2009/01/19

　　IP視頻會(huì)議是利用視頻技術(shù)和IP數(shù)據(jù)通信技術(shù)通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)在兩點(diǎn)或多點(diǎn)之間建立可視通信,實(shí)現(xiàn)圖像、語(yǔ)音及數(shù)據(jù)交流的一種會(huì)議形式。IP視頻會(huì)議系統(tǒng)因其效率高、成本低、業(yè)務(wù)提供方式靈活等優(yōu)勢(shì)將代替?zhèn)鹘y(tǒng)的基于電路交換的視頻會(huì)議系統(tǒng)。然而要解決視音頻數(shù)據(jù)在IP網(wǎng)絡(luò)上實(shí)時(shí)傳輸?shù)膯?wèn)題,并為視頻會(huì)議系統(tǒng)提供一定的QoS是一個(gè)技術(shù)難題,也是目前的研究熱點(diǎn)。
　　本文把IP組播與應(yīng)用層組播結(jié)合起來(lái)并采用分層排列圖結(jié)構(gòu),提出了一種適用于IP視頻會(huì)議的混合式組播方式——基于分層排列圖的混合式組播。
1 混合式組播
1.1 問(wèn)題的提出
　　IP視頻會(huì)議屬于傳輸數(shù)據(jù)量大、對(duì)帶寬要求高的服務(wù),為實(shí)現(xiàn)它的即時(shí)通信和互動(dòng)溝通功能必須保證音視頻等數(shù)據(jù)在IP網(wǎng)絡(luò)上的實(shí)時(shí)傳輸。IP組播技術(shù)能夠有效地解決多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)數(shù)據(jù)通信的網(wǎng)絡(luò)帶寬問(wèn)題。相對(duì)于單播和廣播方式來(lái)說(shuō),它能顯著節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬,提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男��?同時(shí)提高服務(wù)的質(zhì)量,因而它較適合于IP視頻會(huì)議系統(tǒng)。當(dāng)前最流行的IP視頻會(huì)議標(biāo)準(zhǔn)H.323就采用了IP組播技術(shù)。然而,由于技術(shù)、市場(chǎng)、需求等原因,IP組播并沒(méi)有在Internet上得到廣泛應(yīng)用,使得目前只有少數(shù)用戶在局域范圍(稱為IP組播島)內(nèi)可以使用 IP 組播技術(shù)。因此基于IP組播技術(shù)的視頻會(huì)議只能在這些相互孤立的組播島上進(jìn)行,與會(huì)成員受到很大的限制。
　　正是因?yàn)镮P組播未能在Internet上廣泛應(yīng)用,近年來(lái)人們提出了十幾種應(yīng)用層組播方案,其中適用于IP視頻會(huì)議的系統(tǒng)有NARADA[2]和ALMI[3]。NARADA只能應(yīng)用于與會(huì)成員很少的情況。ALMI中,當(dāng)有多人發(fā)言時(shí)易形成網(wǎng)絡(luò)瓶頸,故在一定程度上限制了視頻會(huì)議的規(guī)模。
　　相對(duì)于應(yīng)用層組播來(lái)說(shuō),IP組播能更多地節(jié)約網(wǎng)絡(luò)帶寬[4]、可靠性更好且數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)速率更高。而相對(duì)于IP組播來(lái)說(shuō),應(yīng)用層組播與現(xiàn)今網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相符合,使用時(shí)不需變動(dòng)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與硬件,部署相對(duì)容易,同時(shí)具有較好的擴(kuò)展性,可以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)條件的動(dòng)態(tài)變化。它已成為目前最可能解決IP組播中的路由器瓶頸問(wèn)題的方案。為了在IP視頻會(huì)議中充分利用應(yīng)用層組播和IP組播的優(yōu)勢(shì),在此把二者結(jié)合起來(lái),稱為混合式組播。本文以后所提到的混合式組播均以IP視頻會(huì)議這種特殊應(yīng)用場(chǎng)合為例。
1.2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
　　在采用混合式組播的IP視頻會(huì)議中,與會(huì)成員組成如圖1所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在每個(gè)IP組播島內(nèi),與會(huì)成員之間的數(shù)據(jù)傳輸使用IP組播,并選定一個(gè)與會(huì)成員作指定成員(Designate Member,DM),把島內(nèi)除DM外的與會(huì)成員稱為其他成員(Pertinent Member,PM),DM是島內(nèi)成員與島外成員之間通信的橋梁。島外成員與DM參加應(yīng)用層組播疊加網(wǎng)[5](包括一個(gè)控制拓?fù)浜鸵粋�(gè)數(shù)據(jù)拓?fù)?的構(gòu)建,將其稱為應(yīng)用層組播成員(ALM Member,AM),AM之間的數(shù)據(jù)傳輸使用應(yīng)用層組播。IP組播島中PM通過(guò)DM與疊加網(wǎng)相連,DM與島外成員之間的數(shù)據(jù)傳輸采用應(yīng)用層組播方式,與島內(nèi)的成員之間的數(shù)據(jù)傳輸使用IP組播的方式。DM負(fù)責(zé)將來(lái)自疊加網(wǎng)的數(shù)據(jù)以IP組播方式傳送給組播島中PM,PM的數(shù)據(jù)也通過(guò)IP組播方式傳送到DM,由DM以應(yīng)用層組播的方式發(fā)送給疊加網(wǎng)上的其他與會(huì)成員。
　　DM的選取原則:島中第一個(gè)參加會(huì)議的成員被設(shè)為DM,以后可以根據(jù)某種策略(如參加會(huì)議的時(shí)間最長(zhǎng)者或物理位置“中心”點(diǎn)成員,或剩余帶寬資源最多者等)選定某個(gè)成員作為DM。如果DM離開,則根據(jù)某種策略從島內(nèi)的PM中選擇一個(gè)作DM。

