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

一般來說，流媒體業(yè)務(wù)主要包括兩種不同的類型，分別是存儲流媒體業(yè)務(wù)和實時流媒體業(yè)務(wù)。

存儲流媒體業(yè)務(wù)典型的應(yīng)用是網(wǎng)絡(luò)視頻點播等，而實時流媒體業(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，在視頻點播業(yè)務(wù)中，用戶可以對訪問的資源進行較復(fù)雜的操作，例如前進、倒退、暫停等等;而在實時直播業(yè)務(wù)情況下，用戶對訪問資源無法進行復(fù)雜操作，僅僅可以對其進行暫停。

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的流程中作用不同，對存儲流媒體業(yè)務(wù)的訪問是由用戶決定的，由用戶驅(qū)動;而對實時流媒體業(yè)務(wù)的訪問是由資源驅(qū)動的，用戶只能被動地接收。另一方面，用戶交互活動對存儲流媒體業(yè)務(wù)的影響很大，與一般業(yè)務(wù)不同，因為用戶可以對其進行前進、倒退和中止等活動，連接被稱為“干涉?zhèn)鬏敗?，而用戶交互活動對實時流媒體業(yè)務(wù)的影響較小，一般僅能對其暫?；蛑兄?。下面本文對以上兩部分業(yè)務(wù)特征進行說明，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.存儲流媒體業(yè)務(wù)

由于對存儲流媒體業(yè)務(wù)的訪問是由用戶決定的，所以對資源(Object)的訪問結(jié)束標(biāo)志了一個會話(Session)的結(jié)束。在存儲流媒體業(yè)務(wù)中，定義會話為一個由用戶需求發(fā)起，以用戶資源傳輸完畢(或進行中止)而結(jié)束的服務(wù)。

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

從業(yè)務(wù)不同方面來考察，可以得到多個不同參數(shù)，但是很多參數(shù)都是互相關(guān)聯(lián)的。在對存儲業(yè)務(wù)進行模擬仿真時，需要一組獨立參數(shù)以得到業(yè)務(wù)特征：在會話層能夠確定各個會話的到達(dá)率、間隔時間和對應(yīng)的訪問資源。在傳輸層，確定該會話內(nèi)傳輸?shù)膫€數(shù)、各個傳輸?shù)钠鹗紩r間、起始位置和持續(xù)時間等。

(1)會話層

為確定到達(dá)率和會話對應(yīng)的訪問資源，需要知道資源流行度分布和業(yè)務(wù)強度時間變化分布。為得到間隔時間，可以考察各個資源對應(yīng)的請求時間相關(guān)度。

(2)傳輸層

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

對存儲流媒體仿真，仿真流程如下：

第一步，決定會話對應(yīng)資源。會話對應(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，得到一個長度為會話個數(shù)的序列object(n )，然后session(j )的訪問資源(session(j )為第j 個會話)由相應(yīng)object(j )得到。

第二步，決定會話間隔時間，會話間隔時間為訪問相同資源的相鄰會話的間隔時間，會話間隔時間分布服從Pareto分布，即設(shè)session(i )(j )為訪問j 資源的第i 個會話，start(i )(j )為其起始時間，則start(i+1)(j )-start(i )(j )服從Pareto分布。

第三步，決定會話結(jié)束時間，由會話訪問結(jié)束點分布和資源大小分布決定該會話的結(jié)束時間，end(j )=partial(j )×size(obj(j ))，即第j個會話的結(jié)束時間由對應(yīng)的會話結(jié)束比例分布乘以該會話訪問的資源長度。

第四步，由請求訪問率的時間分布和間隔時間分布決定會話的開始時間。

以上4個步驟得到各個會話的對應(yīng)資源、起始時間和結(jié)束時間。

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 )個傳輸，jump(i )(j )為第i個跳躍，playtime(i )(j )為第i個傳輸?shù)牟シ艜r間，pausetime(i )(j )為第i個傳輸?shù)臅和r間，clock(i )(j )為第i個傳輸?shù)钠鹗紩r間，clock(1)(j )=start (j )。

則：

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

可以繼續(xù)新建一個傳輸：

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 是該會話中最后一個傳輸：

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

通過以上5個步驟，可以得到各個傳輸?shù)膶?yīng)資源、持續(xù)時間、起始位置和起始時間。

3.實時流媒體業(yè)務(wù)

