一種適用于IP視頻會議的混合式組播技術(shù)研究

ip視頻會議是利用視頻技術(shù)和ip數(shù)據(jù)通信技術(shù)通過ip網(wǎng)絡(luò)在兩點或多點之間建立可視通信,實現(xiàn)圖像、語音及數(shù)據(jù)交流的一種會議形式。ip視頻會議系統(tǒng)因其效率高、成本低、業(yè)務(wù)提供方式靈活等優(yōu)勢將代替?zhèn)鹘y(tǒng)的基于電路交換的視頻會議系統(tǒng)。然而要解決視音頻數(shù)據(jù)在ip網(wǎng)絡(luò)上實時傳輸?shù)膯栴},并為視頻會議系統(tǒng)提供一定的qos是一個技術(shù)難題,也是目前的研究熱點。

本文把ip組播與應(yīng)用層組播結(jié)合起來并采用分層排列圖結(jié)構(gòu),提出了一種適用于ip視頻會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 問題的提出

ip視頻會議屬于傳輸數(shù)據(jù)量大、對帶寬要求高的服務(wù),為實現(xiàn)它的即時通信和互動溝通功能必須保證音視頻等數(shù)據(jù)在ip網(wǎng)絡(luò)上的實時傳輸。ip組播技術(shù)能夠有效地解決多點對多點數(shù)據(jù)通信的網(wǎng)絡(luò)帶寬問題。相對于單播和廣播方式來說,它能顯著節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬,提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?同時提高服務(wù)的質(zhì)量,因而它較適合于ip視頻會議系統(tǒng)。當前最流行的ip視頻會議標準h.323就采用了ip組播技術(shù)。然而,由于技術(shù)、市場、需求等原因,ip組播并沒有在internet上得到廣泛應(yīng)用[1],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)的視頻會議只能在這些相互孤立的組播島上進行,與會成員受到很大的限制。

正是因為ip組播未能在internet上廣泛應(yīng)用,近年來人們提出了十幾種應(yīng)用層組播方案,其中適用于ip視頻會議的系統(tǒng)有narada[2]和almi[3]。narada只能應(yīng)用于與會成員很少的情況。almi中,當有多人發(fā)言時易形成網(wǎng)絡(luò)瓶頸,故在一定程度上限制了視頻會議的規(guī)模。

相對于應(yīng)用層組播來說,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。而相對于ip組播來說,應(yīng)用層組播與現(xiàn)今網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相符合,使用時不需變動現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與硬件,部署相對容易,同時具有較好的擴展性,可以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)條件的動態(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題的方案。為了在ip視頻會議中充分利用應(yīng)用層組播和ip組播的優(yōu)勢,在此把二者結(jié)合起來,稱為混合式組播。本文以后所提到的混合式組播均以ip視頻會議這種特殊應(yīng)用場合為例。

1.2 拓撲結(jié)構(gòu)

在采用混合式組播的ip視頻會議中,與會成員組成如圖1所示的拓撲結(jié)構(gòu)。在每個ip組播島內(nèi),與會成員之間的數(shù)據(jù)傳輸使用ip組播,并選定一個與會成員作指定成員(designate member,dm),把島內(nèi)除dm外的與會成員稱為其他成員(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](包括一個控制拓撲和一個數(shù)據(jù)拓撲)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負責將來自疊加網(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)上的其他與會成員。

dm的選取原則:島中第一個參加會議的成員被設(shè)為dm,以后可以根據(jù)某種策略(如參加會議的時間最長者或物理位置“中心”點成員,或剩余帶寬資源最多者等)選定某個成員作為dm。如果dm離開,則根據(jù)某種策略從島內(nèi)的pm中選擇一個作dm。

2 基于分層排列圖的混合式組播

2.1 控制拓撲構(gòu)建

在數(shù)學上,(n,k)維排列圖[6](用an,k表示,其中n和k是自然數(shù),1≤k≤n-1。令表示集合{1,2,……n}中k個符號的排列,an,k定義為無向圖(v,e),其中:

