會議系統(tǒng)等。這些技術(shù)的出現(xiàn)，使問題得到快速解決的同時極大地縮短了人 與人之間的空間距離，節(jié)約了人的寶貴時間，節(jié)省了資金，極大地方便了人們生活，提高了30工作效率。這些技術(shù)本質(zhì)上都基于音視頻等媒體信息的傳輸與顯示技術(shù)，其中視頻會議媒體 傳輸技術(shù)具有一定的代表性。視頻會議系統(tǒng)是指兩個或兩個以上不同地方的個人或群體，通過現(xiàn)有的各種通訊設(shè)備傳 輸媒體信息，將它們分送到各個用戶的終端上，最后通過圖形、聲音、文本等多種方式進(jìn)行 呈現(xiàn)，從而增進(jìn)雙方或多方間的溝通與理解，提高工作效率，節(jié)省時間與金錢。然而，隨著35會議規(guī)模的不斷擴(kuò)大，當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)上現(xiàn)存的媒體傳輸模式由于自身的局限性有時不能滿足視頻 會議傳輸?shù)男枨?，并且時常造成網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的不平衡，有時硬件成本難以承受。在此種背景下， 本文提出了一種分布式的媒體傳輸策略，可以較好的解決這一問題。1視頻會議網(wǎng)絡(luò)媒體傳輸模式分析視頻會議系統(tǒng)，不論松耦合視頻會議模型還是緊耦合視頻會議模1，各參與方的通信信40息實際上都只包含信令與媒體兩個方面。信令的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括集中式與分布式兩種結(jié)構(gòu)，而 媒體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)則包括集中式、分布式及組播式結(jié)構(gòu)等2，3。然而，基于 ip 網(wǎng)絡(luò)的視頻會議系作者簡介：楊真光，（1980-），男，碩士生，多媒體通信。通信聯(lián)系人：孫松林，（1974-），男，博士，副教授，多媒體通信，無線通信，嵌入式技術(shù)等。e-mail:- 9 -統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備承受負(fù)載的能力及網(wǎng)絡(luò)帶寬又有較高的要求，一般地，視頻會議系統(tǒng)中信令負(fù)載比媒體負(fù)載小很多，大多數(shù)情況下可以將其忽略，因此媒體負(fù)載對整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性 有決定性的影響。網(wǎng)絡(luò)上媒體常用的傳輸模式分為單播模式、組播4，5模式及廣播模式。下45面分別對三者進(jìn)行簡要分析。1.1 單播模式圖 1 單播原理50單播模式原理如圖 1 所示，若 b、d、e 為接收端時，主叫端 a 則分別向接收端 b、d、 e 各發(fā)送一次媒體流，因此其共需發(fā)送三次媒體流。單播模式網(wǎng)絡(luò)端點(diǎn)之間是一對一的通訊 模式，網(wǎng)絡(luò)中的路由設(shè)備對數(shù)據(jù)只進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)不進(jìn)行復(fù)制。如果多個客戶機(jī)需要相同的數(shù)據(jù)， 則發(fā)送端需要逐一傳送，重復(fù)多次相同的工作。單播的缺點(diǎn)是發(fā)送端需要對每個接收端發(fā)送 數(shù)據(jù)流，并且有：發(fā)送的數(shù)據(jù)總流量接收端數(shù)量（發(fā)送端對一個客戶端時發(fā)送的數(shù)據(jù)流55量）。在接收端數(shù)量巨大的多媒體應(yīng)用中，發(fā)送端將會負(fù)載很大，甚至不堪重負(fù)而使系統(tǒng)崩 潰。1.2 組播模式圖 2 組播原理精品論文60組播是一對多的通信模式，該模式需要轉(zhuǎn)播路由的支持，原理如圖 2 所示。此時接收端只有 b、d、e 三者加入了該組播組，則發(fā)送端 a 只需發(fā)送一次媒體流，接收端 b、d、e 即可全部接收到。由于終端 c 沒有加入該組播組，因此 c 接收不到來自 a 的媒體流。網(wǎng)絡(luò) 中的路由器和交換機(jī)有選擇地復(fù)制并傳輸數(shù)據(jù)，即只將數(shù)據(jù)傳輸給那些加入該組播組的主 機(jī)。這樣雖然加入相同組的接收端共享一條數(shù)據(jù)流，降低了發(fā)送端設(shè)備的負(fù)載，但卻增加了65轉(zhuǎn)發(fā)路由等網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備的負(fù)載，網(wǎng)絡(luò)成本高昂。此外，如果此路由下的子網(wǎng)內(nèi)接收端數(shù)量 巨大，則也會易使轉(zhuǎn)發(fā)路由過載，以及還存在安全性6，7等問題。在現(xiàn)實的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，還 有很多不支持組播的路由器等傳輸設(shè)備存在，因此該技術(shù)的應(yīng)用范圍有限。