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

實時流媒體仿真參數(shù)特征參見表2。

通過以上參數(shù)得到具體傳輸是較容易理解的。由用戶到達(dá)過程得到會話起始時間(何時到達(dá))，由資源受歡迎度和用戶感興趣度得到會話的對應(yīng)用戶與訪問資源，會話的傳輸個數(shù)由Pareto得到，而傳輸相關(guān)參數(shù)由傳輸間隔時間和傳輸持續(xù)時間參數(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，對傳輸帶寬、傳輸時間都有較大影響，在研究流媒體一些機制，如緩存和代理機制時，需要考慮業(yè)務(wù)的自相似特性。該特性是存儲流媒體業(yè)務(wù)和實時流媒體業(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，對一個確定的資源，每秒傳輸24幀。因此，網(wǎng)絡(luò)流量的自相似性表現(xiàn)為幀長序列的自相似性，即同一流媒體資源的幀長序列是一個自相似過程。該幀長序列具有長距離相關(guān)性和突發(fā)變化性，幀長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)需要一個能充分展現(xiàn)流媒體網(wǎng)絡(luò)特色的可運營、可管理、可盈利的業(yè)務(wù)運行支撐環(huán)境，在這個支撐環(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，但其基本功能不會消亡，將會分別融入因特網(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。整個功能結(jié)構(gòu)層次將變得更加簡單，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)。

采用光波長交換/路由器復(fù)合設(shè)備建立波長交換/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：層疊模型和對等模型，相應(yīng)地對應(yīng)有兩種不同的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。

文獻(xiàn)[3]給出了一個典型的寬帶信息網(wǎng)應(yīng)用支撐環(huán)境，是主要針對InternetTV、實時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/自動交換光網(wǎng)絡(luò)(IP/ASON)雙平臺上，可以為實時流媒體業(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)層提供的傳輸平臺開展Internet TV、視頻點播(VOD)業(yè)務(wù)，Internet TV、VOD業(yè)務(wù)主要在寬帶城域網(wǎng)內(nèi)運行，同時又可以通過干線網(wǎng)進行跨地區(qū)的節(jié)目傳送，實現(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)運營商提供，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)平臺和業(yè)務(wù)平臺兩者的關(guān)系如下：流媒體業(yè)務(wù)集成平臺運行在網(wǎng)絡(luò)中，對于寬帶網(wǎng)絡(luò)運營商來說，流媒體業(yè)務(wù)集成平臺的作用相當(dāng)于中心媒體服務(wù)器;寬帶網(wǎng)絡(luò)運營平臺則提供了一個用戶接入，并為用戶提供實現(xiàn)視頻流媒體服務(wù)的平臺，在用戶與業(yè)務(wù)集成平臺之間是一個針對用戶的媒體服務(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)集成平臺功能相當(dāng)于一個用于存儲、傳送媒體內(nèi)容的區(qū)域存儲網(wǎng)絡(luò)(SAN)，并提供一個具有電子節(jié)目指南(EPG)功能、用于業(yè)務(wù)服務(wù)的可擴展標(biāo)記語言(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)集成平臺是基于IP/ASON雙平臺廣域網(wǎng)的系統(tǒng)，并可以充分利用信息網(wǎng)跨區(qū)域的特點。在Internet TV業(yè)務(wù)方面，通過將不同區(qū)域的數(shù)字電視節(jié)目推送到信息網(wǎng)上，實現(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。流媒體業(yè)務(wù)集成平臺研究的目的就是為實現(xiàn)基于信息網(wǎng)的IP/ASON雙平臺特色的寬帶網(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)集成平臺中的3個不同角色，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，實時地將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，通過將不同地區(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)運營商作為節(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)提供商提供一個技術(shù)支撐平臺，這個技術(shù)支撐平臺包括XML門戶網(wǎng)站、業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)(SMS)、內(nèi)容存儲(CS)、CDP等模塊，由SMS利用用戶標(biāo)識(ID)進行密鑰的分發(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個層面的各種技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)體系的不斷更新和跟進，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)在全球進入了規(guī)模商用階段。

在中國，ASON也越來越得到電信運營商的關(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，很好地滿足了流媒體業(yè)務(wù)的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)傳輸功能。

圖3所示是一個典型的媒體內(nèi)容傳送平臺的自動交換光網(wǎng)絡(luò)模型。由于業(yè)務(wù)集成平臺建立在寬帶信息網(wǎng)的IP/ASON雙平臺廣域網(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ASON的信令接口——用戶網(wǎng)絡(luò)接口(UNI)，實現(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點播業(yè)務(wù)方面，將結(jié)合IP/ASON雙平臺特點，在IP傳送符合流媒體業(yè)務(wù)的QoS情況下，在IP層上進行傳送，當(dāng)IP層不能保證流媒體網(wǎng)絡(luò)傳送的QoS時，采用ASON建立端到端的鏈路連接，以保證流媒體在整個信息網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)上傳送的QoS。

6.結(jié)束語

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，流媒體已經(jīng)成為未來數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的一項關(guān)鍵技術(shù)，對人們的生活帶來重要的影響，尤其在網(wǎng)絡(luò)數(shù)字電視的直播業(yè)務(wù)和VOD點播業(yè)務(wù)方面，應(yīng)該說，流媒體技術(shù)已經(jīng)逐漸進入了全面應(yīng)用的時期。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，本文正是從這一點出發(fā)，對流媒體業(yè)務(wù)模型及其實現(xiàn)進行了討論，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，最后對適合流媒體傳輸?shù)腁SON光傳送網(wǎng)進行了簡要的闡述。(techtarget)