软件定义多媒体组播系统与传输策略研究

【摘要】：近年来随着网络与多媒体技术的进步,诸如互联网电视、视频会议、视频点播、网络视频监控、虚拟现实等多媒体应用越来越深入到人们的生产和生活中。随之而来的是网络中IP流量的急速增长,而快速增长的网络资源消耗,可引发网络拥塞、传输时延变大等问题,最终会降低多媒体业务的服务质量,导致用户体验变差,因此需要寻求新的机制、架构和算法对多媒体传输业务进行优化。网络承载的业务不断丰富,当前互联网出现了诸如体系臃肿、服务质量保障缺失等方面的问题,因此学术与产业界正在探索建立新的网络体系架构。软件定义网络(Software Defined Networking,SDN)近年来被提出,因其支持服务可编程、网络可控等优势被业界认为是下一代互联网的发展方向。利用多媒体编解码的先进技术、网络优化理论、在线网络测量以及组播技术等手段,研究在软件定义网络中的多媒体传输机制、架构和算法,对于解决多媒体传输存在的问题具有重要意义。为了保证网络多媒体的服务质量,优化网络资源的利用率,本文研究了在软件定义网络环境下的多媒体组播传输控制与优化问题,主要研究工作概括如下:1)软件定义可伸缩视频组播系统架构的研究。利用SDN提供的网络可控、可编程的特点,针对可伸缩视频,本文研究如何构建在软件定义网络中的多媒体业务组播服务系统。为了使网络转发节点支持对视频内容的感知、实现完全可控的组播,本文设计了管理子系统,同时定义了视频服务系统中的功能实体并设计了组成功能实体的各个模块。为了满足系统对服务质量(Quality of Service,QoS)的支持,本文提出了在软件定义视频组播系统中链路带宽和网络时延的测量方法。针对系统在实际网络中部署时存在的域间和跨ISP服务问题,本文提出了支持大规模网络的域间与多ISP部署服务解决方案。在提出架构的基础上,我们搭建了软件定义可伸缩视频组播的原型系统,进行了相关实验以评估系统的性能。实验表明,提出的架构能够实现可伸缩视频在软件定义网络下的组播传输业务,能够达到优化网络资源利用的目的。2)软件定义网络中可伸缩视频自适应组播传输策略的研究。本文提出的软件定义可伸缩视频组播系统架构中,管理服务器的策略模块支持路由计算、组播树构建、视频传输控制等算法的定制,可以根据不同的场景、应用和需求部署不同的策略。本文提出了在软件定义网络中具有可用带宽和时延约束的组播路由算法,根据SDN控制器中的网络拓扑和链路状态等信息,构建具有QoS约束的最小代价视频组播树;同时本文提出了基于等效带宽估计的组播自适应调节控制策略,可伸缩视频在SDN网络传输过程中,系统可以依据网络状态信息检测到网络链路拥塞,依据相应层数选择算法在网络内部动态地调节可伸缩视频的传输层数,保证用户的观看体验。我们在原型系统中进行了相关实验,实验结果表明提出的算法和策略能够有效避免网络链路拥塞,显著提高视频业务的服务质量。3)软件定义网络中基于分层组播的视频会议系统研究。本文在软件定义网络中,基于可伸缩视频编解码技术和网络组播技术部署视频会议服务。在基于MCU的视频会议系统中,由于集中式的MCU具有很高的负载,极有可能成为系统的瓶颈,难以确保较高的QoS;而采用P2P技术部署的视频会议系统,成员上行网络带宽资源的限制也可能导致服务的中断。本文提出的系统中,集中式会议管理服务器只负责管理会议,而不接收和处理来自会议成员的媒体数据。会议管理服务器通过网络控制器提供的接口获取网络拓扑信息、网络可用带宽和路径时延等状态信息,从而为SVC视频流建立具有QoS约束的组播树,并在服务过程中采用基于等效带宽估计的可伸缩视频自适应组播传输策略,动态地调节网络中传输的视频流。实验结果表明,所提出的系统不仅可以提供灵活可控的视频会议组播传输,而且可以减少网络带宽的使用,保证视频会议的服务质量。