流媒體業(yè)務(wù)模型及其傳輸

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1.流媒體業(yè)務(wù)概述

一般來(lái)說(shuō)，流媒體業(yè)務(wù)主要包括兩種不同的類型，分別是存儲(chǔ)流媒體業(yè)務(wù)和實(shí)時(shí)流媒體業(yè)務(wù)。

存儲(chǔ)流媒體業(yè)務(wù)典型的應(yīng)用是網(wǎng)絡(luò)視頻點(diǎn)播等，而實(shí)時(shí)流媒體業(yè)務(wù)的典型應(yīng)用是PPLive、PPStream等軟件。這兩種業(yè)務(wù)在性質(zhì)上存在較大的區(qū)別，比如，在視頻點(diǎn)播業(yè)務(wù)中，用戶可以對(duì)訪問(wèn)的資源進(jìn)行較復(fù)雜的操作，例如前進(jìn)、倒退、暫停等等;而在實(shí)時(shí)直播業(yè)務(wù)情況下，用戶對(duì)訪問(wèn)資源無(wú)法進(jìn)行復(fù)雜操作，僅僅可以對(duì)其進(jìn)行暫停。

造成兩種業(yè)務(wù)性質(zhì)差別的根本原因是用戶和資源提供者在訪問(wèn)的流程中作用不同，對(duì)存儲(chǔ)流媒體業(yè)務(wù)的訪問(wèn)是由用戶決定的，由用戶驅(qū)動(dòng);而對(duì)實(shí)時(shí)流媒體業(yè)務(wù)的訪問(wèn)是由資源驅(qū)動(dòng)的，用戶只能被動(dòng)地接收。另一方面，用戶交互活動(dòng)對(duì)存儲(chǔ)流媒體業(yè)務(wù)的影響很大，與一般業(yè)務(wù)不同，因?yàn)橛脩艨梢詫?duì)其進(jìn)行前進(jìn)、倒退和中止等活動(dòng)，連接被稱為“干涉?zhèn)鬏敗?，而用戶交互活?dòng)對(duì)實(shí)時(shí)流媒體業(yè)務(wù)的影響較小，一般僅能對(duì)其暫停或中止。下面本文對(duì)以上兩部分業(yè)務(wù)特征進(jìn)行說(shuō)明，并給出模擬流媒體業(yè)務(wù)的仿真方案，這里假定資源是單一的娛樂資源。

2.存儲(chǔ)流媒體業(yè)務(wù)

由于對(duì)存儲(chǔ)流媒體業(yè)務(wù)的訪問(wèn)是由用戶決定的，所以對(duì)資源(Object)的訪問(wèn)結(jié)束標(biāo)志了一個(gè)會(huì)話(Session)的結(jié)束。在存儲(chǔ)流媒體業(yè)務(wù)中，定義會(huì)話為一個(gè)由用戶需求發(fā)起，以用戶資源傳輸完畢(或進(jìn)行中止)而結(jié)束的服務(wù)。

用戶干涉行為造成一個(gè)會(huì)話中可能有多個(gè)傳輸，可以采取分層的方法來(lái)描述工作業(yè)務(wù)的特征。首先是會(huì)話層，其次是傳輸層。

從業(yè)務(wù)不同方面來(lái)考察，可以得到多個(gè)不同參數(shù)，但是很多參數(shù)都是互相關(guān)聯(lián)的。在對(duì)存儲(chǔ)業(yè)務(wù)進(jìn)行模擬仿真時(shí)，需要一組獨(dú)立參數(shù)以得到業(yè)務(wù)特征：在會(huì)話層能夠確定各個(gè)會(huì)話的到達(dá)率、間隔時(shí)間和對(duì)應(yīng)的訪問(wèn)資源。在傳輸層，確定該會(huì)話內(nèi)傳輸?shù)膫€(gè)數(shù)、各個(gè)傳輸?shù)钠鹗紩r(shí)間、起始位置和持續(xù)時(shí)間等。

(1)會(huì)話層

為確定到達(dá)率和會(huì)話對(duì)應(yīng)的訪問(wèn)資源，需要知道資源流行度分布和業(yè)務(wù)強(qiáng)度時(shí)間變化分布。為得到間隔時(shí)間，可以考察各個(gè)資源對(duì)應(yīng)的請(qǐng)求時(shí)間相關(guān)度。

