多媒体传送调度策略综述

多媒体传送调度策略综述*摘要：概要地介绍了网络上多媒体的传输、发送、拥塞控制、服务提供以及并行服务器体系结构等各方面策略。其中，流媒体传输策略包括：流式传输、缓冲预存、智能流、资源预留和分层编码等，发送策略包括：广播、组播、广播式点播、分组、融合和分组融合等，拥塞控制策略包括：基于窗口的和基于速率的。还介绍了并行视频服务器系统结构策略和关键技术。最后介绍了内容分发网络（CDN）。关键字：流媒体；流控；拥塞控制；并行视频服务器；CDN1.引言多媒体数据包括文字、图形、语音、图像等等，计算机对多媒体数据进行处理，要解决信息采集、编码、压缩、存储、传输、解压缩、解码、信息重现等等一系列的问题，当然，在这些方面，现在已经有了许多很好的技术和标准。由于图像所包含的信息量太大，象电影、电视等节目的视频文件仍然需要很大的存储空间，这使得视频文件在Internet/Intranet上进行传输有更多的技术困难。随着时代的进步，这些技术问题也不断地得到解决。早些年，人们要观看Internet/Intranet上的视频节目需下载整个视频文件。通过TCP/IP协议下载文件时，服务器会按照一定的次序将文件分成若干独立的数据包，然后依次发送出去，而客户端的程序会将这些数据包重新组装起来，最终形成和原来完全一样的文件。这时，人们才可以操作文件。在Internet上下载一部90分钟电影一般需要十多个小时，这还需要能保证一次成功。近年来，流媒体技术[1]（也称流式传输技术）的诞生和逐步成熟使得人们只需等待很短的时间就能以边接收边播放的方式欣赏视频节目。流媒体技术，从原理上讲，要对视频文件做预处理以使文件适合于流式传输，预处理是以降低图像质量为代价对原有视频文件进行高效压缩以大幅度减小文件的体积（一般是原来的1/5~1/3），流式传输技术还需要适合的协议和一些策略以及专用的服务器和播放器。需求量的日益增大给媒体服务器和网络传输带来了很大的压力，同时也对它们提出了更高的要求。因此，也就产生的一些应付大需求量的流量控制、拥塞控制等策略，也出现了并行服务器、CDN（内容分发网络）等产物。本文对流式传输、流量控制、拥塞控制、并行视频服务器、内容发送等方面的策略和关键技术做一个概述。2.基本策略2.1流式传输策略此策略在于消除以往下载方式的过长的等待时间。流式传输中，服务器将原视频文件分解成一个个小的数据包，按照特定的顺序，以比较平稳的速度发送到网络上，客户端的播放程序可边接收数据边播放，如图1。用户不必等到文件整个内容全部到达后，才开始播放，数据包也不保存到硬磁盘上，播后就丢。流式传输还带来另外两大好处：一是，只占用很少的用户端资源；二是，对音像产品的版权进行了有效的保护。图1流式传输示意图2.2缓冲预存策略此策略在于保证播放的连续性。流式传输允许数据包通过不同的路径到达目的地，因此，可能出现文件包先发后至的现象。再者，由于网络的不稳定性可能造成在客户端断流的情况。为了保证节目播放的连续性，客户端播放器在开始播放之前，在客户端建立一个一定大小的缓冲区，并按发送时间顺序将接收到的数据包送至缓冲区预存，并等到缓冲区被充满后才开始播放。从客户提出请求到开始播放一般只有几秒到十几秒钟。缓冲区的作用是，当在播放过程中出现短时间的网络拥塞致使数据包不能按时到达时，播放器还有预存在缓冲区中的数据包可以播放，而不至于播放中断[1]。2.3智能流策略此策略在于网络不畅时用户仍然能接收到平稳的视频流。在网络不畅时，用户能够接受质量相对较差的视频信息，但不能容忍节目断断续续，尤其是在观看直播节目时。智能流[1]策略是，允许不同速率的多个流同时编码，合并到同一个文件中，此文件称为智能流文件。同时，采用一种复杂客户/服务器机制探测带宽变化。客户端根据所接收的视频信息，将网络可用带宽反馈给服务器，服务器根据客户带宽将智能流文件相应部分传送给客户，最大限度地使客户满意。2.4分层编码策略此策略也在于网络不畅时用户能接收到平稳的视频流。