IPTV-网络部分-流媒体代理

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IPTV---网络部分-流媒体代理缓存拥塞控制谢卫华 IPTV流媒体代理缓存拥塞控制多媒体代理服务器(proxyserver)位于因特网边缘，通过局域网(LAN)或接人网(xDSL，HFC)等，近距离与用户相连接 IPTV流媒体代理缓存拥塞控制多媒体代理服务器的作用与现状多媒体代理服务器是流媒体研究领域中的重要课题，随着流媒体技术近年来在Internet和无线网络环境中的高速发展，对多媒体代理服务器的研究也逐步深入多媒体代理服务器的研究集中于缓存替换(cachereplacement)算法、媒体预取(pre—fetch)算法、前缀缓存(prefixcaching)算法等。其中，缓存替换算法是管理缓存的主要手段，因此也是决定代理服务器性能的核心因素 IPTV流媒体代理缓存拥塞控制多媒体代理服务器的作用与现状普通代理服务器的作用代理服务器承担了一部分用户访问，有效降低了Web网站服务器的访问负载由于位于Internet边缘，代理服务器利用缓存数据服务用户，可节约从远程服务器到代理服务器之间的网络资源利用代理服务器直接服务用户，可提高用户的访问响应速度代理服务器是提高Internet服务器鲁棒性(robust)的有效手段 IPTV流媒体代理缓存拥塞控制多媒体代理服务器的作用与现状多媒体代理服务器与传统代理服务器也有显著的区别具有传统代理服务器的特点可有效降低用户的启动延迟(startuplatency)媒体代理服务器距离用户较近，因此网络状况较好，从而可以提高用户接收媒体流的媒体质量在无线网络中的代理服务器作用更明显 IPTV流媒体代理缓存拥塞控制Internet及无线网络下的多媒体代理服务器internet环境下，多媒体代理服务器的研究集中于缓存替换算法、媒体预取算法、前缀缓存算法到目前为止，针对无线网络的多媒体代理服务器的研究尚未深人展开，现有工作主要集中于码率控制策略、代码转换等方面 IPTV流媒体代理缓存拥塞控制多媒体代理服务器的体系结构多媒体代理服务器(在下文中简称代理服务器)位于Internet网络边缘，一端支持Internet用户和无线用户，另一端连接Internet中的视频服务器代理服务器由请求管理、缓存管理、服务器选择、无线信道编码和网络监控等模块组成 IPTV流媒体代理缓存拥塞控制多媒体代理服务器的体系结构服务器选择模块用于执行对远程视频服务器的选择为了提高服务性能，Internet视频服务器常常通过镜像等方式设置多个服务器。在这种多服务器模型下，代理服务器需要按照一定的服务器选择算法为预取或未命中服务选择一个最佳的远程视频服务器。服务器选择算法的优劣，也直接影响到代理服务器对终端用户提供的服务质量 IPTV流媒体代理缓存拥塞控制拥塞控制的基本概念基于TCP的拥塞控制方案传统方案，使用往返时间延迟方差估计、指数重传定时器退后、慢启动、拥塞时动态窗口调整(AIMD)以及快速重传等算法使有效带宽在理想情况下被平均分配给各个TCP流Internet音频播放器、IP电话、视频会议和其他同类型的实时应用持续增加，一个可能的结果是非TCP通信量的百分比大幅度提高，冲击TCP的拥塞控制应当针对非TCP通信量定义适当的速率自适应规则和机制，以便与TCP的速率自适应机制一致 IPTV流媒体代理缓存拥塞控制TCP拥塞控制机制原理TCP协议以段为单位发送数据在TCP协议中，当建立连接时确定进行通信的数据单位称为最大段长(MSS：MaximumSegmentSize)使用窗口控制来提高速率，发送端主机对于所发送的段不等待肯定确认应答包，实现了多个段的发送。我们把不等待肯定确认应答包能够发送数据的大小称为窗口的大小(windowssize) IPTV流媒体代理缓存拥塞控制TCP拥塞控制机制原理滑动窗口方式 IPTV流媒体代理缓存拥塞控制TCP拥塞控制机制原理滑动窗口方式要保留一个比较大的缓冲区 IPTV流媒体代理缓存拥塞控制TCP拥塞控制机制窗口控制和重发控制包丢失，如没有窗口控制时要重发有窗口控制时，需要多次确认这个重发请求以加快发生 IPTV流媒体代理缓存拥塞控制TCP拥塞控制机制流控制(flowcontrol)流控的需求，负载比较重的时候，有可能不能接收完数据。如果接收端主机无法接收所发送的数据，则必须重新发送该数据，这就增加了浪费在TCP协议中，接收端主机向发送端主机发送一个接收数据大小的通知。这个大小就是窗口的大小。