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（北京郵電大學信息與通信工程學院，北京 100876）5摘要：本文針對網絡視頻會議系統易產生的網絡負載不平衡等問題，分析了其產生原因并提 出一種新的解決方法。從基于網絡的視頻會議媒體傳輸方式出發(fā)，首先介紹了網絡視頻會議 系統中現階段常用的媒體傳輸方式，并分析了各自的優(yōu)缺點，然后提出了一種新的分布式視 頻會議媒體傳輸策略，最后進行了仿真驗證。通過分析、總結，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絡模型。10關鍵詞：分布式媒體傳輸策略；視頻會議媒體傳輸；網絡負載平衡中圖分類號：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的需求越來越多，如遠程監(jiān)控系統、遠程醫(yī)療 系統、遠程視頻會議系統等。這些技術的出現，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。這些技術本質上都基于音視頻等媒體信息的傳輸與顯示技術，其中視頻會議媒體 傳輸技術具有一定的代表性。視頻會議系統是指兩個或兩個以上不同地方的個人或群體，通過現有的各種通訊設備傳 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、文本等多種方式進行 呈現，從而增進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)模的不斷擴大，當今網絡上現存的媒體傳輸模式由于自身的局限性有時不能滿足視頻 會議傳輸的需求，并且時常造成網絡負載的不平衡，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視頻會議網絡媒體傳輸模式分析視頻會議系統，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。信令的拓撲結構包括集中式與分布式兩種結構，而 媒體拓撲結構則包括集中式、分布式及組播式結構等2，3。然而，基于 ip 網絡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，嵌入式技術等。e-mail:- 9 -統對網絡傳輸設備承受負載的能力及網絡帶寬又有較高的要求，一般地，視頻會議系統中信令負載比媒體負載小很多，大多數情況下可以將其忽略，因此媒體負載對整個系統的穩(wěn)定性 有決定性的影響。網絡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。單播模式網絡端點之間是一對一的通訊 模式，網絡中的路由設備對數據只進行轉發(fā)不進行復制。如果多個客戶機需要相同的數據， 則發(fā)送端需要逐一傳送，重復多次相同的工作。單播的缺點是發(fā)送端需要對每個接收端發(fā)送 數據流，并且有：發(fā)送的數據總流量接收端數量（發(fā)送端對一個客戶端時發(fā)送的數據流55量）。在接收端數量巨大的多媒體應用中，發(fā)送端將會負載很大，甚至不堪重負而使系統崩 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。網絡 中的路由器和交換機有選擇地復制并傳輸數據，即只將數據傳輸給那些加入該組播組的主 機。這樣雖然加入相同組的接收端共享一條數據流，降低了發(fā)送端設備的負載，但卻增加了65轉發(fā)路由等網絡傳輸設備的負載，網絡成本高昂。此外，如果此路由下的子網內接收端數量 巨大，則也會易使轉發(fā)路由過載，以及還存在安全性6，7等問題。在現實的網絡環(huán)境中，還 有很多不支持組播的路由器等傳輸設備存在，因此該技術的應用范圍有限。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。網絡對其中每一臺主機發(fā)出的信息都進行無條件復制并轉發(fā)，不管你是否需要，所有主機都可以接收到所有信息，由于其不用路徑選擇， 所以其網絡成本可以很低廉。在數據網絡中，廣播被限制在二層交換機的局域網范圍內，禁75止廣播數據穿過路由器，因此不能在遠距離 internet 寬帶網上傳輸。2一種分布式視頻會議媒體傳輸策略由上節(jié)分析可知，適合網絡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 會議所傳輸的媒體進行控制而采用 mcu（multipoint control unit：多點控制單元），這樣 雖然減輕了各個終端的負載壓力，方便了對來自終端的控制信令與媒體進行統一管理，但這80樣的視頻會議系統常常受到 mcu 的限制，對整個系統的硬件要求較高，成本較昂貴。因此， 到目前為止，還沒有一種對各種不同規(guī)模的視頻會議系統都適合的媒體傳輸策略可使網絡傳 輸負載與媒體終端負載更好地相互平衡，并降低網絡成本。為此，這里提出一種分布式視頻 會議媒體傳輸策略，可以更好地維護網絡負載平衡，并降低組網成本。首先，做如下假設：85（1）主叫端所需傳輸的音視頻等媒體數據大小為 m 字節(jié)，每次傳輸的數據包大小為 m字節(jié)；（2）共有 n 個被叫端；（3）主叫端將大小為 m 的數據包發(fā)送到每個客戶端所花費的時間相同，均為 t；（4）每個客戶端轉發(fā)大小為 m 的數據包到其他（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，則傳統視頻會議媒體傳輸策略如圖 4 所示。