异构网络环境下流媒体服务模式的研究

论文摘要

随着多媒体技术、网络技术和计算机技术的不断发展,视频点播、网络直播、视频会议、可视电话等多媒体已经广泛应用,成为日常生活的一部分。中小规模视频服务系统经过多年发展,已趋于成熟,但在向大规模/超大规模视频服务系统的迁移过程中,系统规模的扩展、网络的异构性、用户需求的提升,对现有的视频服务器体系结构、存储、传输和服务策略等提出了巨大挑战。可扩展的视频服务器体系结构和高效的带宽复用策略是扩展视频系统服务规模的两个主要手段,已成为超大规模视频服务研究的热点。本文围绕这两个问题,研究了异构网络环境下流媒体服务模式。本文在国家高技术研究发展计划（863计划）“十五”重大专项“高性能宽带信息网（3TNet）”、国家广电总局“海南省IPTV示范网络的建设”和“海南双向HFC实验网络”等课题的基础上,围绕异构网络环境下的流媒体服务模式展开研究,结合3Tnet、有线电视网和互联网的特性,研究了流媒体服务架构、传输模式、带宽复用等关键性问题,提出了一些新的思想和方法,并设计了相应的算法。主要研究内容和创新点如下:流媒体服务需要消耗大量的计算和存储资源,单台服务器的服务能力有限,在提供大规模并发服务时通常需要建造服务器集群。本文针对3TNet中主干网——ASON数据链路的传输特性,在多级缓存的视频点播服务系统基础上,提出并实现了支持异地存储影片VCR（Video Cassette Recorder,录像机）功能的视频点播服务策略。该策略利用3TNet数据高速传输的特点,采用异地服务的模式,降低边缘媒体服务器的存储压力,同时不因媒体内容的异地存储导致额外的启动延迟。本系统在上海长宁区IPTV（Internet Protocol Television,网络电视）示范运营工程的实际运营表明,该策略可以有效地缓解中心服务器的压力,适合大规模IPTV商业运营。单播采用独占模式提供服务,系统规模受到很大限制,组播是一种有效的解决途径。本文针对有线电视网,分析了HFC（Hybrid Fiber Coaxial,光纤同轴电缆混合网）双向网络特性,设计了一套适合该网络的流媒体服务平台。在该平台基础上针对HFC网络广播的特性,提出了分段补丁算法,以分段补丁的形式向用户提供数据,代替传统补丁算法提供完整补丁流的形式。在算法中,利用HFC网络的广播特性,用户同时从多个信道接收视频数据,无需消耗附加的网络资源。理论分析和仿真试验表明该算法在有限的带宽条件下,最大限度为用户提供视频点播服务,同时支持用户的VCR操作。对于互联网而言,由于技术条件的限制,目前网络层组播还无法广泛应用。随着个人计算机技术的飞速发展,客户端的存储、计算能力有了很大提高,可以作为流媒体服务系统中的一个节点提供服务。在此背景下,应用层组播被认为是解决服务扩展性的最佳途径。本文针对下一代互联网络的特性,提出了基于P2P的时移电视传输策略,将补丁技术与P2P技术相结合,有效地节省了视频服务器及主干网络的资源,同时对服务规模没有限制。在此基础上引入网格技术,提出时移电视服务系统（Time-shifred TV on demand based on grid,GridTVOD）,将视频服务器和服务节点组织为流媒体服务网格,视频数据传输采用P2P和Patching相结合,用户作为网格节点,在享受服务时,也作为服务端为其它节点提供服务。理论分析和仿真试验表明系统具有良好的可扩展性、可组织性、安全性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 流媒体服务概述
• 1.2.1 三网融合
• 1.2.2 流式服务的概念
• 1.2.3 流媒体服务的挑战
• 1.2.4 流媒体的应用前景
• 1.3 流媒体服务模式的研究现状
• 1.3.1 单播模式
• 1.3.2 组播模式
• 1.3.3 P2P模式
• 1.4 本文的研究内容和结构安排
• 第2章 流媒体服务相关技术
• 2.1 流媒体的特点
• 2.1.1 流媒体对象的特征
• 2.1.2 流媒体服务的优点
• 2.2 流媒体传输技术
• 2.2.1 ISMA实现规范
• 2.2.2 媒体传输流协议
• 2.2.3 媒体控制流协议
• 2.2.4 TS与ISMA的比较
• 2.3 流媒体文件格式
• 2.3.1 常见格式简介
• 2.3.2 MP4文件格式
• 2.4 流媒体服务系统
• 2.4.1 流媒体服务系统架构
• 2.4.2 流媒体业务功能及实现
• 第3章 基于3Tnet的视频点播服务策略研究
• 3.1 高性能宽带信息网（3Tnet）
• 3.1.1 3Tnet简介
• 3.1.2 3Tnet网络体系和关键技术
• 3.1.3 流媒体业务系统与应用支撑环境
• 3.1.4 媒体服务器结构和功能
• 3.2 流媒体缓存策略的相关研究
• 3.2.1 Web代理缓存技术
• 3.2.2 流媒体代理缓存技术
• 3.3 3Tnet中异地存储内容的服务机制
• 3.3.1 VOD服务器集群
• 3.3.2 异地点播服务系统
• 3.3.3 异地点播的工作流程
• 3.4 基于3Tnet的视频点播服务策略
• 3.4.1 代理缓存策略
• 3.4.2 内容分发策略
• 3.4.3 实验和分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于分段补丁的时移电视系统
• 4.1 HFC双向网络概述
• 4.1.1 双向改造技术
• 4.1.2 HFC网络的架构
• 4.1.3 HFC网络的传输技术
• 4.2 双向网络时移电视系统
• 4.2.1 系统架构
• 4.2.2 流化服务机制
• 4.2.3 带宽管理策略
• 4.3 基于组播的流调度策略相关研究
• 4.3.1 批处理算法
• 4.3.2 Chaining算法
• 4.3.3 周期广播算法
• 4.3.4 Piggybacking算法
• 4.3.5 补丁算法
• 4.4 分段补丁算法
• 4.4.1 分段补丁传输机制
• 4.4.2 客户端处理机制
• 4.4.3 交互处理机制
• 4.5 性能分析
• 4.5.1 最优阈值分析
• 4.5.2 带宽需求分析
• 4.5.3 算法应用分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 基于P2P的时移电视传输策略
• 5.1 对等网络简介
• 5.1.1 对等网络的基本原理
• 5.1.2 P2P流媒体应用面临的挑战
• 5.1.3 P2P流媒体应用的相关研究
• 5.2 网格技术简介
• 5.2.1 网格的定义
• 5.2.2 网格的特征及分类
• 5.2.3 网格的体系结构
• 5.3 基于P2P的传输策略
• 5.3.1 系统模型
• 5.3.2 算法设计
• 5.3.3 性能分析
• 5.4 面向网格的服务系统
• 5.4.1 系统组织
• 5.4.2 节点控制
• 5.4.3 性能分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 本文的工作总结
• 6.2 不足之处与展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果
• 在读期间参与的科研课题