分層組播機(jī)制的應(yīng)用

1、分層組播機(jī)制的應(yīng)用關(guān)鍵詞：分層組播；單次 clr ；異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)；虛擬課堂分層組播技術(shù)是異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中傳輸多媒體實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的一個(gè)重要解 決方案。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用和快速開展已經(jīng)使人們可以通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行隨時(shí) 隨地的學(xué)習(xí)。虛擬課堂就是在電腦網(wǎng)絡(luò)和多媒體等技術(shù)的支持下所 構(gòu)建的一個(gè)虛擬的教學(xué)環(huán)境，它模擬真實(shí)的教室，讓教學(xué)活動(dòng)順利 自然地在虛擬的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)。虛擬課堂的網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)目標(biāo)是使學(xué)習(xí)者能夠?qū)崟r(shí)、 流暢地看到 多媒體學(xué)習(xí)指導(dǎo)信息，允許多個(gè)學(xué)習(xí)者同時(shí)自由、方便地參加或者 退出虛擬課堂。虛擬課堂的用戶是處在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的，這就對(duì) 信息的數(shù)據(jù)發(fā)送速率選擇帶來了很大的困難。如果以較低接入速度 為標(biāo)準(zhǔn)發(fā)送組播數(shù)據(jù)，那

2、么接入速度大的用戶就會(huì)浪費(fèi)大量的帶寬 資源，不能獲得理想的接收效果；相反，如果以較高接入速度為標(biāo) 準(zhǔn)發(fā)送組播數(shù)據(jù)，接入速度較低的用戶就無法實(shí)現(xiàn)視頻信息的流暢 播放。為解決這個(gè)問題，虛擬課堂用分層組播的方式來滿足異構(gòu)網(wǎng) 絡(luò)環(huán)境下學(xué)習(xí)者的不同需求。smcc是一種半適應(yīng)性動(dòng)態(tài)分層機(jī)制，它介于固定分層和動(dòng)態(tài)分層 之間，不對(duì)整個(gè)組進(jìn)行大規(guī)模的速率調(diào)整，而是把調(diào)整范圍限定在 各層之內(nèi)。這種技術(shù)的關(guān)鍵在于各層能夠從反應(yīng)者中選出代表，根 據(jù)代表的速率來調(diào)節(jié)層發(fā)送速率。本文在 smcc的根底上，優(yōu)化 clr(the current limitingreceiver)的動(dòng)態(tài)選擇機(jī)制，合理分配 使用網(wǎng)絡(luò)帶寬，較好地

3、實(shí)現(xiàn)了對(duì)虛擬課堂網(wǎng)絡(luò)組播擁塞的響應(yīng)和控 制，并保持了虛擬課堂分層組播的穩(wěn)定性。1 分層組播原理與算法1 1 分層組播原理組播防止了網(wǎng)絡(luò)使用的冗余， 主要用于點(diǎn)到多點(diǎn)、 多點(diǎn)到多點(diǎn)的數(shù) 據(jù)傳輸。組播是依托 ip 協(xié)議完成的，數(shù)據(jù)包在數(shù)據(jù)傳遞樹的分叉 處被強(qiáng)制復(fù)制，而不是由信源端節(jié)點(diǎn)屢次重復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù)拷貝。分層組播的根本原理是， 信源端將數(shù)據(jù)分為多個(gè)層， 不同層次的數(shù) 據(jù)使用不同的組播組傳輸。接收端通過出入不同層次對(duì)應(yīng)的組播組 來實(shí)現(xiàn)擁塞控制。如果各層編碼之間的關(guān)系是相互獨(dú)立的，那么稱為 “聯(lián)播方案；如果各層之間的關(guān)系是累積式的，那么稱為“累積式 分層組播方案。因?yàn)槔鄯e式分層方案中各層之間不包含重復(fù)

4、的信 息，可以更有效地利用網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，所以是目前多種新型分層組 播技術(shù)的根底。1 2 分層組播算法 原始的信源端使用一個(gè)累積式的分層編碼器， 它把原始數(shù)據(jù)流分為 可累加的假設(shè)干層ci(i=1 , 2,n)，其中cl為根底層，另有n-1 個(gè)加強(qiáng)層。根底層能保證信號(hào)的最低質(zhì)量要求，而 ci+1 層為己有 的cl, c2,ci提供增強(qiáng)信號(hào)，同時(shí)申請(qǐng)假設(shè)干個(gè)組播組地址 zi(i=1 ，2，n)，發(fā)送數(shù)據(jù)流時(shí)，用一個(gè)組播組地址配套傳輸一 個(gè)數(shù)據(jù)層，即ci zi(i=1 , 2,n)。接受端利用組播的參加機(jī)制 選擇接收適合的數(shù)據(jù)層。參加不同的組播組可獲得不同的接收速 率。根底層數(shù)據(jù)最為重要，從根底層到最