(2)傳輸層

為得到傳輸個(gè)數(shù)、起始位置、起始時(shí)間、持續(xù)時(shí)間和間隔時(shí)間，需要考慮以下幾個(gè)參數(shù)：資源大小、傳輸持續(xù)時(shí)間、傳輸暫停時(shí)間、會(huì)話中止位置和用戶跳躍的距離分布等。會(huì)話中止位置和用戶跳躍距離分布是存儲(chǔ)流媒體業(yè)務(wù)較特殊的特征。存儲(chǔ)流媒體仿真參數(shù)特征參見表1。

對(duì)存儲(chǔ)流媒體仿真，仿真流程如下：

第一步，決定會(huì)話對(duì)應(yīng)資源。會(huì)話對(duì)應(yīng)資源由資源受歡迎度分布決定，根據(jù)資源受歡迎度分布，得到一個(gè)長(zhǎng)度為會(huì)話個(gè)數(shù)的序列object(n )，然后session(j )的訪問(wèn)資源(session(j )為第j 個(gè)會(huì)話)由相應(yīng)object(j )得到。

第二步，決定會(huì)話間隔時(shí)間，會(huì)話間隔時(shí)間為訪問(wèn)相同資源的相鄰會(huì)話的間隔時(shí)間，會(huì)話間隔時(shí)間分布服從Pareto分布，即設(shè)session(i )(j )為訪問(wèn)j 資源的第i 個(gè)會(huì)話，start(i )(j )為其起始時(shí)間，則start(i+1)(j )-start(i )(j )服從Pareto分布。

第三步，決定會(huì)話結(jié)束時(shí)間，由會(huì)話訪問(wèn)結(jié)束點(diǎn)分布和資源大小分布決定該會(huì)話的結(jié)束時(shí)間，end(j )=partial(j )×size(obj(j ))，即第j個(gè)會(huì)話的結(jié)束時(shí)間由對(duì)應(yīng)的會(huì)話結(jié)束比例分布乘以該會(huì)話訪問(wèn)的資源長(zhǎng)度。

第四步，由請(qǐng)求訪問(wèn)率的時(shí)間分布和間隔時(shí)間分布決定會(huì)話的開始時(shí)間。

以上4個(gè)步驟得到各個(gè)會(huì)話的對(duì)應(yīng)資源、起始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間。

第五步，處理傳輸層相關(guān)參數(shù)，posit(i )(j )為session(i )內(nèi)的第(i )個(gè)傳輸，jump(i )(j )為第i個(gè)跳躍，playtime(i )(j )為第i個(gè)傳輸?shù)牟シ艜r(shí)間，pausetime(i )(j )為第i個(gè)傳輸?shù)臅和r(shí)間，clock(i )(j )為第i個(gè)傳輸?shù)钠鹗紩r(shí)間，clock(1)(j )=start (j )。

則：

if(posit (i )(j )+playtime (i )(j )

可以繼續(xù)新建一個(gè)傳輸：

playtime(i+1)(j)=posit(i )(j )+jump(i )(j )+playtime(i )(j )，

clock(i +1)(j )=clock(i )(j )+playtime(i )(j )+pausetime(i )(j )，

否則i 是該會(huì)話中最后一個(gè)傳輸：

pausetime(i )(j )=end(j )-posit(i )(j )。

通過(guò)以上5個(gè)步驟，可以得到各個(gè)傳輸?shù)膶?duì)應(yīng)資源、持續(xù)時(shí)間、起始位置和起始時(shí)間。

3.實(shí)時(shí)流媒體業(yè)務(wù)

使用分層的方法模擬實(shí)時(shí)流媒體業(yè)務(wù)特征，最底層傳輸層是媒體服務(wù)器得到的各個(gè)用戶傳輸請(qǐng)求，在第二層會(huì)話層，同一用戶的幾個(gè)相鄰業(yè)務(wù)請(qǐng)求可以看作一個(gè)會(huì)話，該會(huì)話的相鄰請(qǐng)求的間隔時(shí)間(靜止時(shí)間)都小于Toff，會(huì)話結(jié)束的標(biāo)志定義為對(duì)應(yīng)用戶的靜止時(shí)間大于臨界時(shí)間(OFF>Toff)。顯然，會(huì)話個(gè)數(shù)與臨界時(shí)間(Toff)相關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)Toff>3 600 s時(shí)，會(huì)話個(gè)數(shù)基本不再改變。也就是1 h的Toff對(duì)于訪問(wèn)行為已經(jīng)足夠大了，所以在這里采用Toff=3 600 s。頂層將各用戶對(duì)應(yīng)會(huì)話匯聚為用戶層。模擬實(shí)時(shí)流媒體業(yè)務(wù)時(shí)也采用分層的方法模擬實(shí)時(shí)流媒體業(yè)務(wù)。首先是用戶層，用于說(shuō)明用戶總體特性，主要為請(qǐng)求何時(shí)到達(dá)和請(qǐng)求對(duì)應(yīng)的用戶。這里假定用戶請(qǐng)求是獨(dú)立到達(dá)的。接下來(lái)是會(huì)話層，用于說(shuō)明會(huì)話的一些總體特性，主要決定一個(gè)會(huì)話包含多少傳輸。最后為傳輸層，由于用戶互動(dòng)性影響不大，這里只需確定各個(gè)傳輸?shù)膶?duì)應(yīng)資源、持續(xù)時(shí)間和起始時(shí)間。同樣，clock(1)(j )=start(j )，傳輸起始時(shí)間由傳輸間隔時(shí)間分布決定，持續(xù)時(shí)間由持續(xù)時(shí)間分布決定。會(huì)話層與傳輸層之間的關(guān)系如圖1所示。