多媒体数据在网上传输的困难，主要是视频图像数据量太大。分层编码[2]的做法是，按照信息的重要性的不同对视频图像分层，最重要的信息（如一幅图像的大体轮廓）作为第一层，次要的信息作为第二层，更次要的信息（如色彩、亮度等）作为第3、4、…、N层。第一层称为基本层，其它层称为增强层。一幅图像可以看作是多个层叠加而成。编码时，各层单独编码，并分配不同的优先级。在传输过程中，根据用户带宽、网络情况以及实时要求等因素对数据包的传输动态地做出一些选择。当网络不够顺畅时，视频数据中一些次要的增强层数据包将被丢弃，以保证重要的数据能正常传送。这时，客户也能不中断节目播放，只是视频质量有所下降。3.流量控制策略对一些热门节目，尤其是大型体育赛事、文艺演出、重大事件等直播节目，用户需求量特别大，过多的访问要求容易导致服务器崩溃。因此，必须进行流量控制，但同时又要尽可能地满足客户的要求。这就需要有好的流量控制策略。3.1广播和组播策略在广播[1]方式中，数据包的单独一个拷贝将发送给网络上的所有用户（无论用户需要否）。无疑它减小了网络的负载和发送者的负担。但是，广播方式，只有在支持广播的网络上才能实现。因此，广播方式通常只在小范围内使用。组播[1]类似于广播。在组播方式中，数据包的单独一个拷贝将发送到一个组地址，所有加入该组的用户都可以收到。目前，组播已经得到了广泛的应用，很多实时的多媒体会议及教育系统都是基于组播开发的。3.2广播式点播策略此策略在于以广播的方式进行点播，其目的在于一个节目支持所有愿意观看该节目的所有用户。其基本思想是将一个节目划分为若干段，每一段占用一个广播频道并在该广播频道上轮循广播。用户在点播时，先等待至第一段的开始；在播放某一段时，可以同时接收下一段的视频内容，以达到段段之间的不间断播放。由于视频输出采用广播模式，且分段轮循，因此用户在任意时刻想观看该节目时，只要稍作等待便可，达到点播观看的目的。该模式一般应用于热门节目的播放中。3.3分组策略此策略在于集中访问时减少系统开销。在VOD应用中，由于大多数请求集中在少数的热门节目上，而且经常集中在一个黄金时段，在此黄金时段中每一个短的间隔时间内都可能有对同一节目的大量请求。分组策略[3]的做法是，将黄金时间段平均分成许多小的时间间隔，针对每一个时间间隔，收集所有的用户请求并加以分组，相同请求的用户在同一组中。然后服务器为不同的请求各分配一个信道，同一组的用户共享一个信道上的相同的视频流。这种策略虽然使一些用户的时延增大，但却可能成百上千倍地满足大量的用户需求。只要时间间隔选取适当，加上网络造成的时延，用户能接受就可以。3.4融合策略此策略在于将针对于同一节目请求的时间比较接近的多个视频流合并为一个流以减少开销。融合策略[3]和分组策略的基本出发点是相同的，都是为了使得多个用户共享同一视频流。与分组策略不同的是，融合策略首先保证即时响应用户请求，然后根据情况，对相同节目且时间接近的多个视频流，在时间相对较快视频流中插入一些本不必要的帧（如重复帧）以减慢其步伐，相反，在时间相对较慢视频流中丢弃一些帧（如不重要的帧）以加快其步伐，一旦出现视频流同步时，就让它们共享一个信道，从而达到节约带宽资源目的，以让更多的用户能得到服务。3.5分组融合策略此策略[3]是分组策略和融合策略的结合物。一方面，使用分组策略，对用户进行分组，同组用户共享信道；另一方面，使用融合策略，将节目相同且时间接近的不同信道进行融合，使小组成为大组。这样，将更加提高网络带宽的利用率，也减少系统开销。如图2，在[0,t1]时段请求Q11、…、Q1m，共享流从时刻t1发出的S1，在[t1,t2]时段请求Q21、…、Q2n，共享流从时刻t2发出的S2，在时刻t2开始对S1和S2进行融合，直至它们速度相同，这时恢复S1至正常速度，去掉S2，让两组请求一起共享S1。图2分组融合示意图4.拥塞控制策略网络可用带宽是动态变化的，如果数据的发送总是以某个固定的速度进行，就会产生一些问题。