一個排列圖實例a4,2的拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。排列圖an,2僅能容納n(n-1)個主機。為使系統(tǒng)可容納任意多主機,可將參與主機組合成多個an,2結(jié)構(gòu),這些an,2按照樹形結(jié)構(gòu)連接在一起,稱為分層排列圖結(jié)構(gòu)[6]。

混合式組播的核心任務(wù)是為am完成拓撲(包括數(shù)據(jù)拓撲和控制拓撲)的構(gòu)建。由于網(wǎng)絡(luò)狀況的動態(tài)性,以及客戶端數(shù)量與客戶端加入系統(tǒng)時間的不確定性,當前的應(yīng)用層組播方案一般需要每個結(jié)點定期與其他全部或一定比例的結(jié)點交換控制信息,以了解其他結(jié)點的狀態(tài),形成控制拓撲,保障數(shù)據(jù)拓撲的健壯性。在結(jié)點個數(shù)逐漸增加時,網(wǎng)絡(luò)上的控制信息數(shù)量會占用大量的帶寬資源。應(yīng)用層組播的數(shù)據(jù)拓撲可分為二大類:信源樹和共享樹。信源樹必須為每個組播源保存路由信息,這樣會占用大量的系統(tǒng)資源。共享樹傳輸延時較大。ip視頻會議系統(tǒng)屬于實時交互應(yīng)用,視音頻數(shù)據(jù)占據(jù)很大的帶寬,并且對端到端傳輸延遲和網(wǎng)絡(luò)抖動的要求很高,需要尋找一種既可以減少交換控制信息又可以保證視音頻數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)耐負錁?gòu)建方式。為利用排列圖的優(yōu)越特性(如結(jié)點和邊的對稱性、故障恢復能力和容錯能力、可以嵌入獨立的組播樹等),這里采用分層排列圖的結(jié)構(gòu)來組織混合式組播中的am。

本文先按照文獻[6]中的協(xié)議設(shè)計方法把參與ip視頻會議所有主機中的am組織成分層排列圖結(jié)構(gòu),作為混合式組播的控制拓撲,并在主機申請加入會議時根據(jù)其帶寬處理能力和一定的算法規(guī)定它的入度最大值和出度最大值,它們分別也是剩余入度和剩余出度的初始值。每個分層排列圖都對應(yīng)一棵以排列圖為結(jié)點單位的樹。如圖3所示的以與會主機為單位的拓撲結(jié)構(gòu)是一個由3個a4,2結(jié)構(gòu)(ag1、ag2和ag3)所組成的分層排列圖。圖3也可以看作如圖4所示的以排列圖為單位的樹結(jié)構(gòu),即以排列圖ag2為根、以ag1和ag3為葉子的一棵樹狀拓撲。設(shè)在分層排列圖中,父排列圖agi中的結(jié)點i1和i2分別是子排列圖agj的數(shù)據(jù)源結(jié)點和備用數(shù)據(jù)源結(jié)點,agj中的結(jié)點j1和j2分別是i1和i2對應(yīng)的根結(jié)點,則在樹拓撲中父排列圖agi與子排列圖agj的連線實際上包括2條:(1)i1與j1之間的連線;(2)i2與j2之間的連線。圖4中父排列圖ag2與其子排列圖ag1之間的連線有2條:(1)圖3中ag2的a14與ag1的a31之間的連線;(2)圖3 中ag2的a24與ag1的a41之間的連線。各排列圖之間的連線在混合式組播中并不一定作為數(shù)據(jù)傳輸路徑。

2.2 數(shù)據(jù)拓撲構(gòu)建

基于分層排列圖的混合式組播的控制拓撲是分層排列圖,其數(shù)據(jù)拓撲在此基礎(chǔ)上構(gòu)建,具體算法如下:

設(shè)某排列圖中的與會成員主機ai,j發(fā)言,首先把分層排列圖對應(yīng)的樹結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為以ai,j所在的排列圖為根的樹結(jié)構(gòu),然后執(zhí)行步驟(1)～(2)。