95100圖 4 傳統視頻會議媒體傳輸策略主叫端數據包發(fā)送時，其一次發(fā)送 n 個相同大小為 m 的數據包到 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)送數據包到 n 個被叫端。此外， 主叫端對每個被叫端應發(fā)送的數據包次數為 m/m，因此對主叫的發(fā)送數據處理速度要求至 少應為 nm/t，主叫需要傳輸數據的總次數為 mn/m。對于每個被叫端，則其接收數據處理 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 的多媒體數據，分為 m/m 個數據包，分別依次把其中的第 i%n(取余)個數據包（0i=int(m/m)+1）傳輸給對應的 n 個被叫端。每個被叫端接收到主叫端傳來 的數據包后，再把其傳輸給其他 n-1 個被叫端。在以上假設情況下，對于主叫端，設其應依次在 t時刻內將 m 大小的數據包發(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 的數據包后，應依次將其在 t”時刻內發(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，傳輸數據的次數為 m/m 次；被叫端所 要求的接收數據處理速度至少為 max m/t, m/t”，發(fā)送數據處理速度至少為 m/t”。通過對比可知，完成同樣的數據傳輸功能，主叫端的數據傳輸次數可由傳統的 mn/m 次， 降至改進后的 m/m 次。對于被叫端，改進前其接受數據的處理速度至少為 m/t； 改進后， 每個被叫端接收數據的處理速度至少為 max m/t, m/t”，發(fā)送數據的處理速度至少為 m/t”。3系統數據比較與仿真我們在傳輸同樣大小媒體數據情況下，從完成傳輸所花費的時間、各個終端完成傳輸時 所傳輸的數據量兩個方進行仿真。3.1數據比較1. 傳統傳輸模式主叫端完成傳輸全部 m 數據到各個被叫端所需花費的時間：mt/m; 每個被叫端接收完成 m 數據所需花費的時間是：mt/m; 主叫端所要求的發(fā)送數據處理速率至少為：nm/t; 每個被叫端的接收數據處理速率至少為：m/t;主叫端完成傳輸全部 m 數據所需傳輸的數據量為：mn; 每個被叫端完成數據接收時從主叫端接收到的數據量是：m； 每個被叫端完成數據接收時需傳送的數據量是：0。2. 分布式傳輸模式主叫端完成傳輸全部 m 數據到各個被叫端所需花費的時間：mt/m; 每個被叫端接收完成 m 數據所需花費的時間是：mt/(mn) +mt”(n-1)/(nm); 主叫端所要求的發(fā)送數據處理速率至少為：m/t; 每個被叫端接收數據處理速率至少為：maxm/t”, m/t,且要求 maxt, t”=0 的情況下當 n=1 時函數 t=kt”+(t-t”)/n取得最大指，最大值為=kt=mt/m，當 n=+或 t=t”時，函數取得最小值，最小值為=k t”= m t”/m。 由于我們只考慮函數的變化關系，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據所用時間與參加會議人數的關系仿真結果如圖 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據進行對比。從中我們可以看出，當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 部視頻數據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 n=+時函數 t=kt”-(t”-t)/n取得最大指，最大值為=kt”=mt”/m，當 n=1 時函數 取得最小值，最小值為=kt= mt/m。由于我們只考慮函數的變化關系，因此在此我們也 令常量 k=1。170175180185190圖 8 t0 時的仿真結果如圖 8 所示，在此我們也舉出三個數據進行對比。從中我們可以 看出，當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據所用時間隨著參加會議的人數的增加而增加，大于 等于 mt/m ，但不會超過 mt”/m。用單播的數據傳輸模式時，雖然被叫端接收數據所用時間為 mt/m，但發(fā)送端負載會隨 參加會議人數的增加而成正比例增加。4小結從以上數據對比與仿真中，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 叫方的負載壓力，使主叫方的負載幾乎不隨被叫端的數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?。?。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器、網絡傳輸設備等過載，有利于網絡 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）降低主叫端負載，有利于網絡的負載平衡；（2）當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，可以改善網絡傳輸的實時性。該分布式媒體傳輸模式，當 tt” 時傳輸模型最為理想，此時，不但能夠平衡整體的網 絡負載，不使主叫端或網絡傳輸設備的負載過多地增加，而且還可以縮短傳輸延遲，改善媒 體傳輸的實時性，理想的網絡架構如圖 9 所示。 本分布式媒體傳輸策略是以適當增加接收端的復雜性來換