比如，当网络空闲时，过小的发送量造成网络带宽资源浪费；而当网络较忙时，过大的发送量会造成网络阻塞，甚至大量数据包丢失。因此，应当有合适的拥塞控制策略，使发送者能够根据网络的拥塞情况的变化适时地调整数据发送量。在网络传输领域中经常采用的拥塞控制方法有两种[4]：基于窗口的和基于速率的。4.1基于窗口的拥塞控制策略基于窗口的拥塞控制策略，发送方维持着一个拥塞窗口，其发送速率是根据其窗口大小来调控的，以数据包个数为单位，使用缓慢增加拥塞窗口的方式来获取与可用网络带宽的匹配，当检测到网络拥塞时，就迅速减少拥塞窗口的大小，以减少和避免网络冲突。例如，TCP协议使用一种AIMD（additiveincreasemultiplicativedecrease，线性加乘性减）的拥塞控制算法：如果发现一个数据包丢失，则认为目前网络拥塞，随即将窗口大小减半，以减小发送速率，从而避免拥塞的加重；如果没有发现数据包丢失，则认为目前网络状况良好，发送者将窗口大小加大，进而增大发送速率。TCP的拥塞控制算法每发现一个数据包丢失就将窗口减半的做法极大地破坏了数据流的平滑性，因此，它非常适合于那些时延要求不高但必须可靠传输的应用，而对于实时媒体则并不适合。4.2基于速率的拥塞控制策略基于速率的拥塞控制策略，以每秒发送的比特数为单位，先估计网络的可用带宽，然后调整发送数据的速率，试图使视频传输的网络带宽需求与该连接链路的可用带宽相匹配，来减少或避免网络拥塞的发生。常用于调整源端发送速率的算法有两种类型：基于探测的和基于模型的。4.2.1基于探测的拥塞控制策略基于探测的拥塞控制策略，就是发送方依据接收方的反馈信息来探测网络的可用带宽并不断调整发送速率以避免网络拥塞情况的发生。根据发送方调整速率的不同方式，基于探测的速率控制算法分为AIMD[5]（AdditiveIncreaseandMultiplicativeDecrease,线性加乘性减）方法和MIMD[6]（MultiplicativeIncreaseandMultiplicativeDecrease,乘性加乘性减）方法。AIMD方法，当网络拥塞时，将发送速率乘性减小以迅速降低对所需带宽的要求；当网络空闲时，则线性增加发送速率以充分利用带宽。MIMD方法不同的是，当网络空闲时采用乘性增加发送速率的策略。当乘性因子较大时，会造成接收方接收速率的剧烈振荡和丢包率的增加，不适合实时视频的传输。4.2.2基于模型的拥塞控制策略基于模型（有的文献中称为基于公式）的拥塞控制算法最先在文献[7]中提出，主要为了减少视频流发送的抖动性。它依据一个TCP吞吐量模型来进行发送速率调整，通过以分组丢失率PL、往返时间RTT等为参数来计算发送方的最大传输速率，发送方依据此计算结果为来对自身的发送速率进行调整。这种控制算法的优势在于发送速率较基于探测的算法平滑，其不足在于发送方的计算量较大以及对拥塞的敏感度稍有降低。5.并行策略在访问量不太大的情况下，可使用单服务器形式，数据保存在服务器的磁盘中或独立的磁盘阵列中。当单服务器不能满足客户需求时，就产生了多服务器的并行结构。当多个服务器、多个数据结点以不同的方式进行连接时，就形成了不同的体系结构，因而，也就需要不同的文件管理、数据存取、服务方式等方面的策略和技术。下面简单介绍几种并行视频服务器体系结构以及两种VOD关键技术策略。5.1并行视频服务器体系结构随着视频点播需求量越来越大，并行视频服务器技术越来越受到人们的重视[8~12]。从现有的并行视频服务器体系结构上看，大约可以分为分布式结构、集群式结构和并行计算机结构等几类。分布式结构是用多个相互独立的服务器同时提供视频服务，其技术特点是各服务器的存储I/O、网络I/O等资源不共享。这种结构的主要问题是节目的存储问题：当每个服务器都存储同样的节目时，就会造成存储开销太大；当不同服务器之存储不同节目时，就会造成负载不平衡。集群式结构是多个相互独立服务器共享存储资源。主要有两共享方式：一种是多