分層組播機制的應用

1、分層組播機制的應用關(guān)鍵詞：分層組播；單次 clr ；異構(gòu)網(wǎng)絡；虛擬課堂分層組播技術(shù)是異構(gòu)網(wǎng)絡中傳輸多媒體實時數(shù)據(jù)的一個重要解 決方案。網(wǎng)絡技術(shù)的應用和快速開展已經(jīng)使人們可以通過網(wǎng)絡進行隨時 隨地的學習。虛擬課堂就是在電腦網(wǎng)絡和多媒體等技術(shù)的支持下所 構(gòu)建的一個虛擬的教學環(huán)境，它模擬真實的教室，讓教學活動順利 自然地在虛擬的環(huán)境中實現(xiàn)。虛擬課堂的網(wǎng)絡傳輸?shù)脑O計目標是使學習者能夠?qū)崟r、 流暢地看到 多媒體學習指導信息，允許多個學習者同時自由、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)絡環(huán)境下的，這就對 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 為標準發(fā)送組播數(shù)據(jù)，那

2、么接入速度大的用戶就會浪費大量的帶寬 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 準發(fā)送組播數(shù)據(jù)，接入速度較低的用戶就無法實現(xiàn)視頻信息的流暢 播放。為解決這個問題，虛擬課堂用分層組播的方式來滿足異構(gòu)網(wǎng) 絡環(huán)境下學習者的不同需求。smcc是一種半適應性動態(tài)分層機制，它介于固定分層和動態(tài)分層 之間，不對整個組進行大規(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)的動態(tài)選擇機制，合理分配 使用網(wǎng)絡帶寬，較好地

3、實現(xiàn)了對虛擬課堂網(wǎng)絡組播擁塞的響應和控 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)絡使用的冗余， 主要用于點到多點、 多點到多點的數(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 處被強制復制，而不是由信源端節(jié)點屢次重復發(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應的組播組 來實現(xiàn)擁塞控制。如果各層編碼之間的關(guān)系是相互獨立的，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。因為累積式分層方案中各層之間不包含重復

4、的信 息，可以更有效地利用網(wǎng)絡帶寬資源，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 可累加的假設干層ci(i=1 , 2,n)，其中cl為根底層，另有n-1 個加強層。根底層能保證信號的最低質(zhì)量要求，而 ci+1 層為己有 的cl, c2,ci提供增強信號，同時申請假設干個組播組地址 zi(i=1 ，2，n)，發(fā)送數(shù)據(jù)流時，用一個組播組地址配套傳輸一 個數(shù)據(jù)層，即ci zi(i=1 , 2,n)。接受端利用組播的參加機制 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、高加強層，數(shù)據(jù)的重要性 逐層降低，相應地傳輸優(yōu)先級也從低層到高層依次降低。當網(wǎng)絡發(fā) 生擁塞時，優(yōu)先過濾掉當前分層組播中最低優(yōu)先級的最高層數(shù)據(jù)， 從而保護高優(yōu)先級低層重要數(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 . 具體設計時首先要考慮兩個重要參數(shù)，個是編碼層數(shù) n它決定了一個組播系統(tǒng)所要維護的組播組的個數(shù)；另一個是每 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 的進步和存在的問題21 smcc 的進步smcc(smooth multirate mul

6、ficast congestion control)采用分層的方式組播數(shù)據(jù)，每層都獨立使用單速率組播算法 tfmcc 來實現(xiàn) 擁塞控制，這是一種多個協(xié)議相結(jié)合的做法。smcc將tfmcc應用到 每層的速率調(diào)節(jié)中，接收端依據(jù)條件反應期望速率，信源端選擇各 層中速率最低的接收端充當本層的層代表 clr ，并按照層代表的速 率重新調(diào)整確定本層發(fā)送速率。每層的實際發(fā)送速率不再是固定不 變的，而是適應成員速率的變化，在層內(nèi)進行重新合理調(diào)節(jié)。 smcc 機制非常簡單且易操作執(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 在實際應用中， smcc 的缺乏往往就源于 clr 的上述選擇機制，因 為 clr 往往是隨著自身網(wǎng)絡環(huán)境的變化而不斷變化的。假設由于網(wǎng) 絡狀況的變化，充當 clr 的期望速率突然下降，其結(jié)果必然是帶動 層速率急劇下降，層內(nèi)所有高速的接收者的實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。 當某層其他接收端的網(wǎng)絡出現(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?shù)?i 層的某接收端計算所得的速率小 于第 i 層實際發(fā)送速率并且大于 i-1 層最大發(fā)送速率時，該接收端 就會給發(fā)送端反應信息。發(fā)送端得此反應信息后，經(jīng)選擇機制選擇 確認新的 clr ，

8、并調(diào)整發(fā)送速率到達新的 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 反復中選又反復陂棄的情況，最終導致接受速率發(fā)生震蕩，平滑率 下降，反應包數(shù)量增大，容易出現(xiàn)反應爆炸問題。當某層中 clr 要 離開組播組時，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，同樣會出現(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)定性帶來負面影響。3 單次 clr 的選

9、擇機制3 1 合理設置速率差閾值掛起 clr 在 smcc 機制下，在充當 clr 的接收端期望速率突然下降時，其結(jié) 果必然是帶動層速率急劇下降，層內(nèi)高速的接收者的實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 全層用戶的影響，我們通過對 clr 設置速率差下降閾值來控制。假 設 i 層 clr 與當前層發(fā)送速率 ri 的速率差超過先前設置的閾值， 就會被掛起。 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 選擇機制選擇適宜的接收端作為本 層 clr ，取代當前 clr 成為新的 clr 。閾值的合理設置至關(guān)重要， 既要

10、保證及時掛起不合格 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 因為速率下降超過閾值被剝奪 clr 資格后，在新一輪 clr 選擇過程中與其他接收端競爭，我們規(guī)定舊 clr 被剝奪資格后 不得參與競爭。如果沒有這個限制機制，舊 clr 因為速率下降超過 閾值而被剝奪 clr 資格后又未被退出本層，此時適宜的預備新 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 掛起機制沒有起到合理地重新選擇 clr 的成效。如果當某層 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 的原因也設置其放棄 clr 的競爭。本文認為掛起讓它 clr 無權(quán)中選 新 clr 直至虛擬課堂本次組播結(jié)束的機制，可較好地保證組播網(wǎng)絡 的穩(wěn)定性，非常有必要。3 3 單次 clr 機制在虛擬課堂應用的適應性分析 虛擬課堂的眾多接收端有著異構(gòu)特征， 同時又有著其他分層組播網(wǎng) 絡所不具備的特點。首先，虛擬課堂的組播具有很強的時效性，其組播數(shù)據(jù)流一般不會持續(xù)太長時間。這讓單次 clr 機制弊端 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)過程中有著相對較好

12、的設備穩(wěn)定性。雖然虛擬課堂的用戶其網(wǎng) 絡狀態(tài)不可防止存在差異且受公共網(wǎng)絡的影響帶寬會出現(xiàn)跳變，但 大多數(shù)接收端一般會保持穩(wěn)定，這使單次 clr 機制出現(xiàn)弊端的概率 會大幅降低。再次，目前為解決網(wǎng)絡時延抖動的問題，在虛擬課堂 接收端一般會設置一個緩沖區(qū)，對多媒體組播數(shù)據(jù)進行緩存、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)進行回 放。根據(jù)緩沖設置情況調(diào)整閾值參數(shù)設置，可以讓單次 clr 選擇機 制在虛擬課堂中的應用更具合理性。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)絡的