这就是说，窗口大小是由接收端主机来决定的 IPTV流媒体代理缓存拥塞控制TCP拥塞控制机制拥塞的产生采用TCP协议的窗口控制，那么即使没有肯定确认应答包，也能够连续地发送大量的包防止这种情况的发生，在TCP协议中，当通信开始时，使用了慢启动(slowstart)法来控制数据的发送量 IPTV流媒体代理缓存拥塞控制TCP拥塞控制机制TCP和TCP友好使用TCP协议的网络中，要求一种数据的增加不会造成另一种数据的拥塞，这种相互制约的关系称为友好算法启动时TCP实行慢启动，这期间速率大概每RTT增加一倍，以后快速得到它自己公平的带宽份额。在稳定状态下，TCP使用一种加法增加，乘法减少的机制（AIMD）来探测额外的带宽和执行拥塞控制如果没有丢失信息，TCP的拥塞窗口每RTT增加一个时隙。如果一次超时指示分组丢失，拥塞窗口减少到一个时隙，TCP重新进人慢启动阶段；如果3个相同的ACK指示分组丢失，则窗口减半 IPTV流媒体代理缓存拥塞控制拥塞控制的分类方法码率控制／码率整形和基于窗口／基于速率的分类方法基于单播、组播、单速率、多速率以及端到端的路由器支持的方法 IPTV流媒体代理缓存拥塞控制拥塞控制的分类方法码率控制和码率整形减少丢包和延迟的一个方法是在信源和(或)接收端应用拥塞控制码率控制通过使视频流的码率与可用的网络带宽相匹配，力求将网络拥塞和丢包的数目降至最低码率整形迫使信源以码率控制算法规定的码率发送视频流 IPTV流媒体代理缓存拥塞控制拥塞控制的分类方法码率控制是一个基于估计的网络中的可用带宽来确定视频通信发送码率的技术现有的码率控制方案可分为三类：基于信源的、基于接收端的和混合的码率控制 IPTV流媒体代理缓存拥塞控制拥塞控制的分类方法基于信源的码率控制在基于信源的码率控制下，由发信方负责调节视频传输码率基于信源的码率控制机制要利用反馈。发信方根据网络的反馈信息调节视频流的码率基于信源的码率控制可应用于单播和组播。对于单播现有的基于信源的码率控制机制按照两种方法实现：基于探测器的方法和基于模型的方法 IPTV流媒体代理缓存拥塞控制拥塞控制的分类方法基于接收端的码率控制在基于接收端的码率控制下，接收端通过增加或丢弃通道(层)来调节接收的视频流码率，而发信方不参加码率控制基于接收端的码率控制只应用于分层的组播，而不应用于单播视频现有的基于接收端的码率控制机制按照两种方法实现：基于探测器的方法和基于模型的方法 IPTV流媒体代理缓存拥塞控制拥塞控制的分类方法混合的码率控制：在混合的码率控制下，接收端通过增加或丢弃通道来调节接收码率，同时发信方根据从接收端反馈回的信息也调节发送码率 IPTV流媒体代理缓存拥塞控制拥塞控制的分类方法码率整形通过码率整形技术可以将预压缩的视频比特流的码率修正到目标码率。码率整形器是压缩层与网络传输层之间或两个网络段之间的一个接口(或滤波器)，通过它可以达到视频流与可用带宽之间的匹配 IPTV流媒体代理缓存拥塞控制拥塞控制的分类方法码率整形编解码滤波器：编解码滤波器对视频流进行压缩和解压弃帧滤波器：弃帧滤波器可以辨别帧的类型(例如MPEG中的I帧、P帧和B帧)，并根据帧的重要程度丢弃某些帧弃层滤波器：弃层滤波器可以识别并根据重要程度丢弃某些层频率滤波器：频率滤波器在压缩层进行运算再量化滤波器：再量化滤波器在压缩层进行运算(即DCT系数) IPTV流媒体代理缓存拥塞控制拥塞控制的分类方法基于窗口和基于速率的拥塞控制基于窗口的拥塞控制在发送端或者接收端使用一个拥塞窗口来保证TCP友好基于速率的拥塞控制根据某些指示网络拥塞的网络反馈机制动态地调整传输率，以获得TCP友好性 IPTV流媒体代理缓存拥塞控制拥塞控制的分类方法单播和组播的拥塞控制单播和组播通信量都要求TCP友好。然而，好的组播拥塞控制协议的设计比单播协议的设计要困难得多组播拥塞控制机制理想的状态应该可以扩展到较大的接收端集合，能够处理接收端异构的网络条件 IPTV流媒体代理缓存拥塞控制拥塞控制的分类方法单速率和多速率的拥塞控制TCP友好的组播拥塞控制协议一个普通的分类标准是它们以单速率或者以多速率方式操作在单速率方式中，数据以相同速率发送到所有的接收端多速率的拥塞控制协议允许一个更灵活的在不同网络路径上的带宽分配机制 IPTV流媒体代理缓存拥塞控制拥塞控制的分类方法端到端路由器的支持方案依赖于网络提供的额外功能的拥塞控制方案称为路由器支持。特别的组播协议可以从额外的网络功能受益，例如反馈的聚合、层次化的RTT测量、接收端组(子组)的管理，或者路由器排队策略的修改