一種基于Mesh網結構的流媒體傳輸方法

李先　汪克峰

摘 要： 為了提高Mesh網結構下的流媒體傳輸效率，在分析了當前Mesh網流媒體傳輸方法基礎上，基于Mesh網的結構特點，通過把P2P技術和H2O流媒體放置復制算法相結合，設計并實現了一種綜合考慮Router和Client的Mesh網流媒體傳輸方法，分別探討了非P2P和P2P模式下的流媒體發現、路由和傳輸機制，并通過仿真對算法的性能進行了評估。仿真表明，與同類算法相比，該算法在性能上有明顯提高。

關鍵詞： Mesh網； 流媒體； 傳輸方法； P2P

中圖分類號： TN915?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）06?0062?03

Abstract： To improve the efficiency of flow media transmission in Mesh networks， a new Mesh network flow media transmission method that considers Routers and Clients comprehensively was designed and realized on the basis of analysis of the current Mesh network flow media transmission method and the Mesh network structure characteristics. The mechanisms of discovery， routing and transmission of flow media under non?P2P and P2P modes are discussed. The performance of the algorithm is evaluated with a simulation method. The simulation results show that， compared with similar algorithms， the performance of the algorithm proposed in this paper has more obvious improvement.

Keywords： Mesh network； flow media； transmission method； P2P

0 引 言

無線Mesh網（WMN）是一種新型的寬帶無線網絡，具有高容量、高速率、分布式的特點。在網絡拓撲上，WMN與移動Ad Hoc網絡相似，但網絡節點移動性小，處于靜止或半靜止狀態，拓撲變化小，并且節點不用電池作動力，有穩定的能量來源。在單跳接入時，WMN可以看作是一種特殊的無線局域網。

在業務模式上，Ad Hoc網絡主要是節點間的業務流，而WMN網絡主要是來往于Internet網關的業務[1]。目前，基于城際Mesh網的應用，如作為接入網和回程網的解決方案，被越來越多的研究[2]。

在基于WMN的諸多應用中，按需點播（Video on?Demand， VoD）是最有吸引力的應用服務之一，基于WMN的流媒體傳輸是一個具有挑戰性的研究領域，近年來提出了不少基于WMN的流媒體傳輸策略。Shui等人提出了一種基于DSR協議的多信道多路徑傳輸協議MM?DSR[3]，通過該協議提供一種可靠的流媒體傳輸機制。文獻[4]對當前基于AODV協議改進、并應用于WMN流媒體傳輸的研究進行了總結，這些研究都側重于提高視頻流的質量。文獻[5]實現了一種UPAC算法，該算法采用P2P技術和服務器緩存技術來提高內容容量和流的傳輸質量。

文獻[6]討論了WMN按需點播視頻流的數據放置問題，提出了一個稱為Home?to?Home Online（H2O）的數據放置和復制框架，解決了多片段多跳傳輸延遲問題。文獻[7]在文獻[6]的基礎上進行了改進，設計了一個新的數據復制框架H2?VIP。

本文的研究建立在文獻[6]的基礎上，但是基于一種不同的Mesh網結構，不僅僅考慮如文獻[6]中的Mesh Router，而且把Mesh網中的用戶Client也考慮進去，比如PDA，移動電話?；谠摻Y構，設計了新的媒體放置、發現策略，實現了一種基于Mesh網的流媒體傳輸方法。

1 媒體流放置和復制

基于圖1的Mesh網拓撲結構，假設該網中有N個Mesh網網關（路由器），和文獻[6]中的業務模式不同，本網中的業務由用戶Client產生并發出請求。假設一個視頻流被分割為M個等量大小的視頻塊，整個視頻的播放長度是T s，則每塊的播放時間為[Sb=TM]。文獻[6]的研究已證明，不需要每個路由器均存儲所有視頻塊，采用文獻[6]的復制和放置方案，可以最小化視頻塊的存儲容量。該算法假設塊[bi]要在塊[bi-1]播放結束之前到達，如果用[tc]表示請求的發起時間，則塊[bi]應該在時間[i×Sb+tc]之前到達。如果每個路由器按照播放速率來分配帶寬，擁有第[i]個視頻塊的路由器距離客戶端有[h]跳，則該路由器開始傳輸視頻塊[bi]的時間為[（i-h-1）×Sb+tc]。為了流暢的播放，Client向服務器請求的跳數應滿足[h≤i]，因此對于每個路由器，其[i]跳范圍內至少要有塊[bi]的一個副本，才能保證其范圍內的Client視頻請求得以流暢播放。塊[bi]應被復制的次數為[ri=N（2i2+2i+1）]，整個視頻流需要的存儲容量為[S=i=1Mri]。