圖1 混合式組播拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2 基于分層排列圖的混合式組播
圖2 排列圖A4,2的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖
圖3 以與會(huì)主機(jī)為單位的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

若|A|=0,則選擇在當(dāng)前排列圖中選擇最大剩余出度結(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)源s1,次大者作為備用數(shù)據(jù)源s2。

　�、墼诖俗优帕袌D中先后選取數(shù)據(jù)源s1對(duì)應(yīng)的根結(jié)點(diǎn)r,并把選出的根結(jié)點(diǎn)的剩余入度值減1。當(dāng)s1不能正常工作或失效時(shí),s2作為r的數(shù)據(jù)源結(jié)點(diǎn)。選取根結(jié)點(diǎn)時(shí)既要考慮結(jié)點(diǎn)的剩余出度值和剩余入度值,又要注意盡量保證組播樹的獨(dú)立性。如果能保證組播樹獨(dú)立性的結(jié)點(diǎn)的剩余入度值全為零,則選取子排列圖中的剩余入度值最大者。
　�、茉诖俗优帕袌D內(nèi)根據(jù)文獻(xiàn)[6]中的算法生成以r為根的組播樹,并修改相應(yīng)結(jié)點(diǎn)的剩余出度值和剩余入度值。
　　(2)如果還有再下一級(jí)的子排列圖,則令ai,j=當(dāng)前排列圖的相應(yīng)子排列圖的根結(jié)點(diǎn)的r,轉(zhuǎn)(1);否則,結(jié)束。
　　圖3給出了AG1中的a31和AG2中的a41發(fā)言時(shí)根據(jù)以上算法為實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層組播建立的組播樹,分別以虛線和實(shí)線表示。在AG1、AG2和AG3中分別由三個(gè)DM(a34、a42、a41)作為IP組播島的數(shù)據(jù)源結(jié)點(diǎn),組播島內(nèi)的IP組播樹分別以它們?yōu)楦�建�?由它們傳輸?shù)絀P組播島中的PM。IP組播島中對(duì)應(yīng)的IP組播樹在圖3中沒(méi)有畫出。[NextPage]
2.3 性能分析
　　與當(dāng)前其他的應(yīng)用層組播相比,在IP視頻會(huì)議中采用基于分層排列圖的混合式組播技術(shù),有以下優(yōu)點(diǎn):
　　(1)增強(qiáng)了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。系統(tǒng)只需維護(hù)樹形式的分層排列圖即可,它就是應(yīng)用層組播的控制拓?fù)?由它生成數(shù)據(jù)拓?fù)�。IP組播島內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸由IP組播技術(shù)實(shí)現(xiàn),系統(tǒng)只需選定DM,由DM來(lái)作為島內(nèi)成員與島外成員之間通信的橋梁�？刂菩畔�數(shù)量大大減少,節(jié)約了網(wǎng)絡(luò)帶寬,使更多的用戶可以加入會(huì)議。
　　(2)提高了系統(tǒng)的容錯(cuò)能力,減少了網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)。由于在An,2中可以建立n-2個(gè)獨(dú)立的組播樹,在用戶帶寬資源足夠豐富的情況下只要發(fā)言用戶數(shù)≤n-2就可以保證組播樹的獨(dú)立,使得每個(gè)用戶只在最多一棵組播樹上作為中間結(jié)點(diǎn)。這樣一個(gè)用戶出現(xiàn)故障最多影響一個(gè)組播樹中的數(shù)據(jù)傳輸。分層排列圖的這一性質(zhì)使基于分層排列圖的混合式組播能提高視頻會(huì)議系統(tǒng)的容錯(cuò)能力,減少數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)。
　　(3)縮短了用戶加入會(huì)議的時(shí)間。由于AM組織為分層排列圖結(jié)構(gòu),IP組播島外的用戶加入會(huì)議的復(fù)雜度為O(log(N)),其中N表示IP視頻會(huì)議系統(tǒng)中AM數(shù)目。組播島內(nèi)的用戶加入更簡(jiǎn)單,它不需要了解島外AM的任何信息就可以加入它所屬的IP組播島,通過(guò)該島上的DM與島外與會(huì)成員傳輸數(shù)據(jù),因而一個(gè)申請(qǐng)加入會(huì)議的主機(jī)可迅速地完成加入過(guò)程。
　　本文為IP視頻會(huì)議系統(tǒng)提供了一種簡(jiǎn)單、可靠的混合式組播方案。一方面能充分利用參與會(huì)議的主機(jī)資源,使系統(tǒng)能支持更多的用戶參加會(huì)議,另一方面也為視頻會(huì)議系統(tǒng)中視音頻數(shù)據(jù)在Internet上的實(shí)時(shí)傳輸提供較好服務(wù)質(zhì)量保障。

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