1.3 廣播模式70圖 3 廣播原理廣播是一對所有的通訊模式，如圖 3 所示。網(wǎng)絡(luò)對其中每一臺主機(jī)發(fā)出的信息都進(jìn)行無條件復(fù)制并轉(zhuǎn)發(fā)，不管你是否需要，所有主機(jī)都可以接收到所有信息，由于其不用路徑選擇， 所以其網(wǎng)絡(luò)成本可以很低廉。在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中，廣播被限制在二層交換機(jī)的局域網(wǎng)范圍內(nèi)，禁75止廣播數(shù)據(jù)穿過路由器，因此不能在遠(yuǎn)距離 internet 寬帶網(wǎng)上傳輸。2一種分布式視頻會議媒體傳輸策略由上節(jié)分析可知，適合網(wǎng)絡(luò)視頻會議的媒體傳輸方式只有單播與組播。有時為了便于對 會議所傳輸?shù)拿襟w進(jìn)行控制而采用 mcu（multipoint control unit：多點(diǎn)控制單元），這樣 雖然減輕了各個終端的負(fù)載壓力，方便了對來自終端的控制信令與媒體進(jìn)行統(tǒng)一管理，但這80樣的視頻會議系統(tǒng)常常受到 mcu 的限制，對整個系統(tǒng)的硬件要求較高，成本較昂貴。因此， 到目前為止，還沒有一種對各種不同規(guī)模的視頻會議系統(tǒng)都適合的媒體傳輸策略可使網(wǎng)絡(luò)傳 輸負(fù)載與媒體終端負(fù)載更好地相互平衡，并降低網(wǎng)絡(luò)成本。為此，這里提出一種分布式視頻 會議媒體傳輸策略，可以更好地維護(hù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載平衡，并降低組網(wǎng)成本。首先，做如下假設(shè)：85（1）主叫端所需傳輸?shù)囊粢曨l等媒體數(shù)據(jù)大小為 m 字節(jié)，每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包大小為 m字節(jié)；（2）共有 n 個被叫端；（3）主叫端將大小為 m 的數(shù)據(jù)包發(fā)送到每個客戶端所花費(fèi)的時間相同，均為 t；（4）每個客戶端轉(zhuǎn)發(fā)大小為 m 的數(shù)據(jù)包到其他（n-1）個客戶端的時間相同，均為 t”；90（5）被叫端可接收的視頻延遲最長為t；（6）媒體傳輸路徑上的路由器不支持多播模式?；谝陨霞僭O(shè)，則傳統(tǒng)視頻會議媒體傳輸策略如圖 4 所示。95100圖 4 傳統(tǒng)視頻會議媒體傳輸策略主叫端數(shù)據(jù)包發(fā)送時，其一次發(fā)送 n 個相同大小為 m 的數(shù)據(jù)包到 n 個接收端。在保證 被叫端視頻延遲時間t 可接受的情況下，主叫端須每隔 t發(fā)送數(shù)據(jù)包到 n 個被叫端。此外， 主叫端對每個被叫端應(yīng)發(fā)送的數(shù)據(jù)包次數(shù)為 m/m，因此對主叫的發(fā)送數(shù)據(jù)處理速度要求至 少應(yīng)為 nm/t，主叫需要傳輸數(shù)據(jù)的總次數(shù)為 mn/m。對于每個被叫端，則其接收數(shù)據(jù)處理 速度至少為 m/t。此外，這里要求 t=t。我方提出的分布式視頻會議媒體傳輸策略如圖 5 所示。12|n1122|nn12|n圖 5 分布式視頻會議媒體傳輸策略精品論文105110115120125130135140主叫端把總大小為 m 的多媒體數(shù)據(jù)，分為 m/m 個數(shù)據(jù)包，分別依次把其中的第 i%n(取余)個數(shù)據(jù)包（0i=int(m/m)+1）傳輸給對應(yīng)的 n 個被叫端。每個被叫端接收到主叫端傳來 的數(shù)據(jù)包后，再把其傳輸給其他 n-1 個被叫端。在以上假設(shè)情況下，對于主叫端，設(shè)其應(yīng)依次在 t時刻內(nèi)將 m 大小的數(shù)據(jù)包發(fā)給各個 被叫端；各個被叫端在收到主叫端發(fā)來的大小為 m 的數(shù)據(jù)包后，應(yīng)依次將其在 t”時刻內(nèi)發(fā) 送給其他所有 n-1 個被叫端。在此要求 maxt,t”=t（被叫端可接受的最大視頻傳輸延遲 時間）。因此，主叫端所要求的吞吐量至少為 m/t，傳輸數(shù)據(jù)的次數(shù)為 m/m 次；被叫端所 要求的接收數(shù)據(jù)處理速度至少為 max m/t, m/t”，發(fā)送數(shù)據(jù)處理速度至少為 m/t”。通過對比可知，完成同樣的數(shù)據(jù)傳輸功能，主叫端的數(shù)據(jù)傳輸次數(shù)可由傳統(tǒng)的 mn/m 次， 降至改進(jìn)后的 m/m 次。對于被叫端，改進(jìn)前其接受數(shù)據(jù)的處理速度至少為 m/t； 改進(jìn)后， 每個被叫端接收數(shù)據(jù)的處理速度至少為 max m/t, m/t”，發(fā)送數(shù)據(jù)的處理速度至少為 m/t”。3系統(tǒng)數(shù)據(jù)比較與仿真我們在傳輸同樣大小媒體數(shù)據(jù)情況下，從完成傳輸所花費(fèi)的時間、各個終端完成傳輸時 所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量兩個方進(jìn)行仿真。