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《北京交通大学》 2010年
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互联网实时流媒体传输关键技术的研究

李昕  
【摘要】: 带宽、延迟和丢包率保障能力以及大规模数据分发能力是构建流媒体传输网络的重要条件。网络层QoS和IP组播技术由于互通困难,部署成本高等原因一直进展缓慢;与之形成鲜明对照的,以内容分发网络和覆盖网络组播为代表的应用层流媒体技术近年来发展迅速,成为学术界与工业界的关注焦点,催生了许多成功的应用案例。网络层传输与应用层传输在优劣势方面呈现互补势态,如能构建融合两种传输模式的流媒体网络,就可以消除由于互联网异构性而导致的性能瓶颈,解决当前互联网流媒体系统所面临服务能力不足的问题,同时能够在网络性能和部署成本之间取得平衡。 本文研究采用应用层覆盖网络与IP层技术相结合的方式构建实时流媒体传输系统的关键问题。使用这种混合网络能够为流媒体传输提供质量保障和大规模组播分发能力,将网络层方案在效率和稳定性上的优势与应用层方案在成本与灵活性上的优势结合起来,推动互联网中大规模流媒体应用的发展和普及。本文的主要研究成果和创新点如下: 1.提出了融合应用层传输与网络层传输的流媒体网络架构。该架构使用SIP协议融合各类网络基础设施,使用自适应算法在应用层传输与网络层直接传输两种模式之间进行选择,为流媒体应用提供服务质量保证。本文提出以层次结构组织应用层转发网络,定义了功能独立的三个逻辑平面:源接入平面、复制转发平面和接收者接入平面。相对于流媒体内容分发网络“中心-边缘”的两层结构具有更高的灵活性和可扩展性;而相对全部由终端客户组成的纯粹P2P流分发网络则具有更好稳定性和可控性。通过合理部署应用层结点,能够消除由于网络异构性造成的瓶颈链路;在应用层结点上使用合适的资源调度策略,还能够改善流媒体传输中丢包、延迟、协议开销、媒体源服务能力等各方面的系统性能。 2.基于成果1提出的流媒体传输架构,其中需要解决的基本问题是如何选择应用层传输路径以满足流媒体会话的服务质量需求。本文对具有带宽和延迟约束条件的应用层路由问题进行了研究,通过为应用层转发网络建立抽象模型,提出了“满足带宽和延迟约束条件的最低瓶颈程度路由算法”及其改进算法,给出详细算法执行流程,并对算法的开销和性能进行了分析评估,实验结果表明该算法以较少系统开销显著提升了应用层流媒体传输网络的服务能力。 3.研究成果2对应用层网络建模时,将应用层结点之间的端到端链路抽象为一条具有带宽和延迟属性的虚拟链路,并对链路状态进行了假设。作为应用层路由问题的延续和深入,本文进一步研究了应用层结点之间端到端链路的可用带宽、丢包率和延迟等关键指标的概率特性;研究如何在虚拟链路上进行丢包率控制,如何通过带宽资源分配和报文调度策略实现类似网络层IP QoS的流媒体传输服务质量保障等问题。具体来说:首先,在虚拟链路的两端使用N-TFRC协议估计应用层链路带宽速率的上限,实现对交叉TCP背景流量的公平性和友好性;第二、虚拟链路上采用FEC和ARQ结合的丢包恢复机制以较小带宽和延迟开销对应用层丢包率进行控制;第三、在报文转发和丢包恢复中使用基于优先级的报文调度算法,对高优先级报文给予更多保护。最后,通过一系列仿真实验对上述方案的性能和开销进行评估;并在局域网内搭建测试实验床,评估了应用层传输系统对视音频流媒体性能指标的提升。 4.对上述流媒体传输网络中的安全问题进行了研究。分别针对会话信令、会话数据和网络基础设施三个方面的安全问题提供了解决方案:首先,使用SIP消息认证机制与传输层安全协议SSL/TLS相结合,保障会话信令本身的安全性;第二、使用SIP协议协商会话安全环境,SDP协议承载安全参数,SRTP协议进行安全传输,能够保障会话数据安全性;第三、在网络基础设施的安全方面,采用组播接入控制机制消除IP组播路由安全隐患,提出了一种带有接入控制功能的安全域内组播路由协议PIMac,该协议利用组播路由协议的汇聚点实现认证密钥更新,基于对称密钥签名算法为PIM-SM组播域提供高效率的接入控制服务,实现了组播路由域与AAA域的松耦合。仿真实验结果表明,PIMac接入控制机制更好地平衡了计算开销和带宽开销,性能较现有的组播接入控制机制有所提高。 5.对视频流媒体传输中的跨层优化问题进行了研究。针对网络视频这一类特定的流媒体应用,基于接收方总解码失真建立了流媒体传输系统的性能评价模型,将所有接收者的加权总视频质量表示为网络传输行为的函数。提出直接以应用层视频失真最小化为目标,对网络传输行为进行优化。根据上述思路,在应用层流媒体传输网络中,本文提出了使用遗传算法求解的视频源码率和传输路径优化方案;在IP组播网络中,提出了由组播代理实现的接收端速率控制机制。为两种方案分别建立了优化模型并给出求解算法。仿真结果表明:使用本文提出的视频源码率控制算法、视频流传输路径选择算法和接收端视频流速率控制机制,可以对接收端的总体视频质量进行优化,显著改善了流媒体传输网络的性能。
【学位授予单位】:北京交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TP393.02

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