把ai,j所處的排列圖作為當前排列圖,在當前排列圖中用文獻[6]中的算法生成以ai,j為根的組播樹,并修改當前排列圖中所有結(jié)點的剩余入度值和剩余出度值。

(1)為當前排列圖的所有子排列圖選擇數(shù)據(jù)源、備用數(shù)據(jù)源和根結(jié)點(為描述方便起見,這里分別把它們記為s1、s2和r)。為某個子排列圖選擇數(shù)據(jù)源s1、備用數(shù)據(jù)源s2和根結(jié)點r的算法如下:

①令與會成員主機結(jié)點子集a={am,n|am,n屬于當前排列圖,ai,j與am,n相鄰接并且am,n的剩余出度值大于0}。

·若|a|>1,則在a中選擇剩余出度值最大者作為數(shù)據(jù)源s1,次大者作為備用數(shù)據(jù)源s2,此時一定可以選取合適的根結(jié)點使得組播樹獨立。

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

·若|a|=1,則選擇a中的結(jié)點作為數(shù)據(jù)源s1,選擇當前排列圖中其他成員中最大剩余出度結(jié)點作為備用數(shù)據(jù)源s2。

②s1和s2的剩余出度值分別減1。

③在此子排列圖中先后選取數(shù)據(jù)源s1對應(yīng)的根結(jié)點r,并把選出的根結(jié)點的剩余入度值減1。當s1不能正常工作或失效時,s2作為r的數(shù)據(jù)源結(jié)點。選取根結(jié)點時既要考慮結(jié)點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立性。如果能保證組播樹獨立性的結(jié)點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。

④在此子排列圖內(nèi)根據(jù)文獻[6]中的算法生成以r為根的組播樹,并修改相應(yīng)結(jié)點的剩余出度值和剩余入度值。

(2)如果還有再下一級的子排列圖,則令ai,j=當前排列圖的相應(yīng)子排列圖的根結(jié)點的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)言時根據(jù)以上算法為實現(xiàn)應(yīng)用層組播建立的組播樹,分別以虛線和實線表示。在ag1、ag2和ag3中分別由三個dm(a34、a42、a41)作為ip組播島的數(shù)據(jù)源結(jié)點,組播島內(nèi)的ip組播樹分別以它們?yōu)楦?由它們傳輸?shù)絠p組播島中的pm。ip組播島中對應(yīng)的ip組播樹在圖3中沒有畫出。

2.3 性能分析

與當前其他的應(yīng)用層組播相比,在ip視頻會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:

(1)增強了系統(tǒng)的可擴展性。系統(tǒng)只需維護樹形式的分層排列圖即可,它就是應(yīng)用層組播的控制拓撲,由它生成數(shù)據(jù)拓撲。ip組播島內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸由ip組播技術(shù)實現(xiàn),系統(tǒng)只需選定dm,由dm來作為島內(nèi)成員與島外成員之間通信的橋梁。控制信息數(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議。

(2)提高了系統(tǒng)的容錯能力,減少了網(wǎng)絡(luò)抖動。由于在an,2中可以建立n-2個獨立的組播樹,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立,使得每個用戶只在最多一棵組播樹上作為中間結(jié)點。這樣一個用戶出現(xiàn)故障最多影響一個組播樹中的數(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議系統(tǒng)的容錯能力,減少數(shù)據(jù)傳輸過程中的網(wǎng)絡(luò)抖動。

(3)縮短了用戶加入會議的時間。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議的復雜度為o(log(n)),其中n表示ip視頻會議系統(tǒng)中am數(shù)目。組播島內(nèi)的用戶加入更簡單,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,通過該島上的dm與島外與會成員傳輸數(shù)據(jù),因而一個申請加入會議的主機可迅速地完成加入過程。

本文為ip視頻會議系統(tǒng)提供了一種簡單、可靠的混合式組播方案。一方面能充分利用參與會議的主機資源,使系統(tǒng)能支持更多的用戶參加會議,另一方面也為視頻會議系統(tǒng)中視音頻數(shù)據(jù)在internet上的實時傳輸提供較好服務(wù)質(zhì)量保障。