實(shí)時(shí)流媒體仿真參數(shù)特征參見表2。

通過(guò)以上參數(shù)得到具體傳輸是較容易理解的。由用戶到達(dá)過(guò)程得到會(huì)話起始時(shí)間(何時(shí)到達(dá))，由資源受歡迎度和用戶感興趣度得到會(huì)話的對(duì)應(yīng)用戶與訪問(wèn)資源，會(huì)話的傳輸個(gè)數(shù)由Pareto得到，而傳輸相關(guān)參數(shù)由傳輸間隔時(shí)間和傳輸持續(xù)時(shí)間參數(shù)得到。

4.流媒體業(yè)務(wù)的自相似特性

自相似特性是高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的固有屬性，流媒體業(yè)務(wù)也不例外，對(duì)傳輸帶寬、傳輸時(shí)間都有較大影響，在研究流媒體一些機(jī)制，如緩存和代理機(jī)制時(shí)，需要考慮業(yè)務(wù)的自相似特性。該特性是存儲(chǔ)流媒體業(yè)務(wù)和實(shí)時(shí)流媒體業(yè)務(wù)都具有的。即流媒體業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)流量具有自相似性，根據(jù)視頻編碼協(xié)議，對(duì)一個(gè)確定的資源，每秒傳輸24幀。因此，網(wǎng)絡(luò)流量的自相似性表現(xiàn)為幀長(zhǎng)序列的自相似性，即同一流媒體資源的幀長(zhǎng)序列是一個(gè)自相似過(guò)程。該幀長(zhǎng)序列具有長(zhǎng)距離相關(guān)性和突發(fā)變化性，幀長(zhǎng)序列的分布特性參見表3。

5.流媒體光網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)流媒體業(yè)務(wù)需要一個(gè)能充分展現(xiàn)流媒體網(wǎng)絡(luò)特色的可運(yùn)營(yíng)、可管理、可盈利的業(yè)務(wù)運(yùn)行支撐環(huán)境，在這個(gè)支撐環(huán)境中，光網(wǎng)絡(luò)將扮演重要的角色。

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是一個(gè)基于IP/ATM/SDH/WDM的多層協(xié)議棧結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、效率低、靈活性差。隨著技術(shù)的進(jìn)步和業(yè)務(wù)的變化，4層結(jié)構(gòu)中的ATM層和SDH層將逐步消失，但其基本功能不會(huì)消亡，將會(huì)分別融入因特網(wǎng)協(xié)議/多協(xié)議標(biāo)記交換(IP/MPLS)層和波分復(fù)用/光傳送網(wǎng)(WDM/OTN)層中去。整個(gè)功能結(jié)構(gòu)層次將變得更加簡(jiǎn)單，趨向扁平化的兩層結(jié)構(gòu)。因此，流媒體下的核心骨干光網(wǎng)絡(luò)也應(yīng)采取這種協(xié)議體系結(jié)構(gòu)[1]。

未來(lái)寬帶網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的思路主要有以下3種：

采用大容量的光波長(zhǎng)交換設(shè)備和大容量路由器建立智能光網(wǎng)絡(luò)。

采用大容量的路由器建立分組路由光網(wǎng)絡(luò)。

采用光波長(zhǎng)交換/路由器復(fù)合設(shè)備建立波長(zhǎng)交換/分組路由綜合光網(wǎng)絡(luò)。

其中，智能光網(wǎng)絡(luò)具有兩種不同的網(wǎng)絡(luò)模型：層疊模型和對(duì)等模型，相應(yīng)地對(duì)應(yīng)有兩種不同的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。