5、高加強(qiáng)層，數(shù)據(jù)的重要性 逐層降低，相應(yīng)地傳輸優(yōu)先級(jí)也從低層到高層依次降低。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā) 生擁塞時(shí)，優(yōu)先過濾掉當(dāng)前分層組播中最低優(yōu)先級(jí)的最高層數(shù)據(jù)， 從而保護(hù)高優(yōu)先級(jí)低層重要數(shù)據(jù)。假定 bi 表示從根底層到第 i 層 的總的累積發(fā)送速率，rx表示第x層的發(fā)送速率，那么接受端獲得的 接收速率 . 具體設(shè)計(jì)時(shí)首先要考慮兩個(gè)重要參數(shù)，個(gè)是編碼層數(shù) n它決定了一個(gè)組播系統(tǒng)所要維護(hù)的組播組的個(gè)數(shù)；另一個(gè)是每 層的發(fā)送速率 rx ，它決定了層速率調(diào)整的粒度。 總的累積發(fā)送速率 所覆蓋的范圍由n和rx共同決定。2 smcc 的進(jìn)步和存在的問題21 smcc 的進(jìn)步smcc(smooth multirate mul

6、ficast congestion control)采用分層的方式組播數(shù)據(jù)，每層都獨(dú)立使用單速率組播算法 tfmcc 來實(shí)現(xiàn) 擁塞控制，這是一種多個(gè)協(xié)議相結(jié)合的做法。smcc將tfmcc應(yīng)用到 每層的速率調(diào)節(jié)中，接收端依據(jù)條件反應(yīng)期望速率，信源端選擇各 層中速率最低的接收端充當(dāng)本層的層代表 clr ，并按照層代表的速 率重新調(diào)整確定本層發(fā)送速率。每層的實(shí)際發(fā)送速率不再是固定不 變的，而是適應(yīng)成員速率的變化，在層內(nèi)進(jìn)行重新合理調(diào)節(jié)。 smcc 機(jī)制非常簡(jiǎn)單且易操作執(zhí)行，它讓層內(nèi)速率最低者成為 clr ，信源 端根據(jù)各層的 clr 的反應(yīng)信息來調(diào)節(jié)各層的發(fā)送速率，確保完成數(shù) 據(jù)傳輸。22 smcc

7、 存在的問題 在實(shí)際應(yīng)用中， smcc 的缺乏往往就源于 clr 的上述選擇機(jī)制，因 為 clr 往往是隨著自身網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的變化而不斷變化的。假設(shè)由于網(wǎng) 絡(luò)狀況的變化，充當(dāng) clr 的期望速率突然下降，其結(jié)果必然是帶動(dòng) 層速率急劇下降，層內(nèi)所有高速的接收者的實(shí)際接收速率也必然隨 之急劇下降，這種做法顯然有很大的缺乏。 當(dāng)某層其他接收端的網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)了擁塞或者新的接收端參加該層， 該 層的 clr 就有可能被取代。當(dāng)?shù)?i 層的某接收端計(jì)算所得的速率小 于第 i 層實(shí)際發(fā)送速率并且大于 i-1 層最大發(fā)送速率時(shí)，該接收端 就會(huì)給發(fā)送端反應(yīng)信息。發(fā)送端得此反應(yīng)信息后，經(jīng)選擇機(jī)制選擇 確認(rèn)新的 clr ，

8、并調(diào)整發(fā)送速率到達(dá)新的 clr 的速率并與其保持一 致。這種算法保證了 clr 在本層的最低速率代表， 使組播正常工作， 但結(jié)果是 clr 的頻繁更渙且不具有代表性， 甚至還經(jīng)常出現(xiàn)被棄 clr 反復(fù)中選又反復(fù)陂棄的情況，最終導(dǎo)致接受速率發(fā)生震蕩，平滑率 下降，反應(yīng)包數(shù)量增大，容易出現(xiàn)反應(yīng)爆炸問題。當(dāng)某層中 clr 要 離開組播組時(shí)，向發(fā)送端發(fā)出離開信息，發(fā)送端接到該信息后，重 新在該層的接收端中選出新的 clr 。選擇新 clr 時(shí)，同樣會(huì)出現(xiàn)重 新選擇了原先被棄 clr ，而被棄 clr 往往是本層中接收速率變化較 多的接收端，這將給此層傳輸速率的穩(wěn)定性帶來負(fù)面影響。3 單次 clr 的選