2 流媒體發現機制

首先，Client向距離最近的Router發起視頻請求，收到請求的Router首先檢查本地是否存儲有請求視頻塊的副本，如果沒有，則該Router會產生一個請求消息，該消息由申請序列號、請求的視頻塊ID、視頻塊到達時間以及TTL組成。該消息采用廣播的方式向外擴散，收到該消息的路由器同樣檢查本地是否存儲有請求視頻塊的副本，如果沒有且TTL>0，則繼續轉發。如果本地存儲有所請求的視頻塊，且有足夠的帶寬預留，則按照請求到達的路徑向源端發送一個響應報文，中間節點收到該響應報文后，檢查本身是否有足夠的帶寬預留，如果有，暫時預留帶寬并繼續向源端傳輸該響應報文，如果沒有則拋棄該報文。源節點在收到回應報文后，對同一視頻塊ID傳來的多個回應報文，選擇跳數最少的一條路徑進行確認，確認報文經過的節點會預留帶寬，當確認報文到達擁有視頻塊的Router時，該Router會啟動一個定時器，該Router必須在定時器到時之前發送視頻塊。那些收到回應報文并暫時預留了帶寬的中間Router會同時啟動一個定時器，在該定時器到時之前如果沒有收到確認報文，則釋放預留的帶寬。

3 算法實現和性能評估

盡管文獻[6]中的H2O算法可以最小化副本的數量，但是因為拓撲的因素，某個Router可能會成為多個視頻塊的副本存放地，從而導致該服務器成為瓶頸，過多的請求會導致該Router性能下降。為了提高性能，本文把P2P模式引入到系統實現中來，讓Client緩存一定的視頻塊，并具有Router的功能。當Router收到一個Client請求時，和前述一樣，首先檢查本地是否存儲有該請求的副本，如果沒有，不是立即產生一個廣播報文，而是向其傳播范圍內的Client發出一個查詢請求；如果在該范圍內的Client緩存有該視頻塊，則向Router發送一個確認，Router收到以后，會在兩個Client之間建立一條路徑。如果Router沒有收到任何確認，則Router繼續產生洪泛報文，向鄰居Router查詢。

仿真在OMNet++仿真環境下進行，仿真中在一個20×20正方形網格區域內放置400個Router、400個Client，Client按均勻分布隨機分布在網格中，每個Router都以其周圍的4個Router作為鄰居，仿真中放置一個120 min的視頻，該視頻被分割為30個等大小的視頻塊，視頻播放需求帶寬4 Mb/s，到達請求服從泊松分布。

圖2是帶寬B=5時的仿真結果，橫軸是泊松分布的請求到達速率，縱軸是請求被阻塞的比率，由圖2可以看到，隨著請求到達速率的提高，請求被阻塞的概率增加。同時可以看到，在P2P模式下，而當客戶端緩存容量SB=1時，由于緩存太小，不能緩存更多視頻塊，因此就不能有效發揮客戶端的作用，系統性能提升就不夠明顯，隨著客戶端緩存容量SB的增加，阻塞率明顯降低，P2P模式下的系統性能得以明顯提高。圖3是在帶寬B=15時的仿真結果，對比圖2可發現，在帶寬提高的前提下，阻塞率得以明顯降低。

以上仿真對本文算法的性能進行了評估，為了進一步比較本文算法和同類相關研究算法的性能，把本文中基于Mesh網結構的流媒體傳輸算法（ABMA算法）和采用了相同網絡結構的UPAC[5]算法進行比較。仿真參數參照文獻[5]設定如下：仿真拓撲為10×10的網格矩形，共布置100個Router，各路由器傳輸范圍250 m，傳輸帶寬54 Mb/s，在中心區域路由器上放置一個視頻，并分割為30個等大小的視頻塊，各個終端請求的CBR流需求帶寬為400 Kb/s，每個數據包的大小為1 460 B。在以上條件下，圖4統計了不同數量終端并發請求下的丟包率。由圖4可以看出，盡管兩種算法采用了相同的Mesh網體系機構，但由于本文的算法結合了文獻[6]的放置算法，并把Client考慮在內，因此客戶端的請求被有效分流，丟包率大幅降低，性能明顯優于UPAC算法。

4 結 論

本文在總結現有Mesh網流媒體放置和復制算法的基礎上，設計了一種適用于Mesh網結構的流媒體傳輸方法，和原有算法相比較，本方法不僅考慮了Mesh網中的Router，同時把Mesh網中的Client也考慮了進去，并對方法的性能進行了仿真評估。仿真表明，在Client參與的P2P模式下，系統能夠獲得更好的性能。

參考文獻

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