文獻(xiàn)[3]給出了一個(gè)典型的寬帶信息網(wǎng)應(yīng)用支撐環(huán)境，是主要針對(duì)InternetTV、實(shí)時(shí)多媒體交互這兩類業(yè)務(wù)的支撐環(huán)境。在該寬帶信息網(wǎng)應(yīng)用支撐環(huán)境下，網(wǎng)絡(luò)流媒體應(yīng)用模型可以從網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)兩層來(lái)分析。

網(wǎng)絡(luò)層分為駐地網(wǎng)、寬帶城域網(wǎng)和干線網(wǎng)3種，其中寬帶城域網(wǎng)和干線網(wǎng)均建在因特網(wǎng)協(xié)議/自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)(IP/ASON)雙平臺(tái)上，可以為實(shí)時(shí)流媒體業(yè)務(wù)提供具有端到端連接的光鏈路(如圖2所示)。

業(yè)務(wù)層主要利用網(wǎng)絡(luò)層提供的傳輸平臺(tái)開展Internet TV、視頻點(diǎn)播(VOD)業(yè)務(wù)，Internet TV、VOD業(yè)務(wù)主要在寬帶城域網(wǎng)內(nèi)運(yùn)行，同時(shí)又可以通過(guò)干線網(wǎng)進(jìn)行跨地區(qū)的節(jié)目傳送，實(shí)現(xiàn)跨地區(qū)數(shù)字電視(DTV)節(jié)目交流。所有業(yè)務(wù)由業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)商提供，駐地網(wǎng)提供用戶接入功能，并跨接到城域網(wǎng)上，為用戶提供具有服務(wù)質(zhì)量(QoS)保證的多媒體業(yè)務(wù)。

網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)和業(yè)務(wù)平臺(tái)兩者的關(guān)系如下：流媒體業(yè)務(wù)集成平臺(tái)運(yùn)行在網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)于寬帶網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)，流媒體業(yè)務(wù)集成平臺(tái)的作用相當(dāng)于中心媒體服務(wù)器;寬帶網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)平臺(tái)則提供了一個(gè)用戶接入，并為用戶提供實(shí)現(xiàn)視頻流媒體服務(wù)的平臺(tái)，在用戶與業(yè)務(wù)集成平臺(tái)之間是一個(gè)針對(duì)用戶的媒體服務(wù)器(MS)，提供用戶接入、認(rèn)證、基本數(shù)據(jù)記錄等功能;業(yè)務(wù)集成平臺(tái)功能相當(dāng)于一個(gè)用于存儲(chǔ)、傳送媒體內(nèi)容的區(qū)域存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)(SAN)，并提供一個(gè)具有電子節(jié)目指南(EPG)功能、用于業(yè)務(wù)服務(wù)的可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言(XML)門戶網(wǎng)站。

根據(jù)寬帶信息網(wǎng)應(yīng)用支撐環(huán)境模型可知，流媒體業(yè)務(wù)集成平臺(tái)是基于IP/ASON雙平臺(tái)廣域網(wǎng)的系統(tǒng)，并可以充分利用信息網(wǎng)跨區(qū)域的特點(diǎn)。在Internet TV業(yè)務(wù)方面，通過(guò)將不同區(qū)域的數(shù)字電視節(jié)目推送到信息網(wǎng)上，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)電視具有跨區(qū)域廣播業(yè)務(wù)特色的綜合流媒體傳輸平臺(tái)。流媒體業(yè)務(wù)集成平臺(tái)研究的目的就是為實(shí)現(xiàn)基于信息網(wǎng)的IP/ASON雙平臺(tái)特色的寬帶網(wǎng)上流媒體傳送提供技術(shù)上的支撐，即研究Internet TV網(wǎng)關(guān)設(shè)備、Cisco設(shè)備發(fā)現(xiàn)協(xié)議(CDP)的網(wǎng)絡(luò)分發(fā)系統(tǒng)、業(yè)務(wù)集成管理系統(tǒng)。這3部分將分別應(yīng)用于業(yè)務(wù)集成平臺(tái)中的3個(gè)不同角色，Internet TV網(wǎng)關(guān)設(shè)備將提供給網(wǎng)絡(luò)電視提供商，由數(shù)字電視節(jié)目供應(yīng)商利用Internet TV網(wǎng)關(guān)設(shè)備的數(shù)字視頻廣播-IP(DVB-IP)協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，實(shí)時(shí)地將DTV節(jié)目推送到寬帶城域網(wǎng)上。當(dāng)城域網(wǎng)上的DTV節(jié)目可以在城域間交流時(shí)，通過(guò)將不同地區(qū)城域網(wǎng)上的DTV節(jié)目推送到信息網(wǎng)上，就可以在信息網(wǎng)上形成網(wǎng)絡(luò)電視節(jié)目源，供不同城市的業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)商作為節(jié)目源開展網(wǎng)絡(luò)電視業(yè)務(wù)。媒體服務(wù)器(MS)為用戶提供網(wǎng)絡(luò)電視的接入業(yè)務(wù)。業(yè)務(wù)集成管理系統(tǒng)則將給流媒體業(yè)務(wù)提供商提供一個(gè)技術(shù)支撐平臺(tái)，這個(gè)技術(shù)支撐平臺(tái)包括XML門戶網(wǎng)站、業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)(SMS)、內(nèi)容存儲(chǔ)(CS)、CDP等模塊，由SMS利用用戶標(biāo)識(shí)(ID)進(jìn)行密鑰的分發(fā)，控制CDP將業(yè)務(wù)內(nèi)容分發(fā)到用戶所在MS，提供VOD業(yè)務(wù)的媒體存貯及業(yè)務(wù)產(chǎn)品的定制。CDP則在業(yè)務(wù)集成管理系統(tǒng)的控制下，在保證業(yè)務(wù)內(nèi)容傳送質(zhì)量條件下，將業(yè)務(wù)內(nèi)容分發(fā)到指定的MS。