9、擇機(jī)制3 1 合理設(shè)置速率差閾值掛起 clr 在 smcc 機(jī)制下，在充當(dāng) clr 的接收端期望速率突然下降時(shí)，其結(jié) 果必然是帶動(dòng)層速率急劇下降，層內(nèi)高速的接收者的實(shí)際接收速率也必然隨之急劇下降。為防止這種由于 clr 意外急劇下降而造成對(duì) 全層用戶的影響，我們通過對(duì) clr 設(shè)置速率差下降閾值來控制。假 設(shè) i 層 clr 與當(dāng)前層發(fā)送速率 ri 的速率差超過先前設(shè)置的閾值， 就會(huì)被掛起。 i 層發(fā)送速率將不再隨此 clr 變化，暫按掛起發(fā)生前 的發(fā)送速率執(zhí)行。隨即按照 clr 選擇機(jī)制選擇適宜的接收端作為本 層 clr ，取代當(dāng)前 clr 成為新的 clr 。閾值的合理設(shè)置至關(guān)重要， 既要

10、保證及時(shí)掛起不合格 clr ，又不可過于敏感，造成頻繁遴選。 3 2 掛起 clr 無權(quán)中選新 clr 為防止舊 clr 因?yàn)樗俾氏陆党^閾值被剝奪 clr 資格后，在新一輪 clr 選擇過程中與其他接收端競(jìng)爭(zhēng)，我們規(guī)定舊 clr 被剝奪資格后 不得參與競(jìng)爭(zhēng)。如果沒有這個(gè)限制機(jī)制，舊 clr 因?yàn)樗俾氏陆党^ 閾值而被剝奪 clr 資格后又未被退出本層，此時(shí)適宜的預(yù)備新 clr 還沒來得及把發(fā)送速率上拉，舊 clr 自然就有可能再次中選。掛起 clr 再次中選很有可能引發(fā)新一輪的 clr 掛起、重選的過程，那么其 掛起機(jī)制沒有起到合理地重新選擇 clr 的成效。如果當(dāng)某層 clr 由 于各種原

11、因離開原組參加到其它組接收新結(jié)構(gòu)的層數(shù)據(jù)，基于同樣 的原因也設(shè)置其放棄 clr 的競(jìng)爭(zhēng)。本文認(rèn)為掛起讓它 clr 無權(quán)中選 新 clr 直至虛擬課堂本次組播結(jié)束的機(jī)制，可較好地保證組播網(wǎng)絡(luò) 的穩(wěn)定性，非常有必要。3 3 單次 clr 機(jī)制在虛擬課堂應(yīng)用的適應(yīng)性分析 虛擬課堂的眾多接收端有著異構(gòu)特征， 同時(shí)又有著其他分層組播網(wǎng) 絡(luò)所不具備的特點(diǎn)。首先，虛擬課堂的組播具有很強(qiáng)的時(shí)效性，其組播數(shù)據(jù)流一般不會(huì)持續(xù)太長(zhǎng)時(shí)間。這讓單次 clr 機(jī)制弊端 如持 續(xù)掛起數(shù)量較多 的影響只持續(xù)較短的時(shí)間，虛擬課堂下一輪組播 依然有著廣泛 clr 選擇余地。其次，虛擬課堂的接收端在接收組播 數(shù)據(jù)過程中有著相對(duì)較好

12、的設(shè)備穩(wěn)定性。雖然虛擬課堂的用戶其網(wǎng) 絡(luò)狀態(tài)不可防止存在差異且受公共網(wǎng)絡(luò)的影響帶寬會(huì)出現(xiàn)跳變，但 大多數(shù)接收端一般會(huì)保持穩(wěn)定，這使單次 clr 機(jī)制出現(xiàn)弊端的概率 會(huì)大幅降低。再次，目前為解決網(wǎng)絡(luò)時(shí)延抖動(dòng)的問題，在虛擬課堂 接收端一般會(huì)設(shè)置一個(gè)緩沖區(qū)，對(duì)多媒體組播數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存、同步 的處理。接收端多媒體數(shù)據(jù)接收線程把接收到的數(shù)據(jù)存放在緩沖區(qū) 中，接收端視頻回放線程周期性地從緩沖區(qū)中取出視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行回 放。根據(jù)緩沖設(shè)置情況調(diào)整閾值參數(shù)設(shè)置，可以讓單次 clr 選擇機(jī) 制在虛擬課堂中的應(yīng)用更具合理性。4 結(jié)束語為了盡可能防止由于 clr 意外急劇下降而造成對(duì)全層用戶的影響， 本文引入掛起 clr 無權(quán)中選新 clr 的方法，排除了掛起再次中選從 而引發(fā)新一輪掛起與重選的漏洞，保證了組播網(wǎng)絡(luò)的