3.1數(shù)據(jù)比較1. 傳統(tǒng)傳輸模式主叫端完成傳輸全部 m 數(shù)據(jù)到各個被叫端所需花費(fèi)的時間：mt/m; 每個被叫端接收完成 m 數(shù)據(jù)所需花費(fèi)的時間是：mt/m; 主叫端所要求的發(fā)送數(shù)據(jù)處理速率至少為：nm/t; 每個被叫端的接收數(shù)據(jù)處理速率至少為：m/t;主叫端完成傳輸全部 m 數(shù)據(jù)所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量為：mn; 每個被叫端完成數(shù)據(jù)接收時從主叫端接收到的數(shù)據(jù)量是：m； 每個被叫端完成數(shù)據(jù)接收時需傳送的數(shù)據(jù)量是：0。2. 分布式傳輸模式主叫端完成傳輸全部 m 數(shù)據(jù)到各個被叫端所需花費(fèi)的時間：mt/m; 每個被叫端接收完成 m 數(shù)據(jù)所需花費(fèi)的時間是：mt/(mn) +mt”(n-1)/(nm); 主叫端所要求的發(fā)送數(shù)據(jù)處理速率至少為：m/t; 每個被叫端接收數(shù)據(jù)處理速率至少為：maxm/t”, m/t,且要求 maxt, t”=0 的情況下當(dāng) n=1 時函數(shù) t=kt”+(t-t”)/n取得最大指，最大值為=kt=mt/m，當(dāng) n=+或 t=t”時，函數(shù)取得最小值，最小值為=k t”= m t”/m。 由于我們只考慮函數(shù)的變化關(guān)系，因此在此我們將常量 k=1。單播模式與分布式傳輸模式被叫端接收數(shù)據(jù)所用時間與參加會議人數(shù)的關(guān)系仿真結(jié)果如圖 7 所示。160165圖 7 tt”時的仿真圖形在圖 7 中我們也舉出三個數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。從中我們可以看出，當(dāng)接收端間的媒體傳輸 時間小于發(fā)送端向接收端發(fā)送媒體時的傳輸時間時，此分布式媒體傳輸模式被叫端接收完全 部視頻數(shù)據(jù)所用時間隨著參加會議的人的增加而減小，但不小于 m t”/m，不大于 mt/m。（2）t” - t0 的情況下當(dāng) n=+時函數(shù) t=kt”-(t”-t)/n取得最大指，最大值為=kt”=mt”/m，當(dāng) n=1 時函數(shù) 取得最小值，最小值為=kt= mt/m。由于我們只考慮函數(shù)的變化關(guān)系，因此在此我們也 令常量 k=1。170175180185190圖 8 t0 時的仿真結(jié)果如圖 8 所示，在此我們也舉出三個數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。從中我們可以 看出，當(dāng)接收端間的媒體傳輸時間大于發(fā)送端向接收端發(fā)送媒體時的傳輸時間時，此分布式 媒體傳輸模式被叫端接收完全部視頻數(shù)據(jù)所用時間隨著參加會議的人數(shù)的增加而增加，大于 等于 mt/m ，但不會超過 mt”/m。用單播的數(shù)據(jù)傳輸模式時，雖然被叫端接收數(shù)據(jù)所用時間為 mt/m，但發(fā)送端負(fù)載會隨 參加會議人數(shù)的增加而成正比例增加。4小結(jié)從以上數(shù)據(jù)對比與仿真中，我們顯然可以看出，分布式視頻會議策略可以很好地降低主 叫方的負(fù)載壓力，使主叫方的負(fù)載幾乎不隨被叫端的數(shù)量的增加而過多的增加（主叫端到各 個被叫端的會話初始信令會增加，但信令的增加代價較小）。此外，對于主叫方而言，理論 上幾乎可以無限制地加入被叫，并且不會使主叫服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備等過載，有利于網(wǎng)絡(luò) 整體健康。由以上分析可知，該分布式媒體傳輸策略在多方媒體傳輸中可以解決的問題有：（1）降低主叫端負(fù)載，有利于網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載平衡；（2）當(dāng)接收端間的媒體傳輸時間(t”)小于發(fā)送端向接收端發(fā)送媒體的傳輸時間（t）時， 即 t t” 時，可以改善網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶崟r性。該分布式媒體傳輸模式，當(dāng) tt” 時傳輸模型最為理想，此時，不但能夠平衡整體的網(wǎng) 絡(luò)負(fù)載，不使主叫端或網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備的負(fù)載過多地增加，而且還可以縮短傳輸延遲，改善媒 體傳輸?shù)膶崟r性，理想的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖 9 所示。 本分布式媒體傳輸策略是以適當(dāng)增加接收端的復(fù)雜性來換