ASON是能夠智能化地自動(dòng)完成光網(wǎng)絡(luò)交換連接功能的新一代光傳送網(wǎng)[4]。 包括3個(gè)層面的各種技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)體系的不斷更新和跟進(jìn)，使得ASON技術(shù)保持著新技術(shù)的幾乎所有特性，并繼續(xù)受到關(guān)注。

目前，ASON技術(shù)的各主要標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程已經(jīng)基本結(jié)束，產(chǎn)品和技術(shù)的商用化步伐加快，ASON已經(jīng)在全球進(jìn)入了規(guī)模商用階段。

在中國(guó)，ASON也越來(lái)越得到電信運(yùn)營(yíng)商的關(guān)注。目前，隨著流媒體業(yè)務(wù)應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)需求越來(lái)越大，在流媒體的光網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)中，ASON以其連接建立的智能化和高效的網(wǎng)絡(luò)資源利用率等優(yōu)點(diǎn)，很好地滿足了流媒體業(yè)務(wù)的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)傳輸功能。

圖3所示是一個(gè)典型的媒體內(nèi)容傳送平臺(tái)的自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)模型。由于業(yè)務(wù)集成平臺(tái)建立在寬帶信息網(wǎng)的IP/ASON雙平臺(tái)廣域網(wǎng)上，并且ASON網(wǎng)可以提供鏈路層組播功能。

在網(wǎng)絡(luò)數(shù)字電視的直播業(yè)務(wù)方面，可以充分利用ASON提供的鏈路層組播功能，由CDP通過(guò)ASON的信令接口——用戶網(wǎng)絡(luò)接口(UNI)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)電視節(jié)目基于端到端連接的可靠的數(shù)據(jù)傳送。

在VOD點(diǎn)播業(yè)務(wù)方面，將結(jié)合IP/ASON雙平臺(tái)特點(diǎn)，在IP傳送符合流媒體業(yè)務(wù)的QoS情況下，在IP層上進(jìn)行傳送，當(dāng)IP層不能保證流媒體網(wǎng)絡(luò)傳送的QoS時(shí)，采用ASON建立端到端的鏈路連接，以保證流媒體在整個(gè)信息網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)上傳送的QoS。

6.結(jié)束語(yǔ)

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，流媒體已經(jīng)成為未來(lái)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)人們的生活帶來(lái)重要的影響，尤其在網(wǎng)絡(luò)數(shù)字電視的直播業(yè)務(wù)和VOD點(diǎn)播業(yè)務(wù)方面，應(yīng)該說(shuō)，流媒體技術(shù)已經(jīng)逐漸進(jìn)入了全面應(yīng)用的時(shí)期。要想更好地把握流媒體技術(shù)，首先需要弄清楚流媒體業(yè)務(wù)模型，本文正是從這一點(diǎn)出發(fā)，對(duì)流媒體業(yè)務(wù)模型及其實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了討論，在此基礎(chǔ)上給出了寬帶信息網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)流媒體應(yīng)用模型，最后對(duì)適合流媒體傳輸?shù)腁SON光傳送網(wǎng)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的闡述。(techtarget)